地鐵漏泄電纜敷設(shè)方案

范成澤

近幾年，地鐵已成為各大城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，有利地緩解了大城市中心區(qū)交通過于擁擠的狀態(tài)，提高了市民出行效率和乘坐舒適性。地鐵無線通信涉及到列車控制信息、列車狀態(tài)、客服信息傳送、生產(chǎn)調(diào)度通信、公安消防通信、以及公眾移動通信等，是保障地鐵運輸組織生產(chǎn)安全、高效、乘客體驗便捷舒適的必不可少的組成部分。因此，在地鐵隧道有限的空間內(nèi)如何設(shè)計漏泄電纜實現(xiàn)無線信號覆蓋，既滿足各系統(tǒng)的應(yīng)用需求，又相互不造成干擾，是地鐵無線通信設(shè)計的難點。本文將對漏泄電纜敷設(shè)需求、敷設(shè)方案以及工程中需要注意的干擾問題進行闡述。

1 漏泄電纜敷設(shè)需求

地鐵中隧道區(qū)間的無線信號覆蓋可采用天線或漏泄同軸電纜2種方式來實現(xiàn)。漏泄同軸電纜場強覆蓋分布均衡、連續(xù)，且受外界環(huán)境影響??；其優(yōu)點是場強沿漏泄同軸電纜呈帶狀分布，可實現(xiàn)整條隧道區(qū)間場強無縫覆蓋［1］；缺點是造價高，施工難度大。如果采用天線方式，雖然其造價低，安裝方便，但信號波動大，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量無法保障。因此，無線通信系統(tǒng)一般采用在上、下行隧道分別敷設(shè)漏泄電纜的方式實現(xiàn)無線信號覆蓋。地鐵中一般包括以下無線通信系統(tǒng)。

1.1 專用無線通信系統(tǒng)

專用無線通信系統(tǒng)是保障行車安全、提高運輸效率、改善服務(wù)質(zhì)量的重要手段；同時，當(dāng)運營中發(fā)生異常情況或有線通信出現(xiàn)故障時，能為快速提供防災(zāi)救援和事故處理指揮等提供所需的通信手段。

從目前的無線集群通信技術(shù)來看，滿足城市軌道交通專用無線通信功能的制式主要有：TETRA、B-TrunC 等。TETRA 是歐洲通信標準協(xié)會制定的窄帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)，可以同時提供調(diào)度指揮、數(shù)據(jù)傳輸和電話服務(wù)。B-TrunC 系列標準是由中國寬帶集群（B-TrunC）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟組織制定的、基于TD-LTE 系統(tǒng)的專網(wǎng)寬帶集群系統(tǒng)標準，在保證兼容LTE 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)調(diào)度控制中心設(shè)備來提供語音集群基本業(yè)務(wù)和補充業(yè)務(wù)，以及多媒體集群調(diào)度等寬帶集群業(yè)務(wù)功能。基于LTE 的B-TrunC 調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)成為中國地鐵專用無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1.2 車地?zé)o線綜合承載系統(tǒng)

車地?zé)o線通信綜合承載系統(tǒng)是一個基于無線寬帶技術(shù)的數(shù)據(jù)、語音傳輸系統(tǒng)；系統(tǒng)采用A/B 雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)，綜合承載CBTC 列車運行控制、列車緊急文本、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、列車視頻監(jiān)控、乘客信息系統(tǒng)（PIS）視頻等業(yè)務(wù)。

目前適用于車地?zé)o線通信綜合承載系統(tǒng)的主要技術(shù)有WLAN、WiMAX 和TD-LTE。相對于目前應(yīng)用的WLAN、WiMAX 設(shè)備，TD-LTE 在抗外界干擾能力和高速移動性能方面，具有明顯的優(yōu)勢，不僅滿足CBTC 系統(tǒng)及PIS 車地之間的雙向通信需求，而且各項性能均優(yōu)于WLAN 和WiMAX技術(shù)；此外，基于LTE 的B-TrunC 調(diào)度系統(tǒng)是中國地鐵專用無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。因此，從提供高性能、綜合利用及技術(shù)前瞻性的系統(tǒng)角度考慮，工程中一般推薦采用TD-LTE 技術(shù)。

