UL網(wǎng)絡(luò)在地鐵的部署與優(yōu)化

吳在霖，毛利凱（.中國聯(lián)通天津分公司，天津300000；.北京電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京00044）

0 前言

從上世紀(jì)70年代我國第1條地鐵竣工開通，至今已過去近半個(gè)世紀(jì)。在這幾十年中，我國已建成通車約4 000 km的地鐵線路，排名世界第一。當(dāng)下室內(nèi)軌道交通已成為一、二線城市公共交通中最重要的組成部分。僅以國內(nèi)某一線城市為例，截至2016年，該市軌道交通運(yùn)營線路共有5條，線網(wǎng)覆蓋10個(gè)市轄區(qū)，運(yùn)營里程166 km。地鐵作為現(xiàn)代化城市重要的交通工具之一，建設(shè)力度不斷加強(qiáng)。預(yù)計(jì)2020年該市地鐵將形成14條運(yùn)營線路、總里程513 km的軌道交通系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年該市軌道交通年客運(yùn)量2.77億乘次，日均客運(yùn)量逾70萬乘次。

地鐵是用戶流量的價(jià)值區(qū)域，一直以來都較受運(yùn)營商重視?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代每一個(gè)用戶無時(shí)無刻不在使用網(wǎng)絡(luò)，特別是乘客在等待與乘坐地鐵的過程中，都在利用手機(jī)進(jìn)行娛樂、交流。面對(duì)日均幾十萬逾次的乘客流量，在早晚高峰期，地鐵線路中產(chǎn)生的高話務(wù)量與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量，當(dāng)前的GSM網(wǎng)絡(luò)根本無法滿足終端用戶對(duì)高話務(wù)量和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。為盡快滿足地鐵內(nèi)UMTS用戶和LTE用戶的使用需求，不斷提升用戶感知度，地鐵內(nèi)需部署UMTS和LTE網(wǎng)絡(luò)。

本文通過對(duì)某市地鐵13個(gè)站點(diǎn)的UMTS與LTE共傳輸部署，研究在地鐵現(xiàn)網(wǎng)傳輸端口光纖資源稀缺，開通割接工期緊張的情形下，如何快速、高效完成通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，為通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在復(fù)雜場景的實(shí)施應(yīng)用提供了參考案例。

1 地鐵通信系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 地鐵無線覆蓋場景

現(xiàn)行大部分軌道交通位于地下，導(dǎo)致地鐵隧道、站廳、站臺(tái)這樣的封閉環(huán)境都是信號(hào)盲區(qū)，列車車廂外殼與高密度人流都會(huì)造成無線信號(hào)的屏蔽與衰減。

地鐵信號(hào)覆蓋相比于室外站點(diǎn)和傳統(tǒng)室內(nèi)建筑覆蓋相比有以下幾點(diǎn)區(qū)別。

a）地鐵場景較為復(fù)雜，覆蓋包括購票廳、乘客通道、站臺(tái)和隧道區(qū)間等。

b）每日地鐵內(nèi)高峰期的龐大人流造成用戶數(shù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、話務(wù)量的陡增。

c）地鐵位于地下，幾乎都是信號(hào)盲區(qū)。

d）地鐵隧道空間受限，多運(yùn)營商間室分系統(tǒng)干擾大，信號(hào)覆蓋工程復(fù)雜。

1.2 信號(hào)傳播模型

機(jī)房內(nèi)基帶單元、傳輸?shù)仍O(shè)備與室外吸頂天線共同組成站廳、站臺(tái)的通信覆蓋。由于地鐵的站廳較為空曠，人流比較密集，但移動(dòng)速度比較慢，站廳的無線覆蓋可以采用常規(guī)樓宇的天線陣來進(jìn)行，一般站廳只需要1套POI設(shè)備即可滿足覆蓋需求。使用ITU-R P.1238室內(nèi)傳播模型計(jì)算自由空間傳播損耗：

式中：

N——距離損耗系數(shù)，地鐵覆蓋一般取20

f——頻率（MHz）

d——移動(dòng)臺(tái)與發(fā)射機(jī)之間的距離（m），d>1 m

Xδ——慢衰落余量，取值與覆蓋概率要求和室內(nèi)慢衰落標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)，已經(jīng)在邊緣覆蓋指標(biāo)中考慮，此處不用考慮

