4G、5G地鐵覆蓋方案規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)研究

王晨 馮雷 陳稀瑤

【摘要】? ? 隨著近些年我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景也更加廣泛。第五代移動(dòng)通信技術(shù)的成功研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)移動(dòng)通信行業(yè)的繁榮。4G/5G通信技術(shù)協(xié)同應(yīng)用于地鐵站點(diǎn)中，能夠更好的保障地鐵通信質(zhì)量。基于此原因，本文就從地鐵通信覆蓋的特征入手，對(duì)地鐵內(nèi)部站廳站臺(tái)覆蓋方案、隧道覆蓋方案等進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 地鐵基站覆蓋? ? ?4G/5G通信技術(shù)? ? 抗干擾

引言

伴隨我國(guó)移動(dòng)通信事業(yè)的不斷進(jìn)步，“5G”時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，由“互聯(lián)網(wǎng)”到“物聯(lián)網(wǎng)”的推進(jìn)標(biāo)志著“5G”時(shí)代的開(kāi)端。目前，在全球范圍內(nèi)，我國(guó)作為通信5G網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的前沿地區(qū)，在5G技術(shù)開(kāi)發(fā)、基站投資以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域擁有國(guó)際領(lǐng)先地位。高速、高效的覆蓋性推廣5G通信網(wǎng)絡(luò)是我國(guó)贏得世界信息戰(zhàn)勝利的關(guān)鍵。隨著5G通信技術(shù)廣泛應(yīng)用與推廣，在地鐵覆蓋5G信號(hào)也勢(shì)在必行，5G技術(shù)具備的特點(diǎn)適用于地鐵各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求，并為未來(lái)業(yè)務(wù)預(yù)留較大發(fā)展空間，為了更好統(tǒng)籌推進(jìn)地鐵應(yīng)用5G通信技術(shù)，一定要從源頭做好“頂層設(shè)計(jì)”，并與原有4G技術(shù)及現(xiàn)有分布結(jié)合，達(dá)到事半功倍的效果。

一、地鐵通信覆蓋特點(diǎn)

我國(guó)移動(dòng)終端設(shè)備的人均持有量不斷增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈幾何倍數(shù)提升，過(guò)去的第四代通信技術(shù)顯然已經(jīng)不再具有先進(jìn)性，為了提升數(shù)據(jù)傳輸速度、豐富應(yīng)用場(chǎng)景，我國(guó)率先確認(rèn)推廣第五代移動(dòng)通信技術(shù)。

早在兩年前，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行5G時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施布局，在產(chǎn)業(yè)合作方面取得了突破性進(jìn)展，目前我國(guó)部分省份已經(jīng)完成了5G廣度覆蓋，但地鐵網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋仍然是一個(gè)難題。

地鐵建筑結(jié)構(gòu)比較特殊，一般可以分成站廳站臺(tái)和隧道這兩個(gè)部分，覆蓋難度比較大，5G頻段更高，信號(hào)傳輸過(guò)程中衰減更大，想要在地鐵站內(nèi)部覆蓋5G網(wǎng)絡(luò)具有一定的困難性。具體來(lái)說(shuō)，地鐵覆蓋特征可以分成以下幾個(gè)方面來(lái)理解：

第一，地鐵人流量的高峰期非常明顯，在非高峰期時(shí)人流量非常小，高峰期時(shí)人流量急劇增長(zhǎng)，這給4G/5G網(wǎng)絡(luò)均提出了一定的挑戰(zhàn)。

第二，無(wú)線信號(hào)在隧道區(qū)間內(nèi)進(jìn)行傳播的時(shí)候，衰落速度非常快，同時(shí)站臺(tái)門(mén)和車(chē)體也會(huì)導(dǎo)致一定的信號(hào)損耗。

第三，地鐵具有突出的移動(dòng)性，站廳站臺(tái)和隧道的場(chǎng)景十分復(fù)雜，使4G/5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。

