地鐵場景5G無線鏈路預(yù)算與優(yōu)化方案研究

唐 岱 孫正輝

1. 中國鐵塔股份有限公司江蘇省分公司；2. 中國移動通信集團(tuán)江蘇有限公司

0 引言

近年來，江蘇省城市軌道交通建設(shè)如火如荼，至“十四五”期末，江蘇城市軌道交通運(yùn)營里程有望超過1500公里。作為“新基建”重要組成部分，地鐵5G公網(wǎng)通信覆蓋項(xiàng)目總體投資預(yù)計(jì)可達(dá)10億元量級。

當(dāng)前地鐵場景5G公網(wǎng)覆蓋方案中，在隧道中使用四根全頻段漏纜進(jìn)行覆蓋，是性能最優(yōu)方案之一，也是各大運(yùn)營商的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。該方案可實(shí)現(xiàn)5G 4T4R MIMO，使得地鐵全線網(wǎng)絡(luò)速率達(dá)到千兆；此方案還能同時(shí)兼容三大運(yùn)營商的2/3/4/5G（C-band）系統(tǒng)，并將其中易產(chǎn)生互調(diào)干擾的系統(tǒng)進(jìn)行物理分隔，具備優(yōu)異的抗干擾能力。從長期看，其在超高話務(wù)量環(huán)境下的表現(xiàn)相對于雙纜和貼壁天線系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯。但也正因?yàn)槭褂盟母├|，導(dǎo)致綜合造價(jià)高于雙纜系統(tǒng)40%以上，投資規(guī)模較大。因此，控制地鐵5G公網(wǎng)覆蓋項(xiàng)目投資、提升項(xiàng)目收益率，對各大運(yùn)營商有重大意義。

在四根泄漏電纜系統(tǒng)基準(zhǔn)方案下，單小區(qū)泄漏電纜的最大長度直接決定了整個(gè)工程設(shè)備位置點(diǎn)（漏纜開斷點(diǎn)）的數(shù)量，也即決定了主設(shè)備及POI投資的大小、后續(xù)用電成本的高低，是影響投資收益的最關(guān)鍵因素。當(dāng)前，3.5G頻段無論泄露電的傳輸損耗還是自由空間傳播損耗都明顯高于2.6G頻段，在業(yè)務(wù)指標(biāo)要求相同的條件下，3.5G系統(tǒng)的性能是影響整個(gè)共享方案的瓶頸。

本研究通過理論分析及現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證給出實(shí)際允許最大開斷間距的結(jié)論，并給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以期降低建網(wǎng)投資，提升行業(yè)效益。

1 地鐵場景下的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算分析

1.1 鏈路預(yù)算基本模型

對于常規(guī)的無線信號傳播路徑，鏈路預(yù)算的基本模型可以描述為：PL=Pout-Sr。其中，Pout為發(fā)射端有效輸出功率，Sr為接收端最小接收電平，PL為最大允許路徑損耗，主要影響因素為由傳播模型決定的空間傳播損耗、人體損耗、NLOS場景下的穿透損耗、以及包括陰影衰落余量、干擾余量在內(nèi)的補(bǔ)償因子。

地鐵隧道場景的無線環(huán)境類似，分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基本一致，如圖1所示，無線信號傳播路徑相對確定（RRU-漏纜-車體-終端）?；诋?dāng)前3GPP R16現(xiàn)網(wǎng)場景下，以3.5G 100MHz四根泄漏電纜組成4T4R的基準(zhǔn)系統(tǒng)為例，對于下行鏈路，Pout僅與RRU單載波輸出功率有關(guān)；Sr僅與終端本身、下行業(yè)務(wù)要求有關(guān)；PL由于無線傳播路徑的確定性，在車體、終端位置一定的情況下，其取值也相對確定。同理，對于上行鏈路，Pout僅與UE能力相關(guān)，Sr僅與RRU和上行業(yè)務(wù)要求有關(guān)。

因此，以泄漏電纜綜合損耗為關(guān)注點(diǎn)，地鐵場景的無線鏈路預(yù)算可以調(diào)整為：PC=PS+Ga-Sr-Lp-M。其中PC為允許的泄漏電纜最大綜合損耗，PS為發(fā)射臺EIRP，Ga為發(fā)射端綜合增益，Sr為給定業(yè)務(wù)要求下的接收端最小接收電平（接收機(jī)靈敏度），Lp為車體穿透損耗，M為除車體穿透損耗外的全部綜合衰落余量。

