地鐵全場景5G網(wǎng)絡(luò)共建共享跨代組網(wǎng)方案研究

王 蕾，曾 偉，只 璐（中國聯(lián)通北京分公司，北京市 100038）

1 概述

5G的全面成熟并投入市場運營，已經(jīng)迎來了民用通信技術(shù)的跨時代大發(fā)展。為了更好地整合資源，共建共享是必然選擇。共建共享模式已經(jīng)成為未來無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要舉措，也為下一步5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出新的課題。針對當(dāng)前地鐵新、舊線路特點，以5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，以現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)為手段，通過計算、試驗突破現(xiàn)有4G 網(wǎng)絡(luò)限制，打造地鐵精品5G網(wǎng)絡(luò)。2020年北京市將有多條新建線路全面實現(xiàn)2G、3G、4G、5G 網(wǎng)絡(luò)跨代覆蓋，既有線路5G 能力升級改造也將全面鋪開，本文主要探討滿足新線建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)要求及突破老舊線路資源限制的方式方法。

2 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點

5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進入爆發(fā)式增長階段。然而，面對新的技術(shù)架構(gòu)、新的頻率、新的標(biāo)準(zhǔn)要求等等，目前5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋還存在很大的探討空間。

2.1 非獨立組網(wǎng)（NSA）及獨立組網(wǎng)（SA）模式

為實現(xiàn)4G 網(wǎng)絡(luò)向5G 網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡，5G 標(biāo)準(zhǔn)定義了NSA 及SA 2 種組網(wǎng)模式。由于前期各運營商已簽約大量NSA 用戶，當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要綜合考慮NSA組網(wǎng)需求，保證4G/5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同覆蓋能力。

2.2 語音承載

目前各運營商主流語音承載系統(tǒng)及方式各異，有的仍以2G 為主采取雙網(wǎng)雙待的方式，有的以3G 承載采用系統(tǒng)回落的方式。但隨著5G時代的到來，運營商都在不遺余力向4G網(wǎng)絡(luò)VoLTE轉(zhuǎn)變。初期5G網(wǎng)絡(luò)的語音將主要采取回落VoLTE 的方式，必須采取多系統(tǒng)跨代的同覆蓋方式，未來將逐步進化為VoNR 技術(shù)方案（見圖1）。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)的語音技術(shù)繼承

2.3 新5G網(wǎng)絡(luò)頻段

在5G 網(wǎng)絡(luò)sub6G 標(biāo)準(zhǔn)下，我國5G 的主流頻段為3.3～3.6 GHz 及2.6 GHz 頻段。相較現(xiàn)有的2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)的800～2 300 MHz 頻段，頻率跨度大，覆蓋標(biāo)準(zhǔn)高。為實現(xiàn)800～3 600 MHz 的寬頻覆蓋，在覆蓋技術(shù)手段及設(shè)計規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)等各方面均需要全面地改革創(chuàng)新。

3 地鐵場景跨代組網(wǎng)難點

地鐵場景下必須安裝室內(nèi)分布系統(tǒng)進行覆蓋，除了使用傳統(tǒng)分布系統(tǒng)覆蓋站臺、站廳、工作區(qū)、換乘通道等區(qū)域，還需要泄漏電纜覆蓋隧道區(qū)間。為了達到覆蓋要求滿足各系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，需兼顧以下多方面因素。

3.1 地鐵場景環(huán)境復(fù)雜跨代覆蓋設(shè)計困難

地鐵場景下5G 網(wǎng)絡(luò)移動性管理設(shè)計問題突出。保證用戶高速、低速模式下的網(wǎng)絡(luò)切換更需要加強邊緣覆蓋設(shè)計，并提升網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化難度。

同時5G 網(wǎng)絡(luò)的特殊NSA、SA 架構(gòu)模式，盡量保證4G/5G 同小區(qū)覆蓋，壓縮5G 錨點小區(qū)數(shù)量，減少切換，提升NSA架構(gòu)5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量（見圖2）。

圖2 NSA/SA雙模架構(gòu)示意

3.2 地鐵場景容量問題突出

以北京市為例，忙站進站量均超過10 000 人次。各站點4G 網(wǎng)絡(luò)忙時無線PRB 資源利用率均超過90%，導(dǎo)致忙時4G 網(wǎng)絡(luò)用戶平均速率低于5 Mbit/s。因此要解決地鐵無線網(wǎng)絡(luò)容量問題，必須留有足夠的擴容空間。