第四，目前地鐵的通信網(wǎng)絡(luò)一般是運(yùn)營(yíng)商共建共享，但是在4G/5G時(shí)代下地鐵中需要最多十四個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，很可能導(dǎo)致系統(tǒng)干擾，影響信號(hào)穩(wěn)定性。

最后，地鐵內(nèi)部除了通信網(wǎng)絡(luò)之外還存在地鐵的專(zhuān)用通信系統(tǒng)，建設(shè)4G/5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候需要考慮如何解決這兩個(gè)系統(tǒng)的互相干擾。

二、通信5G技術(shù)地鐵覆蓋同4G技術(shù)對(duì)比

目前，4G網(wǎng)絡(luò)地鐵覆蓋技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，而5G通信系統(tǒng)同4G通信系統(tǒng)在覆蓋本質(zhì)上區(qū)別不大，但是在頻段區(qū)間上有所差異，因此在規(guī)建的方式上有所不同。

2.1 頻段區(qū)間差異

5G通信系統(tǒng)的工作頻段比4G系統(tǒng)要高得多，因此覆蓋距離會(huì)有所減短。根據(jù)各運(yùn)營(yíng)商使用頻段，4G網(wǎng)絡(luò)的使用頻段主要為1.8G、2.1G、2.3G、2.6G;5G網(wǎng)絡(luò)的使用頻段主要為2.6G、3.5G及4.9G。

由于5G頻段較高，傳播衰減較大，因此在覆蓋過(guò)程中，5G基站與基站之間的距離不可過(guò)遠(yuǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)差異

5G通信系統(tǒng)同4G通信系統(tǒng)相比，因?yàn)殡姶挪l率與波長(zhǎng)的關(guān)系，所以要求5G通信網(wǎng)絡(luò)采用密集覆蓋的方式進(jìn)行建設(shè)，同時(shí)在施工開(kāi)通過(guò)程中應(yīng)該提升基站的功率，有效保障5G通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸過(guò)程中的連貫性，建立全面、有效的5G通信系統(tǒng)覆蓋網(wǎng)。

三、地鐵5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案分析

5G通信技術(shù)作為現(xiàn)代化通信技術(shù)的領(lǐng)跑者，其在傳輸速率、傳輸帶寬及高融合性等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)，在地鐵覆蓋5G信號(hào)，主要分為車(chē)站和隧道兩個(gè)區(qū)域。地鐵站廳站臺(tái)和隧道的位置不同，信號(hào)覆蓋方式必然有一定的差異，在綜合考慮覆蓋效果、施工資金、施工便利性等因素以后可以發(fā)現(xiàn)，地鐵站的站廳站臺(tái)、辦公區(qū)域等位置比較寬敞，利用吸頂天線往往更具有合理性;而隧道內(nèi)的空間一般比較小且有許多彎道，列車(chē)通過(guò)的時(shí)候幾乎沒(méi)有剩余空間，這顯然不利于信號(hào)的有效傳播，并且隧道內(nèi)有施工控制“紅線”，因此在選擇天線的時(shí)候需要綜合考慮天線的尺寸和覆蓋能力。

更重要的是，列車(chē)通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的風(fēng)壓，如果安裝外掛天線很可能導(dǎo)致侵限等嚴(yán)重的安全問(wèn)題，因此選用泄漏電纜或者是一體化微站設(shè)備更能適應(yīng)狹窄空間。具體來(lái)說(shuō)，站廳站臺(tái)及隧道覆蓋方案如下：

3.1 站廳、站臺(tái)覆蓋方案

站臺(tái)站廳覆蓋方面目前常用的是傳統(tǒng)室內(nèi)分布解決策略，但是這種模式下的無(wú)源器件支持頻段一般在2.7GHz左右，只能支持移動(dòng)5G的2.6G頻段，大于3.5GHz以上的頻段無(wú)法使用，5G時(shí)代的高頻段、大帶寬特點(diǎn)必然會(huì)與之沖突，廠商為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，早在4G時(shí)代便已推出了新型數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)，比如說(shuō)華為的lampsite、中興的QCELL、愛(ài)立信的Radio DOT等都在此列。新型數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、數(shù)字信號(hào)傳播能力強(qiáng)、十分隱蔽且施工難度低，使用光電復(fù)合纜能很好的解決線纜損耗問(wèn)題，能夠在高頻段下正常使用。另外其還考慮了MIMO，目前很多設(shè)備都支持2T2R，并且可以利用軟件控制升級(jí)到4T4R，廠家在4G設(shè)備的基礎(chǔ)上推出了5G多模設(shè)備，是未來(lái)4G/5G覆蓋的主要解決辦法。