1.2 模型存在的問題

在具體方案探討中，地鐵場景的無線鏈路預(yù)算模型的應(yīng)用存在以下兩大問題。

1.2.1 業(yè)務(wù)邊界條件不同

在地鐵場景4T4R條件下，運(yùn)營商對業(yè)務(wù)的要求一般有如下三種：DL速率100Mbps，UL速率1Mbps，下行RSRP -105dBm。針對這三種邊界條件，引用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對鏈路損耗進(jìn)行計(jì)算，如表1所示。

表1 基于傳統(tǒng)衰落參數(shù)的地鐵5G鏈路預(yù)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在業(yè)務(wù)要求邊界條件為RSRP -105dBm時(shí)，對漏纜的最大允許綜合損耗為89.85dB；而DL 100Mbps和UL 1Mbps條件下允許的綜合損耗均遠(yuǎn)高于RSRP條件下的綜合損耗。因此，運(yùn)營商業(yè)務(wù)要求中對漏纜系統(tǒng)允許的綜合損耗至關(guān)重要，江蘇省的運(yùn)營商仍習(xí)慣以RSRP作為業(yè)務(wù)要求。

1.2.2 綜合衰落余量參數(shù)取值存在爭議

（1）陰影衰落余量。在NLOS條件下，陰影衰落主要由移動臺被障礙物阻擋形成的陰影效應(yīng)引發(fā)，作為慢衰落的一種，在一般城區(qū)的宏站場景中可以取9dB。而在地鐵車廂場景內(nèi)，此參數(shù)是否應(yīng)該取值，應(yīng)當(dāng)取多少，存在爭議。主要有三種經(jīng)驗(yàn)值：0 dB、7 dB、9 dB。

（2）人體損耗。在3GPP TR 38.901 UMA模型中，終端高度設(shè)定為1.5 M，此時(shí)人體損耗主要由本體近端損耗和群體遮擋損耗構(gòu)成；在地鐵車廂場景下，人體損耗與人員姿勢、位置、群體密度均相關(guān)，而UMA模型并未給出損耗取值與群體密度、天線高度之間的關(guān)系。目前主要有三種經(jīng)驗(yàn)值：3 dB、5 dB、7 dB。

（3）車體穿透損耗。3GPP TR 38.901中描述了對于普通玻璃、紅外隔熱玻璃、水泥墻、木板的穿插損耗。地鐵車廂穿透損耗受車型、車體材質(zhì)（玻璃材質(zhì)）、玻璃和門窗面積、數(shù)量等因素的影響。由于車速較低（不超過120 km/h），不考慮多普勒效應(yīng)帶來的影響。3.5G頻段下有12 dB、15 dB、17 dB、18 dB、19 dB等多種經(jīng)驗(yàn)值。

（4）干擾余量。在宏站場景，干擾余量主要用于補(bǔ)償小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)易受鄰小區(qū)同頻干擾導(dǎo)致本小區(qū)實(shí)際有效覆蓋收縮。對于地鐵這種線狀覆蓋區(qū)域，同頻干擾能否等同于宏蜂窩場景存在爭議。目前主要有0 dB、2 dB、3 dB三種經(jīng)驗(yàn)值。

1.3 模型參數(shù)驗(yàn)證與校正思路

由于RSRP -105dBm作為業(yè)務(wù)邊界要求已基本達(dá)成共識，故主要面向下行鏈路中綜合衰落余量的取值通過現(xiàn)網(wǎng)測試進(jìn)行校正。車體穿透損耗可以通過隧道步測、車測對比來測定；人體損耗可以通過忙時(shí)與閑時(shí)對比來測定；陰影衰落余量可以通過改變終端位置來近似測定。

2 鏈路預(yù)算模型參數(shù)的驗(yàn)證與修正

2.1 測試方法

由于OTA測試的標(biāo)準(zhǔn)差往往較大，需采用多地、多次測試，增加樣本量，才能獲得相對準(zhǔn)確的結(jié)果。本次測試選取5條地鐵線路作為樣本。具體待測區(qū)間為：龍山梢——石門路（無錫地鐵3號線）、胥口——茅蓬路東（蘇州地鐵5號線）、師大云龍校區(qū)——中心醫(yī)院（徐州地鐵2號線）、文化宮——南大街（常州地鐵2號線）、張府園——三山街（南京地鐵1號線）。這些區(qū)間均具備至少2個(gè)以上開斷點(diǎn)、忙時(shí)人流較密的特點(diǎn)。