Lf（n）——穿透損耗系數(shù)，Lf（n）=P×W

P——墻壁損耗參考值，地鐵站廳站臺(tái)以鋼筋混凝土建筑為主，根據(jù)業(yè)內(nèi)參考值取20 dB

W——墻壁數(shù)目

根據(jù)式（1）可計(jì)算地鐵室內(nèi)傳播路徑損耗，并推算相應(yīng)的站廳及站臺(tái)的覆蓋范圍。

1.3 合路方式

基帶單元、傳輸?shù)仍O(shè)備與泄漏電纜共同組成地鐵隧道內(nèi)通信覆蓋。由于地鐵內(nèi)同時(shí)存在多家通信運(yùn)營商，所以地鐵內(nèi)一般為多運(yùn)營商、多系統(tǒng)采用POI合路組網(wǎng)方式。若本運(yùn)營商在地鐵內(nèi)存在資源，則可利用原有光纜組網(wǎng)方式，將機(jī)房與隧道內(nèi)的功分、耦合方式進(jìn)行簡化，機(jī)房與隧道內(nèi)合路方式如圖1所示，省略了其余運(yùn)營商的頻分合路。

1.4 信號(hào)切換

地鐵通信覆蓋切換主要分為三大類：隧道內(nèi)切換、站廳與車站出入口切換、站臺(tái)與隧道切換。

列車在運(yùn)行過程中跨越不同的小區(qū)，伴隨著小區(qū)信號(hào)強(qiáng)弱的變化，信號(hào)切換是否成功取決于原服務(wù)小區(qū)信號(hào)衰減率的高低，即在一定時(shí)間段內(nèi)仍要滿足邊緣RSRP=-105 dBm的要求。

考慮到用戶感知度、降低用戶投訴率，一般將隧道內(nèi)切換區(qū)設(shè)置在隧道中間地段。以地鐵內(nèi)某站點(diǎn)為例，隧道內(nèi)切換小區(qū)間強(qiáng)度示意如圖2所示。隧道間電平值變化基本呈現(xiàn)“V”字型，谷底即為隧道內(nèi)切換區(qū)。

2 基于UL網(wǎng)絡(luò)的地鐵室分系統(tǒng)構(gòu)造

圖1 機(jī)房與隧道內(nèi)合路方式示意圖

圖2 某市地鐵隧道內(nèi)切換小區(qū)場強(qiáng)

構(gòu)造地鐵內(nèi)的室分系統(tǒng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，不僅需要考慮新建系統(tǒng)對(duì)原有通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的干擾，同時(shí)還要規(guī)避對(duì)地鐵信息的影響；還要合理高效利用原有通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源和隧道資源，給網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容升級(jí)改造等未來需求留有余地。

2.1 局內(nèi)搭建試驗(yàn)臺(tái)

為降低UL網(wǎng)絡(luò)開通工作對(duì)于地鐵信號(hào)的影響，需要同時(shí)對(duì)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行割接。同時(shí)由于當(dāng)前GSM傳輸未成環(huán)，為避免割接中造成原GSM網(wǎng)絡(luò)全部斷鏈，需先將原傳輸設(shè)備恢復(fù)成環(huán)。

以該市地鐵某線為例，對(duì)于原同一套GSM傳輸設(shè)備掛接的范圍站點(diǎn)，在同一天凌晨4 h的割接工作中完成對(duì)應(yīng)的斷站替換。按照預(yù)置數(shù)據(jù)順序，需要在4 h內(nèi)完成所有的斷站替換與傳輸割接。針對(duì)割接的時(shí)限要求，采用局點(diǎn)內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)搭建的方案：將BBU站點(diǎn)與接入層的傳輸設(shè)備一并搭建在南門里實(shí)驗(yàn)局點(diǎn)中，模擬UL實(shí)際開通場景，保證割接過程的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。