3.2 隧道覆蓋方案

3.2.1 漏纜覆蓋方案

目前我國(guó)地鐵隧道內(nèi)4G普遍為兩根泄漏同軸電纜，而在5G時(shí)代，為了達(dá)到4X4MIMO效果，地鐵的每個(gè)隧道都需要敷設(shè)四根泄漏同軸電纜，三大運(yùn)營(yíng)商共用這四根泄漏同軸電纜。為了使信號(hào)覆蓋效果最佳，電纜高度應(yīng)該控制在車(chē)窗上下沿之間，安裝的時(shí)候采取水平安裝方式，每隔一米安裝一個(gè)普通卡具，十米安裝一個(gè)防火卡具。同時(shí)，上下行的泄漏電纜間距需要控制在半米以上，只有這樣才能真正意義上實(shí)現(xiàn)4X4MIMO效果。最后，在安裝泄漏同軸電纜、選定安裝位置的時(shí)候，需要考慮到公網(wǎng)和地鐵專(zhuān)網(wǎng)之間的干擾隔離問(wèn)題。

3.2.2 一體化微站覆蓋方案

地鐵隧道內(nèi)部的環(huán)境比較惡劣，列車(chē)通過(guò)時(shí)會(huì)形成巨大的風(fēng)壓，因此安裝傳統(tǒng)的大型天線設(shè)備并不合理，但利用一體化微站設(shè)備往往能取得理想效果，比如中興的PADRRU、華為的BOOKRRU都是不錯(cuò)的選擇。此類(lèi)設(shè)備具有體積小、覆蓋能力突出的特征，和傳統(tǒng)的RRU比較起來(lái)更能夠適應(yīng)地鐵隧道的覆蓋要求。此類(lèi)設(shè)備內(nèi)部集成了天線，能更好適應(yīng)隧道內(nèi)部的特殊環(huán)境，安裝的時(shí)候調(diào)整角度將其覆蓋方向朝向隧道，保證覆蓋效果的同時(shí)又不會(huì)影響到列車(chē)的正常運(yùn)行。

3.3 4G/5G數(shù)字化室分建設(shè)規(guī)劃

針對(duì)地鐵站臺(tái)4G/5G覆蓋，可考慮單獨(dú)建設(shè)4G/5G多模數(shù)字化室分或替換、升級(jí)原有4G數(shù)字化室分方案。4G/5G數(shù)字化系統(tǒng)PRRU部署布放密度，主要取決于滿足邊緣場(chǎng)強(qiáng)-105dBm要求的間距，若為多模設(shè)備，如2.1GHz與3.5GHz頻段，在輸出口功率及周?chē)鸁o(wú)線條件相同情況下，由于3.5G頻段衰減大，應(yīng)以3.5G室分覆蓋鏈路預(yù)算為準(zhǔn)。

5G時(shí)代，4×4 MIM0是5G室分系統(tǒng)建網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。4×4MIMO網(wǎng)絡(luò)將會(huì)配置4個(gè)發(fā)射通道，發(fā)射的總功率相當(dāng)于2天線的2倍，因此可以獲得3dB的功率增益。另外，每個(gè)通道發(fā)射功率由100mW提升至250mW，將增加約7dB的發(fā)射功率。