為確保測試數(shù)據(jù)有效、可比，所有測試終端均使用華為Mate30/P40系列；測試軟件統(tǒng)一為華為Probe/PHU；鎖定5G頻點(diǎn)；業(yè)務(wù)模式統(tǒng)一使用ping；記錄主用小區(qū)PCI、SS RSRP、SINR。

測試共分為五個(gè)步驟。

（1）夜間步測。運(yùn)營商小區(qū)關(guān)閉5G節(jié)能模式；測試人員手持終端，在軌行區(qū)內(nèi)靠漏纜一側(cè)步行，占用軌行區(qū)內(nèi)小區(qū)信號，取與行車方向相同的2次測試數(shù)據(jù)。簡稱A測。

（2）白天車測。話務(wù)閑時(shí)，測試人員坐姿位于列車第一節(jié)Tc車的中部、靠近漏纜的車窗邊，手持終端，確保占用的小區(qū)與軌行區(qū)內(nèi)測試時(shí)占用的小區(qū)一致，同方向進(jìn)行3次車測；列車啟動時(shí)開始記錄數(shù)據(jù)，列車進(jìn)站時(shí)停止。簡稱B測。

（3）白天車測。話務(wù)閑時(shí)，測試人員坐姿位于遠(yuǎn)離漏纜的車窗邊，其他與B測相同。簡稱C測。

（4）白天車測。話務(wù)閑時(shí)，測試人員站姿位于列車第一節(jié)Tc車與M（Mp）車車廂連接處，手持終端，確保占用的小區(qū)與軌行區(qū)內(nèi)測試時(shí)占用的小區(qū)一致，同方向進(jìn)行3次車測。簡稱D測。

（5）白天車測。話務(wù)忙時(shí)（早晚上下班高峰），其他與D相同。簡稱E測。

A測可得到本區(qū)間基礎(chǔ)覆蓋情況；B測與A測結(jié)果對比可以得出逼近真實(shí)車體損耗值；綜合B測、C測、D測可分析陰影衰落余量以及終端所處位置對終端接收性能的真實(shí)影響；E測與D測結(jié)果對比可得人體遮擋損耗的影響；E測與A測的結(jié)果對比可以逼近真正的綜合衰落情況。由于每條線路使用的列車均為同一生產(chǎn)批次，可以忽略每次測試時(shí)乘坐不同列車車廂的個(gè)體差異。

2.2 測試結(jié)果

對于同一個(gè)區(qū)間段內(nèi)的不同小區(qū)，測試結(jié)果RSRP最大時(shí)終端所在實(shí)際位置可基本精確代表開斷點(diǎn)位置。由于數(shù)據(jù)采樣密度為1秒/個(gè)，列車最高速度22 M/S，故車測RSRP最高點(diǎn)距實(shí)際開斷位置不超過22 M，對應(yīng)漏纜損耗為2.07 dB。本次測試全部取各小區(qū)RSRP最大值進(jìn)行分析，以每小區(qū)各測試組數(shù)據(jù)最大值的均值作為測試結(jié)果參與對比計(jì)算。

如圖1所示，隨著測試人員和列車的行進(jìn)，各小區(qū)RSRP隨終端與開斷點(diǎn)物理位置間距呈明顯的波浪變化。表2為無錫3號線測試結(jié)果數(shù)據(jù)示例。

表2 無錫地鐵3號線測試及對比計(jì)算結(jié)果匯總

圖1 無錫3號線龍山梢—石門路A測、B測RSRP-PCI撒點(diǎn)連接圖

2.3 分析與結(jié)論

對測試結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）不同的地鐵線路，車體損耗存在區(qū)別。

根據(jù)結(jié)果，南京地鐵1號線A型車的逼近車體損耗均值達(dá)23.35 dB，無錫3號線、蘇州5號線、徐州2號線車體損耗較為接近，均為19 dB左右，上下浮動1 dB；常州2號線逼近穿透損耗遠(yuǎn)小于其他三條使用B型車的線路，僅為7.92 dB。

（2）車廂內(nèi)損耗最小、最大的位置不固定。

根據(jù)除常州2號線外的四條線路、11個(gè)小區(qū)的B測、C測、D測結(jié)果，RSRP最強(qiáng)位置在D位的為8個(gè)，C位3個(gè)；D位最強(qiáng)占比達(dá)到72.7%。RSRP最弱位置B位7個(gè)，C位3個(gè)，D位1個(gè)，B位最弱達(dá)到63.6%?；诖?，車廂內(nèi)部RSRP最強(qiáng)處大概率為車廂連接處，最弱處大概率為車廂靠漏纜一側(cè)的座位。而車廂內(nèi)不同位置間RSRP差值基本不超過2dB，說明陰影衰落在車廂內(nèi)部效果很弱。