5G網(wǎng)絡(luò)擴容可以利用共建共享策略模式。

a）提升2.4～3.6 GHz頻段的利用率。

b）進行設(shè)備選型時，充分考慮支持300 MHz 帶寬，即3.3～3.6 GHz。

c）合理規(guī)劃UL2100 及NR2100 系統(tǒng)的過渡銜接。北京市地鐵繁忙站點數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 北京市負荷高感知差站點數(shù)

3.3 地鐵場景干擾嚴(yán)重

目前室分系統(tǒng)的2條支路，按照原設(shè)計規(guī)范，普遍分為上行支路、下行支路。上行支路主要接通GSM、WCDMA、FDD LTE 等系統(tǒng)的上行頻段，下行支路接通以上系統(tǒng)下行頻段。而TDD LTE 及NR 頻段則開通雙通道，或者接入下行支路、甚至上行支路。

地鐵場景下，主要的干擾來自于TDD 頻段的下行強信號互調(diào)干擾其他系統(tǒng)的上行弱信號，如TDD 系統(tǒng)F 頻 段1 900 MHz 干 擾WCDMA 及FDD 2 100 MHz 頻段上行。多數(shù)線路受干擾影響，底噪抬升20 dB 以上，導(dǎo)致語音質(zhì)量明顯下降，用戶投訴居高不下。

5G 系統(tǒng)加入之后，5G 新頻段，特別是2 600 MHz的大頻段，將會引入互調(diào)干擾。表1 和表2 給出了互調(diào)干擾的計算分析結(jié)果。

表1 移動頻段2系統(tǒng)間三階互調(diào)干擾

表2 共建共享運營商3系統(tǒng)間三階互調(diào)干擾

3.4 地鐵場景需全面實施共建共享策略

為提高投資效率，有效利用頻率資源，運營商間開展共建共享乃大勢所趨。中國聯(lián)通、中國電信的主要頻率鄰接，且頻率間互調(diào)干擾較少，共建共享阻礙小。其中WCDMA、L1800、L2100、NR 系統(tǒng)頻率連續(xù)，且各頻段差距不大，覆蓋性能基本相同。因此相關(guān)運營商間的共建共享具備頻率上的優(yōu)勢（見表3）。

表3 共建共享主要頻段（僅下行）（單位：MHz）

地鐵線路的建設(shè)方案在規(guī)劃設(shè)計過程中要針對共建共享進行合理優(yōu)化，利用地鐵環(huán)境內(nèi)有限的資源跨代合路，保證2G、3G、4G、5G系統(tǒng)的覆蓋性能。

3.5 地鐵場景存量室分系統(tǒng)合理使用

地鐵內(nèi)的存量資源，很難實施拆建，要合理利用現(xiàn)有資源實現(xiàn)5G覆蓋。北京市地鐵存量室分資源多，部分線路區(qū)間隧道至今仍未建設(shè)室分漏纜系統(tǒng)。因此，存量線路的5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，僅能以現(xiàn)有800～2 600 MHz的室分系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字室分及5G翻頻等手段，合理規(guī)劃，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，最大限度保證5G網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，滿足用戶使用需求。

4 基于共建共享的跨代覆蓋技術(shù)

5G 系統(tǒng)的跨代同覆蓋及共建共享需求，需要全新的覆蓋技術(shù)。目前，較流行的室內(nèi)覆蓋技術(shù)為新型數(shù)字室分系統(tǒng)、寬頻室分系統(tǒng)及5G翻頻手段。

4.1 新型數(shù)字室分系統(tǒng)

新型數(shù)字室分系統(tǒng)借鑒數(shù)字化的思想，對原有的傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)DAS 進行數(shù)字化演進，其具備網(wǎng)絡(luò)性能強、組網(wǎng)靈活等特點。BBU+RHUB+pRRU 的方案如圖4所示。

圖4 新型數(shù)字室分系統(tǒng)

