低成本地鐵隧道5G覆蓋方案研究

何 明，彭 禱，梁師銘（.中國(guó)聯(lián)通廣東分公司，廣東 廣州 5060；.中國(guó)聯(lián)通廣州分公司，廣東廣州 5067；.中國(guó)聯(lián)通深圳分公司，廣東深圳 58048）

1 概述

地鐵是大城市的主要交通工具之一，人流密度大，是5G 部署的首發(fā)室內(nèi)場(chǎng)景之一，截至2019 年底，廣東地鐵運(yùn)營(yíng)總里程已超過(guò)800 km，日均客運(yùn)量超1 500 萬(wàn)人次，快速高效實(shí)現(xiàn)地鐵5G 覆蓋可以顯著提升用戶感知。

業(yè)內(nèi)對(duì)如何實(shí)現(xiàn)地鐵5G覆蓋進(jìn)行了深入的研究，地鐵5G 覆蓋的難點(diǎn)在于隧道覆蓋。地鐵隧道空間狹窄、存在一定弧度的彎道，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)隧道內(nèi)剩余空間較小，對(duì)信號(hào)傳播有較大影響。盡管公路隧道或高鐵隧道中可考慮八木天線等特型天線覆蓋方案［1-2］，但由于安裝空間和天線尺寸受限，且地鐵運(yùn)營(yíng)方出于安全角度考慮，地鐵隧道覆蓋方案大多采用泄漏電纜［3］。各運(yùn)營(yíng)商不同制式的系統(tǒng)合路時(shí)，尤其是當(dāng)中國(guó)移動(dòng)2.6 GHz 與中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通3.5 GHz 的5G頻段接入后，互調(diào)分量會(huì)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的上行造成較大干擾，文獻(xiàn)［4］對(duì)3家合路的干擾進(jìn)行量化說(shuō)明和隔離研究。重慶聯(lián)通在軌道環(huán)線二期新建線路隧道采用5/4″泄漏電纜的覆蓋方案實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營(yíng)商接入，通過(guò)POI嚴(yán)格選型等措施控制互調(diào)干擾，最終設(shè)備間距設(shè)置為400 m［5］。浙江聯(lián)通對(duì)比了不同型號(hào)的5/4″泄漏電纜的特性，并分析了3家2纜、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通2纜、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通5G 2纜和3家5G 2纜4種方案的優(yōu)劣，設(shè)置驗(yàn)證場(chǎng)景進(jìn)行試點(diǎn)論證［6］。山東移動(dòng)在濟(jì)南R3 線隧道采用2 條13/8″泄漏電纜單獨(dú)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋的方式，實(shí)現(xiàn)了636 m的設(shè)備間距［7］。

已運(yùn)行地鐵的隧道內(nèi)壁正對(duì)車(chē)窗的位置基本占滿，沒(méi)有預(yù)留位置給5G 網(wǎng)絡(luò)部署新增泄漏電纜，現(xiàn)有研究成果中如何實(shí)現(xiàn)已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的5G 覆蓋的研究較少［8-9］。此外，現(xiàn)有研究中更多是研究如何實(shí)現(xiàn)地鐵5G 覆蓋［10-15］，對(duì)不影響用戶感知的情況下如何低成本實(shí)現(xiàn)5G覆蓋考慮較少。本文結(jié)合廣東聯(lián)通的5G地鐵部署，研究上述2個(gè)問(wèn)題的解決方案。

2 低成本地鐵隧道5G覆蓋方案

2.1 泄漏電纜選型分析

目前業(yè)內(nèi)有5/4″全頻段漏纜、5/4″高性能中高頻漏纜和5/4″專用5G 漏纜。其中5/4″全頻段漏纜支持800～3 600 MHz 頻段，漏纜整體綜合考慮各頻段，性能平均，3.5 GHz 頻段綜合損耗較大；5/4″高性能中高頻漏纜支持1 700～3 600 MHz 頻段，可支持中頻和5G 頻段接入，3.5 GHz 頻段綜合損耗明顯改善；5/4″專用5G漏纜支持2 600～3 700 MHz 頻段，不支持2G/3G/4G 的中低頻段，但3.5 GHz頻段綜合損耗最小。