TD-LTE 技術(shù)在隧道區(qū)間采用RRU+漏泄同軸電纜方式實現(xiàn)無線覆蓋。區(qū)間覆蓋可采用單漏纜和雙漏纜2 種方式。雙漏纜方式具有高可靠性和高安全性的特點，即當(dāng)其中一條漏纜出現(xiàn)故障時，另外一條漏纜仍可以正常提供業(yè)務(wù)，降低了單點故障對業(yè)務(wù)的影響。另外雙漏纜部署，按雙流方式實現(xiàn)MIMO 發(fā)射分集和空間復(fù)用，可以有效提高信道的容量［2］。因此，工程一般使用雙漏纜方案。

1.3 公安無線通信系統(tǒng)

公安無線通信系統(tǒng)是為了加強地鐵日常治安管理，并且確保各車站范圍內(nèi)出現(xiàn)重大案情、治安事件時，公安局和公安公共交通安全總隊各級公安指揮人員能夠?qū)ΜF(xiàn)場各警務(wù)人員進行統(tǒng)一的指揮調(diào)度。

公安無線通信系統(tǒng)目前主要為350 MHz 模擬集群網(wǎng)，根據(jù)公安相關(guān)文件要求，公安無線通信網(wǎng)后續(xù)建設(shè)將采用350 MHz 頻段的PDT 數(shù)字集群體制組網(wǎng)。

1.4 政務(wù)（消防）無線引入系統(tǒng)

無線政務(wù)專網(wǎng)覆蓋公安、消防、應(yīng)急指揮、城管、園林、水務(wù)等各政府部門，主要應(yīng)用于政務(wù)、公共安全、社會管理、應(yīng)急通信等領(lǐng)域。無線政務(wù)網(wǎng)還可以作為在災(zāi)害情況下對軌道交通進行指揮的應(yīng)急系統(tǒng)。

目前在多個城市已經(jīng)建成了1.4 GHz TD-LTE無線政務(wù)寬帶集群系統(tǒng)，并在大型運動賽事、突發(fā)公共安全事件等重大事件中發(fā)揮重要作用。

1.5 公網(wǎng)無線引入系統(tǒng)

公網(wǎng)無線引入系統(tǒng)是民用移動通信服務(wù)在地鐵地下區(qū)域的延伸，系統(tǒng)通過將各運營商移動通信基站信號延伸到軌道交通地下空間，實現(xiàn)地下區(qū)域無線信號覆蓋。其中，各運營商的基站設(shè)置由運營商考慮。

公網(wǎng)無線引入工程需要覆蓋的信號應(yīng)包括運營商的所有2G/3G/4G/5G移動信號，所以要求公網(wǎng)無線引入系統(tǒng)是一個“全覆蓋、無縫、寬頻段、能提供多業(yè)務(wù)”的無線信號引入及覆蓋工程。應(yīng)考慮引入的無線信號包括：中國移動GSM/DCS、TD-SCDMA、TD-LTE 和5G；中國聯(lián)通GSM、WCDMA、LTE和5G；中國電信CDMA800、LTE和5G。

運營商基站信號較多，需分別經(jīng)POI 合成為寬頻段、多系統(tǒng)信號，然后分成相應(yīng)的路數(shù)輸出到隧道相應(yīng)的漏泄電纜。公網(wǎng)無線引入漏泄同軸電纜射頻信號輻射可采用2 種方式：一是上下行信號同纜傳輸；二是上下行信號分纜傳輸［3］。同纜方式比分纜方式節(jié)省二分之一的漏泄電纜，但存在嚴重的干擾問題。當(dāng)采用同纜方式時，上行和下行信號之間的干擾無法徹底隔離，特別是在功率較大的情況下，各系統(tǒng)還會產(chǎn)生嚴重的互調(diào)干擾。根據(jù)國內(nèi)外軌道交通的實踐經(jīng)驗，為克服同纜方式中存在的嚴重干擾問題，最好采用分纜傳輸方式。因此，在民用無線引入工程中，為保證對用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，推薦采用漏泄同軸電纜分纜傳輸方式。