該方案能夠較好地適配地鐵站臺、站廳等人流密集場所，其具備的多模優(yōu)勢，能夠很好地解決共建共享及多系統(tǒng)共享。

目前，最新的數(shù)字室分系統(tǒng)支持的設(shè)備能力如表4所示。

表4 新型數(shù)字室分pRRU能力

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，一套新型數(shù)字室分系統(tǒng)就能滿足全部系統(tǒng)既節(jié)省資源又能夠保證無線網(wǎng)絡(luò)性能。但是在共建共享模式下，數(shù)字室分系統(tǒng)并不能開通全部頻段，在典型共建共享2L2100+2NR 需求模式下，單運營商性能如表5所示。

表5 新型數(shù)字室分覆蓋性能

以上測試數(shù)據(jù)中忙時用戶速率為經(jīng)驗計算所得，計算依據(jù)為同時接入用戶RRC 平均數(shù)>100 時用戶均值速率。數(shù)字室分能夠滿足共建共享網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，大大提高了組網(wǎng)靈活性，且4G/5G 共享傳輸帶寬技術(shù)的應(yīng)用有效降低了4G傳輸成本。

但新型室分系統(tǒng)投資大，后期維護成本高，只適合居住、商務(wù)等特定建筑的覆蓋。

4.2 傳統(tǒng)寬頻室分系統(tǒng)

存量室分系統(tǒng)僅支持傳統(tǒng)2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)，頻率范圍800～2 400 MHz，不支持5G 的高頻段。為了滿足各系統(tǒng)覆蓋要求，低投入滿足跨代同覆蓋的要求，就要設(shè)計生產(chǎn)新型寬頻室分系統(tǒng)。

寬頻室分系統(tǒng)，滿足800～3 700 MHz 的寬頻需求，所有器件設(shè)備都要進行優(yōu)化升級，包括POI、合路器、耦合器、功分器等，器件指標(biāo)要求如表6所示。

表6 寬頻室分系統(tǒng)主要器件指標(biāo)

為測試新型寬頻室分系統(tǒng)性能，建設(shè)開通了專用測試站點。試驗系統(tǒng)接入WCDMA、LTE1800、LTE2100、NR3500、NR2600、LTE TDD E 等系統(tǒng)，頻段及接入方式如圖5所示。

圖5 寬頻室分系統(tǒng)試驗接入系統(tǒng)示意

以上系統(tǒng)借鑒運營商分纜（中國電信、中國聯(lián)通一路，中國移動一路）方案并按照共建共享要求設(shè)計實施，L1800 及L2100 均為單運營商提供，且共同嘗試開啟3.4～3.6 GHz的5G 系統(tǒng)。經(jīng)現(xiàn)場測試及后臺監(jiān)控驗證，傳統(tǒng)寬頻室分系統(tǒng)完全滿足3G、4G 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。5G NR3500 的覆蓋指標(biāo)能達到700 Mbit/s。相應(yīng)測試性能指標(biāo)如表7所示。

表7 寬頻室分主要覆蓋性能指標(biāo)

根據(jù)后臺收集的底噪指標(biāo)，各系統(tǒng)3G、4G、5G 網(wǎng)絡(luò)的底噪指標(biāo)基本保持穩(wěn)定，并能滿足要求。因此WCDMA、L1800、L2100、NR3500、NR2600 系統(tǒng)間互調(diào)干擾并不明顯，具備共建共享合路的能力，且能保持各系統(tǒng)間的性能標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 寬頻漏纜技術(shù)

在地鐵場景下，區(qū)間隧道的覆蓋解決方案，包括定向天線覆蓋及漏纜覆蓋。而漏纜覆蓋方案以其覆蓋均勻、性能好為最優(yōu)。然而，存量民用漏纜并不支持3.5 GHz頻段，為解決隧道5G覆蓋問題，定制研發(fā)了新型寬頻漏纜。新型漏纜支持1 700～3 700 MHz頻段，能夠有效解決共建共享模式下跨代區(qū)間隧道的同覆蓋問題。寬頻漏纜的電氣性能指標(biāo)表8所示。

表8 5/4"低損耗漏泄電纜電氣性能

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算，在斷點間隔400 m，信源設(shè)備單口輸出功率為80 W 的情況下，SSB-RSRP 為14 dBm，POI 插損為5 dB，則200 m 中間點5G 邊緣場強為-75 dBm，車內(nèi)為-90 dBm。為驗證其性能實施現(xiàn)場測試，測試新型寬頻漏纜主要覆蓋指標(biāo)如圖6所示。