以某廠家提供的5/4″高性能中高頻漏纜為例，電氣性能如表1所示。

表1 5/4″高性能中高頻漏纜電氣性能（單位：dB，公差：±3dB）

在地鐵隧道中不同制式允許的最大綜合損耗如式（1）所示，設(shè)備間距設(shè)置如式（2）所示：

對(duì)于5/4″全頻段漏纜和5/4″高性能中高頻漏纜，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通5G 設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備間距對(duì)比表如表2所示。

從表2 可以看出，以覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)-105 dBm 為覆蓋標(biāo)準(zhǔn)，漏纜入口功率為9.38 dBm，那么泄漏電纜允許的最大綜合損耗為92.38 dB?？紤]切換距離，如果使用5/4″高性能中高頻漏纜，5G 設(shè)備理論間距可設(shè)置為646 m；如果使用5/4″全頻段漏纜，5G 設(shè)備理論間距只可設(shè)置為406 m。

表2 2類泄漏電纜的設(shè)備間距測(cè)算表

2.2 隧道接入系統(tǒng)頻段分析

對(duì)于新建地鐵隧道，各運(yùn)營(yíng)商共提出15個(gè)系統(tǒng)需求，為便于后續(xù)互調(diào)干擾分析，將每個(gè)系統(tǒng)增加備注頻段，如表3所示。

表3 各運(yùn)營(yíng)商地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)需求

2.3 互調(diào)干擾分析

當(dāng)多個(gè)系統(tǒng)合路到同一條泄漏電纜中時(shí)，由于傳輸信道中的非線性，2 個(gè)或多個(gè)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很多諧波和互調(diào)頻率分量，如果這些互調(diào)分量落入使用系統(tǒng)的上行頻段，就會(huì)造成互調(diào)干擾。通過(guò)對(duì)上述8 個(gè)頻段互調(diào)分量進(jìn)行計(jì)算分析，各個(gè)頻段產(chǎn)生的2 階、3 階互調(diào)分量對(duì)中國(guó)聯(lián)通中高頻系統(tǒng)上行頻段造成的干擾共有26種組合，具體如表4所示。

表4 互調(diào)干擾分析表

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，如果泄漏電纜不引入頻段1和頻段2 的信號(hào)，即如果不引入中國(guó)電信CDMA800 和中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通GSM900 信號(hào)，對(duì)中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信中高頻上行頻段造成干擾的分量就大幅下降為12 種組合，且5G 頻段不再受到互調(diào)干擾分量影響。優(yōu)化后的互調(diào)干擾分析如表5所示。

表5 優(yōu)化后互調(diào)干擾分析表

按照經(jīng)驗(yàn)三階互調(diào)干擾小于-107 dBm，如果系統(tǒng)互調(diào)抑制度可以保證-155 dBc@46 dBm 或-150 dBc@43 dBm，互調(diào)干擾將不會(huì)影響系統(tǒng)性能。如果系統(tǒng)只引入頻段8 中國(guó)移動(dòng)2.6 GHz 和頻段9 中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通3.5 GHz，則不會(huì)產(chǎn)生影響自身系統(tǒng)的互調(diào)分量。

2.4 低成本隧道覆蓋方案分析

在當(dāng)前共建共享的基礎(chǔ)上，基于2T2R 主要有3 種解決方案。

方案1：3家2G/3G/4G 和中國(guó)移動(dòng)5G 接入13/8″低頻漏纜，中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信5G接入5/4″高頻漏纜。

