民用通信地鐵隧道覆蓋整體解決方案

杜建新

（武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430073）

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵軌道交通建設(shè)投入使用數(shù)量直線上升，極大提升了城市交通出行能力，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了諸多便利。但軌道交通內(nèi)公眾的通信問(wèn)題日益突出，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)趕不上軌道交通建設(shè)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)的快速普及布網(wǎng)，造成用戶在軌道交通內(nèi)的體驗(yàn)感較差[1]。為了有效解決城市軌道交通內(nèi)的公眾日常通信需求，結(jié)合近幾年各地已經(jīng)在實(shí)施的軌道交通民用通信覆蓋解決方案，梳理出一套較為系統(tǒng)的民用通信地鐵隧道覆蓋解決方案，供相關(guān)學(xué)者參考。

1 整體解決方案要點(diǎn)

地鐵軌道交通民用通信與傳統(tǒng)的鐵路、公路有著完全不同的特性，因此采用傳統(tǒng)的公路鐵路覆蓋方案不可取，在對(duì)低速密閉空間軌道交通進(jìn)行通信覆蓋時(shí)，要充分考慮多運(yùn)營(yíng)商多頻段網(wǎng)絡(luò)制式的需求以及不同區(qū)域的場(chǎng)景特點(diǎn)，采取不同的覆蓋方式等[2]。重點(diǎn)綜合考慮以下幾點(diǎn)問(wèn)題。

1.1 運(yùn)營(yíng)商頻段的需求

截至目前國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)給各運(yùn)營(yíng)商分配了眾多不同頻段的移動(dòng)通信頻率，用于民用通信的發(fā)射臺(tái)和手持終端使用，在做地鐵軌道交通民用通信覆蓋時(shí)要充分考慮各個(gè)運(yùn)營(yíng)商目前以及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能使用到的通信頻率，并充分考慮隧道內(nèi)軌道公司運(yùn)營(yíng)專網(wǎng)及警用無(wú)線通信頻率的需求，做好頻率的提前規(guī)劃，對(duì)覆蓋設(shè)備選型及后期頻率規(guī)劃做好充分準(zhǔn)備，避免覆蓋后出現(xiàn)的網(wǎng)間、網(wǎng)內(nèi)干擾及覆蓋不滿足用戶要求的情況。

1.2 多系統(tǒng)的需求

目前移動(dòng)、聯(lián)通、電信在運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)有2G、3G、4G、5G共4種制式網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)國(guó)家規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)商未來(lái)網(wǎng)絡(luò)部署安排，2G、3G網(wǎng)絡(luò)將有序逐步退網(wǎng)退頻，對(duì)于退出的頻段后續(xù)會(huì)規(guī)劃為其他網(wǎng)絡(luò)制式啟用，同時(shí)目前要考慮電、聯(lián)共建共享、移動(dòng)、廣電共建共享。在做網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)要確定好引入覆蓋哪些網(wǎng)絡(luò)。

1.3 分區(qū)域覆蓋

依據(jù)區(qū)域場(chǎng)景特性，制定出不同類型的覆蓋方式。隧道內(nèi)、隧道出入段采用漏纜方式進(jìn)行覆蓋，車站站廳站臺(tái)公共區(qū)域內(nèi)采用PRRU設(shè)備覆蓋，車站設(shè)備區(qū)人流量較少的地方可以考慮采用雙路天饋布放方式進(jìn)行覆蓋。

1.4 天線點(diǎn)位的確定

依據(jù)各個(gè)運(yùn)營(yíng)商覆蓋要求，結(jié)合現(xiàn)有公網(wǎng)設(shè)備指標(biāo)特性，根據(jù)計(jì)算得出站廳站臺(tái)公共區(qū)PRRU小站點(diǎn)位間距為25 m左右較為合適，設(shè)備功率滿足3家運(yùn)營(yíng)商的覆蓋要求。

1.5 隧道及出入段的覆蓋

根據(jù)現(xiàn)有公網(wǎng)設(shè)備指標(biāo)，結(jié)合城市軌道交通建設(shè)站間距實(shí)際情況，以及覆蓋網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，頻段需求、鏈路預(yù)算計(jì)算等，同時(shí)考慮重疊切換區(qū)設(shè)置，隧道內(nèi)POI斷點(diǎn)的設(shè)計(jì)間隔一般在450～500 m左右較為合理，具體到每條軌道交通，要實(shí)際調(diào)整漏纜的覆蓋距離。

1.6 傳輸系統(tǒng)