圖6 寬頻漏纜測試性能

以上測試環(huán)境為單向隧道，普通地鐵車體內(nèi)正常速度運行，行駛中測試。本次單邊單漏纜測試結(jié)果顯示，單邊距離300 m 以內(nèi)覆蓋能保持在-90 dBm 以上，下行速率為200 Mbit/s 左右，上行速率僅有25 Mbit/s左右。受終端發(fā)射功率影響，在長距離情況下，上行效果不佳，這也成為5G 共建共享隧道覆蓋設(shè)計的瓶頸?；?G 上行受限，建議設(shè)置斷點間隔在400 m 左右，雙通道50 Mbit/s 的上行邊緣速率，普通用戶終端的單天線、單通道也能達到30 Mbit/s上行邊緣速率。

4.4 5G應(yīng)用NR2100技術(shù)

根據(jù)當(dāng)前5G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，受終端設(shè)備發(fā)射功率小的因素影響，5G網(wǎng)絡(luò)的上行速率較低，易受干擾。同時存量室分系統(tǒng)，不支持3.5 GHz 頻段，升級投資大、收效低。因此利用現(xiàn)有的2 100 MHz 頻段開通5G網(wǎng)絡(luò)是必然選擇。

NR2100 系統(tǒng)既能夠彌補NR3500 系統(tǒng)上行功率不足導(dǎo)致的上行低速率問題，又能利用現(xiàn)網(wǎng)大量的存量室分，在地鐵場景實現(xiàn)低成本的5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋。然而，NR2100 系統(tǒng)仍存在頻率資源有限，速率偏低及易受干擾等問題。

因此，NR2100 適合低密度場景，且需嚴(yán)格運營商分纜，排除F頻段對于NR2100上行干擾。在地鐵場景內(nèi)，NR2100翻頻技術(shù)，適合老舊線路隧道區(qū)間的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，既能解決老舊線路隧道設(shè)備斷點間距較大的問題，又能有效降低投資規(guī)模。隨著5G 的到來，4G 網(wǎng)絡(luò)容量難免降低，LTE2100 的低效頻率也能通過NR2100技術(shù)得到充分利用。

5 地鐵共建共享方案及設(shè)計指標(biāo)

地鐵場景按照不同功能，可劃分為公共區(qū)、工作區(qū)、隧道。公共區(qū)包括站臺、站廳、換乘通道及出入口。由于各自不同結(jié)構(gòu)特性，需要采用各異的覆蓋策略。

5.1 公共區(qū)域覆蓋方案

公共區(qū)及工作區(qū)結(jié)構(gòu)特性近似，可以共同規(guī)劃。公共區(qū)是地鐵站最為繁忙的區(qū)域，尤其在早、晚高峰期北京部分忙站人流量1～3 萬人次/h，4G 網(wǎng)絡(luò)同時在線人數(shù)超出最高1 200個License限制導(dǎo)致部分用戶不能接入，PRB無線資源利用率超過95%，用戶平均速率低于3 Mbit/s。

公共區(qū)域的設(shè)計核心要保證容量。在共建共享模式下，綜合考慮成本因素建議采用新型數(shù)字室分為主，新型寬頻傳統(tǒng)室分覆蓋為補充的混合覆蓋方案（見圖7）。

圖7 公共區(qū)域及工作區(qū)覆蓋方案示意

5.1.1 數(shù)字室分保證容量

由于新型數(shù)字室分同時支持的系統(tǒng)及頻段有限，前期僅支持2U+2L+2NR的配置，不能保證所有頻段開啟。在共建共享的模式下，建議新型數(shù)字室分開通模式如表9所示。

表9 新型數(shù)字室分開通頻段

數(shù)字室分的優(yōu)勢如下。

a）性能優(yōu)勢明顯：可4G、5G 網(wǎng)絡(luò)同點位覆蓋，小區(qū)劃分更為靈活，同廳臺可劃分多小區(qū)提升容量，覆蓋強對遮擋車體等穿透性好，pRRU 配置靈活可定制覆蓋細節(jié)。

b）效費比的優(yōu)勢：基站單條10 Gbit/s 傳輸可以4G、5G 多系統(tǒng)共享，有效降低傳輸成本，pRRU 單頭端多系統(tǒng)覆蓋既節(jié)省設(shè)備投資，又減少安裝位置資源。