方案2：3家2G/3G/4G 接入13/8″低頻漏纜，3家5G接入5/4″高頻漏纜。

方案3：安裝位置受限，3家均接入5/4″全頻漏纜。

在方案1中，中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信要分?jǐn)?條5/4″高頻漏纜成本，中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信難以接受；方案2中國(guó)移動(dòng)要比方案1 多分?jǐn)? 條5/4″高頻漏纜，且在2.6 GHz 上5/4″漏纜性能低于13/8″低頻漏纜，中國(guó)移動(dòng)為滿足覆蓋還需額外新增5G設(shè)備，中國(guó)移動(dòng)難以接受。方案3存在較大干擾；且因3.5 GHz頻段覆蓋能力受限，設(shè)備斷點(diǎn)設(shè)置較密，建設(shè)成本高。

本文提出一種優(yōu)化接入信號(hào)頻段組合的漏纜方案：3家只引入1 700 MHz～3.6 GHz的信號(hào)，使用5/4″高性能中高頻漏纜。該方案有以下優(yōu)點(diǎn)。

a）由于不引入頻段1 和頻段2 可以大幅降低干擾互調(diào)分量（根據(jù)2.3 節(jié)分析），可以保證4G/5G 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

b）5/4″高性能中高頻漏纜在3.5 GHz 頻段性能要明顯優(yōu)于5/4″全頻段漏纜，綜合損耗小可以提高設(shè)備設(shè)計(jì)間距，減少覆蓋隧道的設(shè)備數(shù)量，從而降低建設(shè)成本。

c）3 家運(yùn)營(yíng)商總共只使用2 條漏纜，分布系統(tǒng)的建設(shè)成本大幅下降，若中國(guó)鐵塔承建而支付租金也會(huì)明顯低于上述4條漏纜方案的方案1和方案2。

d）從地鐵的業(yè)務(wù)模型來(lái)看，隧道場(chǎng)景業(yè)務(wù)量低，放棄低頻段也不會(huì)對(duì)用戶感知造成影響。

因此推薦該方案為新建地鐵線路隧道覆蓋方案，采用該方案建設(shè)的地鐵隧道設(shè)備間距測(cè)試如表6 所示。

從表6 可以看出，各頻段受限于中國(guó)移動(dòng)NR2.6 GHz，如果部署2 條漏纜3 家接入，斷點(diǎn)設(shè)置應(yīng)以中國(guó)移動(dòng)NR2.6 GHz 覆蓋能力為標(biāo)準(zhǔn)，即單邊覆蓋距離為289.31 m，理論測(cè)算隧道RRU間距為570 m左右。

表6 低成本泄漏電纜接入方案對(duì)比表

以此方案進(jìn)行建設(shè)成本對(duì)比，由于設(shè)備間距是5/4″全頻段漏纜的1.4 倍，以5G 全線覆蓋的深圳地鐵10號(hào)線進(jìn)行測(cè)算，隧道建設(shè)成本可節(jié)省30%以上。

3 已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道5G覆蓋方案

已運(yùn)營(yíng)地鐵的運(yùn)營(yíng)商通信系統(tǒng)為2G/3G/4G，已部署的泄露電纜基本為13/8″泄漏電纜，截止頻率低于3 GHz，無(wú)法支撐中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通3.5 GHz的5G頻段。在隧道內(nèi)壁已部署包含地鐵專用通信系統(tǒng)在內(nèi)多條泄漏電纜，且為保證隔離度，每2條泄漏電纜之間的設(shè)計(jì)距離在20 cm 以上，隧道內(nèi)壁正對(duì)車(chē)窗的位置基本占滿，沒(méi)有預(yù)留位置給5G網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道內(nèi)環(huán)境示意圖

本文提出一種泄漏電纜斜射覆蓋方案，假設(shè)新增2 條5G 泄漏電纜部署在地鐵隧道內(nèi)壁已安裝泄漏電纜的斜上方處，通過(guò)一定的入射角覆蓋車(chē)廂內(nèi)部。泄漏電纜開(kāi)口位置指向地鐵車(chē)廂內(nèi)中心線用戶高度處，確保車(chē)廂內(nèi)超過(guò)一半的空間可滿足LOS視線傳輸。