根據(jù)上述分析，地鐵各無線通信系統(tǒng)在一條隧道（上行或下行，不包括站臺區(qū)段）中對漏泄電纜的需求見表1?？紤]到隧道內(nèi)敷設(shè)漏泄電纜空間有限，并應(yīng)節(jié)約投資，需要對各無線通信系統(tǒng)的漏泄電纜進行合并，即通過在前端增加POI 合路平臺，將相關(guān)信號合入同一套天饋系統(tǒng)進行共用。

2 漏泄電纜共用敷設(shè)方案

2.1 共用原則

1）應(yīng)考慮系統(tǒng)間相互干擾問題，包括互調(diào)干擾、雜散干擾和阻塞干擾。

2）遵循用途相近、頻段相近的無線通信系統(tǒng)共用漏泄電纜原則。

表1 地鐵各無線通信系統(tǒng)漏泄電纜需求

2.2 各系統(tǒng)共用方案

2.2.1 專用無線通信系統(tǒng)與車地?zé)o線綜合承載系統(tǒng)

專用無線通信系統(tǒng)和車地?zé)o線綜合承載系統(tǒng)均為保障地鐵正常生產(chǎn)和指揮所必需的地鐵專用無線通信系統(tǒng)。從表1 可知，2 個系統(tǒng)頻率相近，而BTrunC 是基于TD-LTE 系統(tǒng)的專網(wǎng)寬帶集群系統(tǒng)，因此，采用TD-LTE 的車地?zé)o線綜合承載系統(tǒng)可以共享TETRA 設(shè)置的1 條漏泄電纜，即可構(gòu)成雙纜系統(tǒng)［4］。

2.2.2 公安無線通信系統(tǒng)與政務(wù)無線引入系統(tǒng)

公安無線通信系統(tǒng)與政務(wù)（消防）無線引入系統(tǒng)主要用于公共安全和社會管理。從表1 可知，2 個系統(tǒng)所用頻率相近，因此可以共用1 條漏泄電纜。

2.2.3 公網(wǎng)無線引入系統(tǒng)

從表1 可以看出，引入地鐵的運營商移動通信系統(tǒng)多達13 種，頻率從800 MHz 到3600 MHz。為減小系統(tǒng)間相互干擾，并考慮漏泄電纜在不同頻段的性能指標，3 家運營商的2G/3G/4G 系統(tǒng)共用2 條漏泄電纜；而5G 所用頻率均較高，并且為了發(fā)揮5G 高傳輸速率的特點，3 家運營商的5G 系統(tǒng)考慮采用4T4R 方案，共用4 條漏泄電纜。因此，公網(wǎng)無線引入系統(tǒng)共用6 條漏泄電纜。

2.3 方案比較

原地鐵無線通信系統(tǒng)設(shè)計方案需要28 條漏泄電纜，為保證干擾隔離度并采用MIMO 方式的需要，各漏泄電纜之間應(yīng)保持一定的空間距離，因此隧道內(nèi)無法滿足28 條漏泄電纜的敷設(shè)。經(jīng)過整合，9 條漏泄電纜即可滿足需求，解決了敷設(shè)空間不夠的問題，同時節(jié)約了工程投資，減少了維護工作量。然而，整合后由于漏泄電纜在不同頻段的傳輸損耗指標不同，需要對漏泄電纜進行特殊定制；而且由于增加了POI 設(shè)備，系統(tǒng)額外增加了4 dB 以上的損耗，縮小了單臺設(shè)備的覆蓋范圍。

3 漏泄電纜安裝位置要求

首先，隧道中漏泄電纜安裝位置應(yīng)符合安裝限界的要求。針對區(qū)間眾多的漏泄電纜、安裝支架，以及區(qū)間設(shè)備（RRU、直放站、配線架等），必須了解本線建筑限界要求，嚴格遵守不同車型、不同線路區(qū)段（平直或彎曲） 對應(yīng)的限界規(guī)定。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013） 5.4.1 條，漏泄電纜及其支架與設(shè)備限界應(yīng)保持不小于50mm 的安全間隙［5］。