由于5G網(wǎng)絡(luò)頻段升高，3.5G高頻段空間傳播損耗增加，以穿透一堵磚墻為例，穿透損耗增加約3dB。另外，由于5G高頻段造成空間損耗增加、陰影衰落導(dǎo)致?lián)p耗增加，5G天線布點(diǎn)密度與2.1G雙通道時(shí)布點(diǎn)密度相當(dāng)，建議前期部署5G PRRU可按照與4G PRRU同點(diǎn)位1：l配置，綜合考慮建筑物內(nèi)部情況，結(jié)合試點(diǎn)測(cè)試情況進(jìn)行效果驗(yàn)證，以持續(xù)優(yōu)化4G/5G數(shù)字化室分覆蓋地鐵站臺(tái)方案。

四、通信4G/5G技術(shù)對(duì)地鐵干擾問(wèn)題分析

4.1 電磁干擾的頻段區(qū)分

地鐵專(zhuān)用通信所使用的一般為低頻設(shè)備，例如：沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線的無(wú)線系統(tǒng)采用“800兆赫頻段TETRA數(shù)字集群設(shè)備”，其通信線路使用小區(qū)制模式，控制中心設(shè)置單一交換機(jī)，因此在信號(hào)頻段上不會(huì)與通信5G通信網(wǎng)絡(luò)有交互，還有部分地鐵使用1800兆赫、2400兆赫頻段作為信號(hào)、PIDS、WLAN系統(tǒng)使用，但也與運(yùn)營(yíng)商5G頻段有大間隔且物理距離較遠(yuǎn)，所以不需要擔(dān)心“4G/5G”技術(shù)通信信號(hào)會(huì)對(duì)地鐵通信網(wǎng)絡(luò)有干擾。

4.2 地鐵抗電磁干擾能力有效避免干擾

由于漏纜的使用以及信源基站的架設(shè)，尤其4G/5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基站數(shù)量多、功率大，因此目前已運(yùn)營(yíng)地鐵線路5G有使用4條漏纜的方案以作自身干擾隔離的技術(shù)方案，即原2、3、4G共用2條，5G獨(dú)用2條，避免了各制式手機(jī)信號(hào)之間的干擾。

而對(duì)于對(duì)地鐵系統(tǒng)的干擾，上述漏纜在敷設(shè)時(shí)應(yīng)注意減小低頻耦合的耦合量，通過(guò)強(qiáng)電弱電分離布置、增大電纜間距等方式進(jìn)行架設(shè)，并采用物理間隔，同時(shí)依靠地鐵車(chē)輛本身的電磁兼容性，可有效的避免干擾問(wèn)題的產(chǎn)生。

五、結(jié)語(yǔ)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)的出現(xiàn)，使我國(guó)的通信技術(shù)邁入了新時(shí)代，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了巨大的便利。但與此同時(shí)，如何在地鐵這一類(lèi)特殊場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)4G/5G覆蓋，也成為了我們必須要研究的問(wèn)題。隨著地鐵在我國(guó)交通領(lǐng)域中地位的進(jìn)一步提升，4G/5G通信技術(shù)在地鐵中的覆蓋與普及迫在眉睫，地鐵4G/5G系統(tǒng)的覆蓋成為了這一項(xiàng)工作的重中之重，因此在建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)科學(xué)的計(jì)算和分析，保障4G/5G信號(hào)在地鐵網(wǎng)絡(luò)中能夠全方位立體覆蓋，避免出現(xiàn)弱覆蓋現(xiàn)象，更應(yīng)避免4G/5G信號(hào)對(duì)地鐵運(yùn)行的干擾和影響，使4G/5G信號(hào)覆蓋在地鐵場(chǎng)景中取得顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。在今后的工作中，我們?nèi)孕杈捅菊n題進(jìn)行持續(xù)長(zhǎng)遠(yuǎn)的探究，爭(zhēng)取在不斷的探索中找到更具合理性的覆蓋方案。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]查昊，朱巧玉. 5G地鐵覆蓋解決方案探討[J]. 電信快報(bào)：網(wǎng)絡(luò)與通信，2019，000（005）：21-24.

[2]蘇鳳軒，趙汝桂，陳楚雄. 地鐵隧道5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析[J]. 移動(dòng)信息，2020（1）：00001-00005.

[3]張旭，劉宇，崔曉薔等. 地鐵移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 通訊世界，2020，027（003）：13-14.