如果新增2 條5G 泄漏電纜可保持到車(chē)廂內(nèi)部的LOS 傳輸，那么可以認(rèn)為2 條泄漏電纜的傳輸模型基本一致，通過(guò)在適當(dāng)?shù)木嚯x安裝5G基站設(shè)備并控制泄漏電纜傳輸損耗，不但可以滿足車(chē)廂內(nèi)部覆蓋的信號(hào)強(qiáng)度需求，而且可以使2 路信號(hào)在車(chē)廂內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度差距保持在3 dB 內(nèi)，實(shí)現(xiàn)較好的MIMO 效果。新增泄漏電纜位置如圖2所示。

圖2 新增泄漏電纜位置示意圖

假設(shè)車(chē)身寬度為W，列車(chē)車(chē)窗上沿與洞壁水平距離為d，車(chē)窗上沿玻璃距離平臺(tái)高度為H，遠(yuǎn)離車(chē)窗側(cè)站立用戶手持手機(jī)高度為h，隧道內(nèi)壁新增泄漏電纜安裝高度，距離車(chē)窗上沿的垂直距離為X。那么根據(jù)幾何原理，則有：

即新增泄漏電纜安裝位置到車(chē)窗上沿的垂直高度X可表示為：

通過(guò)新增2條泄漏電纜來(lái)解決已運(yùn)行地鐵隧道的5G 覆蓋時(shí)，若2 條泄漏電纜安裝位置X均不高于2d×（H-h）/W，并且開(kāi)孔方向指向地鐵車(chē)廂內(nèi)中心線用戶高度時(shí)，盡管2條泄漏電纜不是傳統(tǒng)平行于車(chē)窗覆蓋，但仍可有效覆蓋車(chē)廂內(nèi)部并實(shí)現(xiàn)較好MIMO效果。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 低成本5G覆蓋方案驗(yàn)證

深圳十號(hào)線實(shí)現(xiàn)了5G 全線覆蓋，關(guān)閉低頻段信號(hào)，方案效果與2.4 節(jié)提出的低成本覆蓋方案近似。深圳十號(hào)線全線隧道測(cè)試結(jié)果：SS-RSRP≥-105 dBm覆蓋率達(dá)到99.9%，SS-SINR≥0 dBm 質(zhì)量達(dá)標(biāo)率為99.8%。遠(yuǎn)超SS-RSRP≥-105 dBm 且SS-SINR≥0 dBm采樣點(diǎn)占比≥90%的室內(nèi)場(chǎng)景驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道5G覆蓋方案驗(yàn)證

廣州八號(hào)線北延線采用已運(yùn)營(yíng)地鐵的泄露電纜斜射方案，已運(yùn)營(yíng)段地鐵隧道測(cè)試結(jié)果：SS-RSRP≥-105 dBm覆蓋率達(dá)到99.4%，SS-SINR≥0 dBm質(zhì)量達(dá)標(biāo)率為97.6%。超過(guò)SS-RSRP≥-105 dBm 且SS-SINR≥0 dBm采樣點(diǎn)占比≥90%的室內(nèi)場(chǎng)景驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種優(yōu)化頻率組合的泄漏電纜覆蓋方案，在保證覆蓋效果的基礎(chǔ)上大幅降低建設(shè)成本；同時(shí)提出一種泄漏電纜斜射覆蓋方案，為隧道壁車(chē)窗等高位置已全部部署漏纜的已運(yùn)營(yíng)地鐵的隧道提供5G 覆蓋。2 種方案均在廣東地鐵線路進(jìn)行驗(yàn)證，可對(duì)新建地鐵和運(yùn)營(yíng)地鐵的5G隧道覆蓋提供參考。