根據(jù)各運(yùn)營(yíng)商要求及隧道地鐵建設(shè)方案，相鄰站在每側(cè)隧道各敷設(shè)1條144芯聯(lián)絡(luò)光纜，相鄰換乘站在一側(cè)隧道敷設(shè)1條144芯聯(lián)絡(luò)光纜，每站機(jī)房至其下掛隧道設(shè)備安裝點(diǎn)各敷設(shè)一條48芯光纜，所有的車站外聯(lián)敷設(shè)1條288芯主干光纜。充分利用光纜的高容量、低損耗、已擴(kuò)容特性，綜合解決系統(tǒng)的傳輸問(wèn)題。

1.7 機(jī)房及電源配套

地鐵覆蓋的特殊性，要充分考慮容災(zāi)備份，通信機(jī)房?jī)?nèi)采用雙路380 V供電，結(jié)合運(yùn)營(yíng)商設(shè)備數(shù)量、設(shè)備用電需求計(jì)算開(kāi)關(guān)電源、UPS電源、交直流配電屏配置，同時(shí)采用多用戶計(jì)量電表計(jì)費(fèi)，按照備電時(shí)長(zhǎng)要求設(shè)計(jì)蓄電池組容量。電源線與地鐵隧道提供的接地線纜連接，形成可靠的接地網(wǎng)。

2 無(wú)線設(shè)計(jì)方案

2.1 站廳臺(tái)解決方案

地鐵站廳站臺(tái)公共區(qū)為乘客滯留和換乘區(qū)域，人流量大，業(yè)務(wù)高發(fā)，運(yùn)用皮基站分布系統(tǒng)，即站廳站臺(tái)公共區(qū)采用BBU+RHUB+PRRU數(shù)字化室分進(jìn)行覆蓋，該類公共區(qū)域皮基站間距25 m左右，皮基站采取“W”型布放，單點(diǎn)位各運(yùn)營(yíng)商PRRU間距0.5 m左右，以利于設(shè)備散熱及網(wǎng)建干擾和隔離度要求。

BBU和RHUB分別安裝在民用通信設(shè)備機(jī)房及小端機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)光電復(fù)合纜經(jīng)橋架到達(dá)每個(gè)皮基站點(diǎn)位，光電復(fù)合纜等走線使用民用通信自建弱電線槽，PRRU根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝修情況固定在吊頂下方，遠(yuǎn)離專網(wǎng)和警用通信天線。盡量同一HUB連接同一區(qū)域的PRRU基站，以便后期劃分小區(qū)。

設(shè)備區(qū)及辦公區(qū)：主要為地鐵內(nèi)工作人員活動(dòng)區(qū)域，人員較固定，人員流動(dòng)較少，對(duì)話務(wù)及流量負(fù)荷要求較低，可以采用雙路傳統(tǒng)室分進(jìn)行覆蓋，由于房間密集，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)鏈路損耗計(jì)算確定天線間距設(shè)為12 m左右。

2.2 隧道解決方案

2.2.1 漏纜間距及接入頻段確定

目前隧道漏纜覆蓋主要有2纜和4纜兩種覆蓋方式。隧道漏纜采用2根全頻段5/4輻射型漏纜，可實(shí)現(xiàn)5G 2T2R的基本接入需求，投資相對(duì)較低。采用4根全頻段5/4輻射型漏纜，可實(shí)現(xiàn)5G 4T4R的接入需求，抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)擴(kuò)展性高，速率相對(duì)雙纜更高，用戶體驗(yàn)好。考慮到隧道正線區(qū)間人流量大，話務(wù)量高，優(yōu)選采用4根5/4泄漏電纜進(jìn)行覆蓋，可充分發(fā)揮4T4R的性能優(yōu)勢(shì)[3]。

隧道內(nèi)鋪設(shè)4條漏纜，為實(shí)現(xiàn)4*4MIMO技術(shù)，需要4路漏纜間有一定的距離。在4G實(shí)踐中，工程上一般建議4倍波長(zhǎng)以上?？紤]到多系統(tǒng)接入時(shí)系統(tǒng)間干擾和各系統(tǒng)MIMO特性間距要求，漏纜間距設(shè)置為350 mm。

2.2.2 信源設(shè)備功率確定

考慮2G、3G的有序退網(wǎng)，5G是未來(lái)重點(diǎn)覆蓋要求。隧道覆蓋重點(diǎn)考慮5G設(shè)備功率，同時(shí)考慮5G獨(dú)享和5G與4G共享的情況，將對(duì)兩種情況進(jìn)行單獨(dú)考慮設(shè)備功率，目前民用通信隧道覆蓋均交由鐵塔公司承建，電聯(lián)共建共享，電聯(lián)5G設(shè)備統(tǒng)一考慮。根據(jù)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)主流5G設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際工程情況，確定網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行設(shè)備輸出功率核算。