2.2 單芯雙向光模塊

單芯光模塊是利用WDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一根光纖雙向傳輸光信號(hào)。一般光模塊有2個(gè)端口，Tx為發(fā)射端口，Rx為接收端口；單芯光模塊只有1個(gè)端口，通過光模塊中的濾波器進(jìn)行濾波，同時(shí)完成不同波長光信號(hào)的發(fā)射和接收，因此單芯光模塊必須成對(duì)使用。

單芯光模塊最常用的波長為1 310/1 550 nm，1 310/1 490 nm，1 510/1 590 nm。單芯雙向光模塊應(yīng)用場景如下：

a）集成1 550/1 490 nm或1 550/1310 nm波分復(fù)用器。

b）單電源+3.3 V/+5 V供電。c）LVPECL/PECL數(shù)據(jù)接口。

d）工作溫度-40℃～+85℃（工業(yè)級(jí)）0℃～+70℃。

e）符合GR-468-CORE要求。

f）符合Laser Class 1，達(dá)到IEC60825-1要求。

g）可供應(yīng)符合RoHS規(guī)范要求的產(chǎn)品。

單芯光模塊和傳統(tǒng)雙纖雙向光模塊的主要區(qū)別在于，單芯光模塊配備了波分復(fù)用（WDM）耦合器，也就是雙工器，根據(jù)波長的不同將在一根光纖上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行匯合和分離。正因如此，單芯光模塊也被認(rèn)為是WDM光模塊。為了能夠高效地工作，單芯光模塊必須配對(duì)使用，通過調(diào)諧雙工器以匹配發(fā)射器和接收器的期望波長，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。例如，若配對(duì)的單芯光模塊與設(shè)備A（上行）和設(shè)備B（下行）進(jìn)行了連接，那么光模塊A的雙工器必須有一個(gè)1 550 nm的接收波長和一個(gè)1 310 nm的發(fā)射波長。光模塊B的雙工器必須有一個(gè)1 310 nm的接收波長和一個(gè)1 550 nm的發(fā)射波長。

該市地鐵某線站點(diǎn)BBU上的UMPT主控板都采用單芯雙向光模塊，從中出一根光纖與傳輸設(shè)備ATN950B連接，即CPRI口只需出一根光纖，接收和發(fā)送共用一根光纖傳送多波長光信號(hào)，節(jié)省了一半的光纖資源。

2.3 UL共BBU共傳輸

隨著SRAN網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，GSM/UMTS/LTE逐步共BBU。為了減少傳輸承載鏈路，GU/GL/UL/GUL多?；緜?cè)多為共傳輸組網(wǎng)。共傳輸可降低CAPEX和OPEX，具有簡化傳輸維護(hù)的優(yōu)勢。

a）通過共享傳輸端口能夠減少傳輸承載鏈路，利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬共享，從而減少傳輸成本，提高基站側(cè)最后一公里傳輸帶寬利用率。

b）共享傳輸網(wǎng)絡(luò)可以簡化傳輸配置和維護(hù)。

c）一號(hào)線GSM業(yè)務(wù)逐漸轉(zhuǎn)向UMTS/LTE業(yè)務(wù)時(shí)，減少傳輸網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，支持平滑演進(jìn)。

基站共傳輸分為面板互連共傳輸、背板共傳輸以及共主控共傳輸。為節(jié)省傳輸資源，本次采用的UL共傳輸技術(shù)為主控板之間的背板共傳輸，UMTS側(cè)不再新增傳輸鏈路，共用LTE側(cè)GE傳輸。即UMTS和LTE 2塊主控板通過背板連接，UMTS主控板通過LTE主控板的業(yè)務(wù)口傳輸U(kuò)MTS數(shù)據(jù)，共用一個(gè)傳輸端和傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳輸資源共享（見圖3）。

3 基于UL網(wǎng)絡(luò)的地鐵室分系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化方案

圖3 UL共傳輸組網(wǎng)

該市地鐵某線UL網(wǎng)絡(luò)開通后，經(jīng)過DT測試，針對(duì)隧道內(nèi)覆蓋較差、用戶容量和速率較低、小區(qū)切換慢或者無法切換的場景進(jìn)行了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，LTE與UMTS的優(yōu)化方案如表1所示。