5.1.2 寬頻室分補充覆蓋

寬頻傳統(tǒng)室分作為基礎(chǔ)覆蓋，保證公共區(qū)域、工作區(qū)覆蓋。其接入的頻段包括900 MHz、CDMA800、WCDMA 等低容量系統(tǒng)。此外為了有效減輕數(shù)字室分的投資壓力，充分利用隧道、工作區(qū)等傳統(tǒng)室分基礎(chǔ)設(shè)施開通4G單頻段及工作區(qū)的5G系統(tǒng)。傳統(tǒng)寬頻室分系統(tǒng)開啟的頻段如表10所示。

表10 傳統(tǒng)室分系統(tǒng)接入系統(tǒng)及頻段

傳統(tǒng)寬頻室分系統(tǒng)具備穩(wěn)定性高、維護方便、后續(xù)擴容升級簡單，且單位面積投資小的優(yōu)勢。

根據(jù)以上方案，在5GNR 共享雙頻段、4G 全獨立載波及點位間隔30 m 限制下，能達到如表11 所示主要性能指標(biāo)。

表11 公共區(qū)域及工作區(qū)預(yù)計指標(biāo)

5.2 區(qū)間隧道覆蓋方案

根據(jù)區(qū)間隧道圓洞狀的建筑構(gòu)造，建議采用寬頻漏纜覆蓋。由于不能使用數(shù)字室分系統(tǒng)規(guī)避合路干擾，需實施嚴(yán)格的運營商分纜方案。共建共享的友商各頻段經(jīng)驗證不存在明顯的互調(diào)干擾，故可以共享漏纜建設(shè)，其他運營商獨自使用剩余漏纜資源。根據(jù)該漏纜的前期測評結(jié)果，建議采用4 纜方案，2 根寬頻5/4"漏纜用于共建共享；2根13/8"漏纜用于其他運營商。受漏纜性能限制，13/8"漏纜還需接通CDMA800 系統(tǒng)。其系統(tǒng)連接如圖8所示。

圖8 新建線路漏纜連接示意圖

根據(jù)上文數(shù)據(jù)，要達到理想的設(shè)計指標(biāo)，需要嚴(yán)格限制隧道斷點間距及漏纜布置位置，建議斷點單邊距離不超過200 m，雙邊距離不超過400 m，4漏纜在隧道縱切面的位置交錯布放，保證雙通道漏纜0.5 m 的隔離間距，降低相關(guān)性，保證MIMO 效果。相應(yīng)的規(guī)劃示意圖如圖9和圖10所示。

圖9 隧道斷點設(shè)置示意

圖10 隧道漏纜鋪設(shè)示意

根據(jù)前期試驗測試及方案的規(guī)劃目標(biāo)、基礎(chǔ)性能，預(yù)期達到的網(wǎng)絡(luò)性能如表12所示。

表12 新建線路區(qū)間隧道預(yù)計指標(biāo)

5.3 既有線路升級方案

對于既有線路設(shè)計方案，可以借鑒相應(yīng)技術(shù)，以基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)、現(xiàn)有技術(shù)為手段，結(jié)合4G 網(wǎng)絡(luò)擴容方案實施。其中公共區(qū)域采用數(shù)字新型室分方案，同步擴容4G網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。既有線路的擴容升級應(yīng)盡量減少對傳統(tǒng)室分系統(tǒng)的改動。首先采用定向天線在隧道口位置盡量彌補5G 覆蓋，后續(xù)實現(xiàn)2100 翻頻后，在隧道實施NR2100 系統(tǒng)覆蓋，共享友商間2 100 MHz 頻率。既有線路共建共享覆蓋方案如表13所示。

表13 既有線路共建共享覆蓋方案

根據(jù)以上方案地鐵線路未來計劃達到的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表14所示。

表14 既有線路升級擴容預(yù)計指標(biāo)

6 結(jié)束語

本文探討的基于共建共享的跨代覆蓋方案，充分利用共建共享優(yōu)勢，有效提升了地鐵覆蓋效果，降本增效。為了平衡并解決跨代覆蓋下新老線路差別、互調(diào)干擾、容量受限等問題，給出了可行的方案。既能夠滿足地鐵用戶上網(wǎng)需求，又能有效減少投資，預(yù)計節(jié)約成本1 萬元/站/月。地鐵場景下基于共建共享的跨代無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋打通了城市立體空間的高速連接，服務(wù)于未來智慧城市建設(shè)。