其次，根據(jù)使用對象確定漏泄電纜敷設(shè)高度。例如，用于地鐵生產(chǎn)、指揮的專用無線通信系統(tǒng)和車地?zé)o線綜合承載系統(tǒng)，其天線位于車頂，為避免由于車體阻擋而增加傳播損耗，其漏泄電纜安裝位置應(yīng)接近車頂；而公網(wǎng)無線引入系統(tǒng)用戶為乘客，因此其漏泄電纜安裝位置應(yīng)接近車窗［6］。

最后，還應(yīng)考慮系統(tǒng)間干擾隔離度及采用MIMO 方式時漏泄電纜間的距離要求。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，最低頻率為800 MHz 的2 條泄漏電纜考慮必須達到的干擾隔離距離為0.35 m［7］；同時，采用MIMO 技術(shù)要求達到的隔離距離為3～4 λ，對應(yīng)車地 無 線 綜 合 承 載 系 統(tǒng) （1785 MHz） 為0.50～0.67 m，公網(wǎng)4G 的頻率也是1800 MHz 左右，因此隔離距離要求與此相近；公網(wǎng)5G 最低頻率為2515 MHz，則隔離距離要求為0.36～0.48 m。因此在地鐵隧道空間內(nèi)，漏泄電纜之間的空間距離應(yīng)盡量能夠達到0.50 m，至少要達到0.35 m。由于地鐵隧道空間有限，單側(cè)無法提供滿足隔離距離的全部空間，因此應(yīng)考慮在隧道兩側(cè)均安裝漏泄電纜。

4 頻率干擾分析及措施

4.1 干擾源分析

地鐵車地?zé)o線綜合承載系統(tǒng)LTE-M 使用的Band 59 頻段為1785～1805 MHz，共計20MHz 頻譜資源。Band 59 頻段所處位置特殊，位于移動運營商Band 3頻段（上行1710～1785 MHz/下行1805～1880 MHz）FDD系統(tǒng)的上、下行隔離帶上，如圖1所示。

圖1 LTE-M 與運營商網(wǎng)絡(luò)間干擾示意圖

目前，運營商對1800 MHz 頻段使用情況如下：

1） 中國移動使用1805～1830 MHz 頻帶作為其DCS 無線網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路，與Band59 頻段上界之間無隔離保護帶。

2）中國電信使用1765～1785 MHz 頻帶作為其LTE FDD 無線網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路，與Band59 頻段下界之間無隔離保護帶。

4.2 措施

車地?zé)o線綜合承載系統(tǒng)LTE-M 承載著CBTC地鐵列車運行控制及調(diào)度指揮業(yè)務(wù)，其重要性不言而喻。為了確保LTE-M 不受公眾運營商無線網(wǎng)絡(luò)的雜散、阻塞和互調(diào)干擾，應(yīng)滿足以下需求：①確保承載兩個系統(tǒng)的泄漏電纜相互空間距離滿足安裝位置要求，并盡量增大間距；②嚴格把控所用基站設(shè)備的帶外抑制、雜散發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物符合國家相關(guān)標準要求；③對公網(wǎng)引入的上述頻段信號應(yīng)設(shè)置5 MHz 以上的保護間隔；④如需調(diào)整發(fā)射功率，必須先進行測試驗證，保證不會對其他系統(tǒng)造成干擾后方可實施；⑤如果開通后仍存在干擾，則需運營商調(diào)整頻率配置或加裝濾波器來滿足實際隔離需求。

5 結(jié)語

隨著新技術(shù)的應(yīng)用，漏泄電纜在不同頻段的傳輸損耗指標可以得到更好的均衡，因此在后續(xù)實踐中，還可進一步研究公網(wǎng)5G 與公網(wǎng)4G、公安無線通信系統(tǒng)設(shè)置的漏泄電纜合設(shè)的方案，進一步節(jié)約建設(shè)資源，緩解地下區(qū)間設(shè)備安裝空間緊張的情況，并減輕未來運營維護工作。同時隨著5G 頻譜新的規(guī)劃，還需要相應(yīng)調(diào)整漏泄電纜的合設(shè)方案。