表1 LTE與UMTS優(yōu)化方案

3.2 LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.2.1 LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化

通過提升LTE小區(qū)功率等手段，該市地鐵某線整體覆蓋率提升，平均電平值由原來的-94 dBm提升到-83 dBm，良好覆蓋比例由原來的79%提升到96%，環(huán)比提升約17%，優(yōu)化前后RSRP對(duì)比如圖4所示，以邊緣場強(qiáng)RSRP=-105 dBm作為信號(hào)強(qiáng)度要求，從圖4中可知，優(yōu)化前多個(gè)站點(diǎn)及隧道中RSRP值較低，易引起網(wǎng)絡(luò)中斷。優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)的RSRP值基本大于要求值，覆蓋提升顯著。

3.2.2 LTE網(wǎng)絡(luò)容量和速率優(yōu)化

基于LTE 1800M的RRU支持能力，開通二載波1506頻點(diǎn)和載波聚合功能，結(jié)合頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)（頻點(diǎn)1650優(yōu)先級(jí)高于1506）和載波聚合策略（基于輔載波盲配和基于A4測量）優(yōu)化，載波聚合狀態(tài)占比超過50%，平均下載速率由原來的49.17 Mbit/s提升到67.54 Mbit/s，環(huán)比提升37.36%，用戶感知速率提升明顯。開通CA功能前后各站點(diǎn)測試數(shù)據(jù)平均值對(duì)比如表2所示。

3.3 UMTS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

通過提升UMTS第1、2載波功率等手段，該市地鐵某線平均電平值由原來的-80 dBm提升到-76 dBm，良好覆蓋比例由原來的81%提升到88%，環(huán)比提升9%。覆蓋優(yōu)化后，針對(duì)站與站之間的鄰區(qū)進(jìn)行詳細(xì)排查，地上、地下的設(shè)備廠商邊界進(jìn)行反復(fù)測試和最優(yōu)鄰區(qū)的添加、修改。優(yōu)化后該線路UMTS網(wǎng)絡(luò)長呼測試基本無掉話。

3.4 UL網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)吸收及指標(biāo)優(yōu)化

提取某天10：00—12：00列車在隧道內(nèi)運(yùn)行過程中LTE下載平均速率（見表3），從表3可知隧道內(nèi)下載速度最低為42 Mbit/s，可滿足地鐵內(nèi)終端用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)使用的需求。

圖4 優(yōu)化前后該市地鐵某線RSRP電平值變化

表2 該市地鐵某線各個(gè)站臺(tái)的覆蓋及速率情況

表3 該市地鐵某線站點(diǎn)間隧道LTE下載平均速率

連續(xù)4天中早高峰06：00—09：00期間UMTS/LTE業(yè)務(wù)量變化如圖5所示，該市地鐵某線UMTS的話務(wù)量保持在24 Erl左右，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量隨著LTE的開通基本上維持在5～8 GB，LTE業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量保持在70 GB以上。

隨著運(yùn)營商LTE的1 800 MHz第2載波開通，由于第2載波的帶寬僅10 MHz，且與GSM1800存在干擾，覆蓋范圍較小，用戶感知弱于主載波。通過優(yōu)化，2個(gè)載波的業(yè)務(wù)占比由2∶1優(yōu)化到3∶1，使用戶更好地體驗(yàn)20 MHz帶寬，同時(shí)10 MHz帶寬作為載波聚合進(jìn)行速率輔助提升，2個(gè)載波業(yè)務(wù)吸收情況如圖6所示。

4 結(jié)束語

近年來，地鐵已經(jīng)成為通信高業(yè)務(wù)量和高業(yè)務(wù)速率的重點(diǎn)室內(nèi)場景，通信各運(yùn)營商對(duì)地鐵的室內(nèi)分布系統(tǒng)均做了大量的部署以提升用戶的感知體驗(yàn)。本文介紹了對(duì)某市已有GSM網(wǎng)絡(luò)的地鐵進(jìn)行基于UL網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造及優(yōu)化，對(duì)地鐵這一場景的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造與優(yōu)化提供了一定的借鑒和參考。

圖5 該市地鐵某線連續(xù)3天UMTS/LTE業(yè)務(wù)量變化

圖6 該市地鐵某線LTE 2個(gè)載波業(yè)務(wù)吸收情況