2.2.3 信源設(shè)備間距確定

隧道內(nèi)設(shè)備斷點(diǎn)間距的計(jì)算主要依據(jù)為漏纜指標(biāo)，查詢國(guó)內(nèi)主流漏纜廠家漏纜指標(biāo)，綜合選取較優(yōu)3.5～3.6 G指標(biāo)，適當(dāng)降低1.8～2.6 G指標(biāo)，使各頻段在漏纜內(nèi)能夠均衡分布，使漏纜能夠達(dá)到最大性能，詳見(jiàn)表1。考慮該系統(tǒng)在列車最高時(shí)速的切換距離。根據(jù)隧道設(shè)備安裝的實(shí)際情況及各地實(shí)際工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，建議高頻設(shè)備間距取定為500 m左右為宜，800 M、900 M低頻斷點(diǎn)間距1 000 m左右為宜，通過(guò)隧道透?jìng)鱌OI透?jìng)?，?jié)約800 M、900 M設(shè)備投資。

表1 斷點(diǎn)設(shè)備鏈路損耗計(jì)算表

2.2.4 POI頻段確定

目前廣電還未正式開(kāi)通商用，現(xiàn)有3個(gè)運(yùn)營(yíng)商主要商用覆蓋網(wǎng)絡(luò)涉及15個(gè)制式，結(jié)合電聯(lián)共建共享的頻段需求，對(duì)POI進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，充分論證各系統(tǒng)共存對(duì)插損等指標(biāo)的影響?？紤]運(yùn)營(yíng)商5G規(guī)劃，結(jié)合鐵塔公司POI技術(shù)規(guī)范書(shū)頻段規(guī)劃，統(tǒng)籌考慮地鐵軌道公司專用頻段隔離要求，制定好相應(yīng)端口的頻段帶寬。同時(shí)適當(dāng)超前考慮未來(lái)5G頻段的規(guī)劃，提前規(guī)劃全頻段端口，對(duì)移動(dòng)、聯(lián)通、電信900 M以下低頻端口建議采用全頻POI頻段，對(duì)于電聯(lián)1.8 G、2.1 G、3.5 G頻段、移動(dòng)LTE（A、D、F、E）、5 G NR采用全頻POI和透?jìng)鱌OI頻段[4]。

2.2.5 出入段覆蓋確定

考慮到出入段線使用功能，話務(wù)量將會(huì)比較低，出入段線隧道內(nèi)可采用兩條漏纜覆蓋，保留隧道內(nèi)最上和最下兩根纜，建議每家運(yùn)營(yíng)商接入語(yǔ)音和單數(shù)據(jù)頻段，節(jié)約不必要的投資。

3 電源設(shè)計(jì)方案

3.1 整體供電架構(gòu)確定

由軌道公司提供1主1備兩路380 V市電電源，電源容量最終根據(jù)所帶負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算確定。供電設(shè)施包含48V直流供電系統(tǒng)、UPS供電系統(tǒng)、各交直流配電柜/箱以及之間的連接電纜。供電負(fù)荷等級(jí)可以參考GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第16.10.3條規(guī)定：通信設(shè)備應(yīng)按一級(jí)負(fù)荷供電。實(shí)踐中實(shí)施比較困難，工程投資成倍增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)商無(wú)法接受，但考慮本通信工程為民用通信工程，可以和運(yùn)營(yíng)商溝通按照三級(jí)負(fù)荷建設(shè)規(guī)劃[5]。

UPS備電時(shí)間由于各個(gè)運(yùn)營(yíng)商對(duì)通信設(shè)備備電時(shí)間要求不一致，移動(dòng)多要求備電時(shí)間2～4 h，電信、聯(lián)通對(duì)備電時(shí)間相對(duì)要求較低，建議不少于1 h。

開(kāi)關(guān)電源宜采用組合式開(kāi)關(guān)電源，并具備分戶計(jì)量，二次下電功能，若后期還有新增直流負(fù)荷需求時(shí)，可將蓄電池充電時(shí)率做小調(diào)整，或新增開(kāi)關(guān)電源及蓄電池組，滿足用電容量增加的需求。

3.2 設(shè)備用電功耗確定

根據(jù)國(guó)內(nèi)主流廠商的無(wú)線、傳輸設(shè)備電氣指標(biāo)，結(jié)合未來(lái)用戶數(shù)量上升可能帶來(lái)的無(wú)線設(shè)備容量的增高而造成用電功耗的提升，最終綜合確定各個(gè)運(yùn)營(yíng)商不同網(wǎng)絡(luò)制式的設(shè)備功耗，供用電功耗預(yù)算[6]。

3.3 機(jī)房電源系統(tǒng)解決方案

直流供電系統(tǒng)：根據(jù)現(xiàn)有無(wú)線、傳輸相關(guān)專業(yè)使用的直流保障設(shè)備用電功耗，配置滿足各機(jī)房的-48 V/600 A組合式開(kāi)關(guān)電源，并根據(jù)后期根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展適當(dāng)預(yù)留容量。

交流供電系統(tǒng)：根據(jù)現(xiàn)有無(wú)線專業(yè)小端機(jī)房HUB柜、物業(yè)區(qū)機(jī)房設(shè)備、機(jī)房HUB柜等交流保障設(shè)備用電功耗，配置滿足各機(jī)房的容量的UPS，并根據(jù)后期網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展適當(dāng)預(yù)留容量。

交、直流系統(tǒng)蓄電池組：由于民用通信系統(tǒng)在地鐵系統(tǒng)中屬于附加系統(tǒng)，斷電對(duì)整個(gè)地鐵系統(tǒng)的安全不存在威脅，軌道方要求能滿足基本通信及人員疏散要求，原則上地鐵發(fā)生事故后，需在0.5 h內(nèi)疏散所有人員，另考慮民用通信機(jī)房承重、空間及投資的情況，故交流、直流系統(tǒng)的電池組備電時(shí)間至少按0.5 h配置，建議適當(dāng)延長(zhǎng)配置時(shí)長(zhǎng)。

3.4 隧道電源系統(tǒng)解決方案

隧道側(cè)RRU設(shè)備均為非保障交流設(shè)備，由民用通信機(jī)房?jī)?nèi)交流配電屏，接隧道內(nèi)配置交流配電箱，為各個(gè)節(jié)點(diǎn)所有RRU供電。隧道側(cè)電源系統(tǒng)采用380 V拉遠(yuǎn)，機(jī)房交流配電屏每個(gè)回路負(fù)責(zé)相鄰兩個(gè)斷點(diǎn)交流箱供電，相鄰兩個(gè)斷點(diǎn)交流箱采用不超過(guò)二級(jí)級(jí)聯(lián)方式。便于電量計(jì)量和供電保障。

4 傳輸設(shè)計(jì)方案

4.1 傳輸建設(shè)方案

每個(gè)地鐵站站外建立1個(gè)光交箱，用于將室外運(yùn)營(yíng)商的政企專線及基站傳輸信號(hào)引入地鐵內(nèi)，每個(gè)站廳臺(tái)內(nèi)分別再建設(shè)1個(gè)大機(jī)房和小端機(jī)房，用于傳輸設(shè)備的安裝和各個(gè)站點(diǎn)的傳輸聯(lián)絡(luò)組網(wǎng)，機(jī)房?jī)?nèi)建設(shè)配置ODF機(jī)柜和光交箱，用于本站廳臺(tái)的傳輸設(shè)備連接組網(wǎng)，站與站之間通過(guò)光纜連接，隧道內(nèi)左右線斷點(diǎn)處分別安裝監(jiān)理光交箱，用于隧道內(nèi)斷點(diǎn)之間傳輸設(shè)備的連接，最終形成系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)后掛傳輸設(shè)備的多少選擇芯數(shù)不同的光纜組網(wǎng)。

4.2 傳輸設(shè)備需求

傳輸設(shè)備系統(tǒng)規(guī)劃部，1主1備2套或以上匯聚層PTN傳輸設(shè)備，有效避免光纜同路由組環(huán)和匯聚節(jié)點(diǎn)單節(jié)點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，保障傳輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。每個(gè)接入車站節(jié)點(diǎn)各建設(shè)1套PTN接入層設(shè)備，依據(jù)整條地鐵線路站點(diǎn)數(shù)量多少規(guī)劃組成兩個(gè)以上獨(dú)立的環(huán)路，采用隔點(diǎn)組環(huán)的方式，組成多個(gè)小環(huán)網(wǎng)，充分保障傳輸路由的可靠性[7]。

4.3 傳輸容量測(cè)算

根據(jù)3家運(yùn)營(yíng)商提供的BBU數(shù)量、基站類型以及各自的帶寬需求，測(cè)算單環(huán)路最大峰值帶寬數(shù)量。同時(shí)考慮地鐵開(kāi)通后，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)人流量增加后，傳輸容量的新需求，兼顧技術(shù)演進(jìn)升級(jí)，提高經(jīng)濟(jì)效益，減少建設(shè)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于民用通信地鐵隧道覆蓋，在立項(xiàng)建設(shè)時(shí)要高屋筑瓴，做好系統(tǒng)全面的規(guī)劃和不同專業(yè)之間的協(xié)同，對(duì)于無(wú)線覆蓋重點(diǎn)考慮不同網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)間的干擾，對(duì)于電源設(shè)計(jì)重點(diǎn)做好站亭臺(tái)、隧道斷點(diǎn)之間電源的引入和二次分配以及容災(zāi)備份，對(duì)于傳輸規(guī)劃重點(diǎn)做好容量測(cè)算和環(huán)網(wǎng)保護(hù)規(guī)劃。