（3）車廂內(nèi)群體遮擋損耗取值與人流量關(guān)系密切，但最大不會超過5.6dB。

五條線路僅南京地鐵1號線早忙時(shí)人流密度能夠達(dá)到10人/平方米以上；根據(jù)D測、E測對比，逼近人體損耗均值為3.32 dB；對具體樣本進(jìn)行分析，D測RSRP樣本最強(qiáng)值與E測樣本最弱值的差值為5.6 dB。而其他線路人流量不超過3人/平方米，D測與E測結(jié)果之差的差值較小，甚至出現(xiàn)負(fù)值。因此可以認(rèn)為，對于人流密度極高的線路，需要考慮人體損耗，但不超過5.6 dB；人流量不大的線路則無需考慮。

（4）綜合衰落余量與車體耗損、人體損耗強(qiáng)相關(guān)，與陰影衰落和干擾余量弱相關(guān)。

本次測試表明，直接考慮綜合衰落余量，而不將其拆分，更能逼近實(shí)際情況。對于人流密度較低、采用B型車的線路，逼近綜合衰落余量不超過22 dB；對于人流密度較高、采用A型車的線路，逼近綜合衰落余量不超過27 dB。

所以，對于地鐵場景的5G鏈路預(yù)算，應(yīng)將和合并考慮；B型車典型取值為22 dB；A型車為27 dB。

3 基于修正模型的地鐵5G場景設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

3.1 常規(guī)四纜方案的開斷距離優(yōu)化

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)下，漏纜最大允許綜合損耗為89.85 dB，對應(yīng)綜合衰落余量總計(jì)為30 dB。應(yīng)根據(jù)車型和人流情況將衰落余量變更為22 dB或27 dB，此時(shí)漏纜最大允許綜合損耗為97.85 dB和92.85 dB。

根據(jù)2020年業(yè)界5/4全頻漏纜測試數(shù)據(jù)，80%以上的廠家漏纜百米傳輸損耗小于9.4 dB，耦合損耗小于68 dB，以此對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

考慮目前運(yùn)營商通常情況下A事件切換遲滯參數(shù)配置為2s，對應(yīng)列車運(yùn)行最高速度22 M/s，雙邊開斷需保留44 M切換帶。則在上述條件下，優(yōu)化模型對應(yīng)的開斷距離計(jì)算結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明，目前方案設(shè)計(jì)使用的420 M開斷距離過于保守。對于普通人流量的B型車線路，其雙邊開斷距離可以放至590 M；對于超高人流量的A型車線路，雙邊開斷距離也可以放至480M。

3.2 開斷距離優(yōu)化的現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證開斷距離能否放大，進(jìn)行了極限開斷覆蓋實(shí)驗(yàn)。選取無錫地鐵3號線下行方向碩放機(jī)場-長江南路段，如圖2所示，對開斷點(diǎn)71的主設(shè)備進(jìn)行閉鎖，形成長度為810 M的大開斷，評估開斷點(diǎn)70（PCI 863）的極限覆蓋性能。該區(qū)間長度較長，列車運(yùn)行至中央開斷點(diǎn)時(shí)近似保持勻速，便于計(jì)算車速和距離。

圖2 無錫地鐵3號線大開斷極限覆蓋測試示意圖

列車經(jīng)過開斷68后基本勻速，根據(jù)RSRP相對位置及時(shí)長可計(jì)算出運(yùn)行速度為20.9 M/S。經(jīng)過開斷點(diǎn)70，17-18 S后RSRP下降至-105 dBm以下，經(jīng)過20 S左右脫網(wǎng)，RSRP最低值-112 dBm。計(jì)算可得此時(shí)單邊開斷極限覆蓋距離約為333-355 M，脫網(wǎng)極限覆蓋距離約為390 M。考慮44 M的切換帶，RSRP -105 dBm雙邊開斷距離約為622 M。如考慮終端靈敏度、預(yù)留3dB余量，則雙邊極限開斷距離約為590.1 M。

3.3 方案優(yōu)化效益分析

以最新在建項(xiàng)目南通地鐵1號線（39.182 KM）公網(wǎng)覆蓋項(xiàng)目為例，目前方案開斷點(diǎn)179處，最大開斷450 m，平均開斷437 m；如進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大開斷提升至550 m，平均開斷提升至500 m左右，開斷點(diǎn)數(shù)量可降至156個(gè)，減少開斷點(diǎn)23個(gè)；以5G RRU 1.5萬元/臺、4G RRU 0.9萬元/臺、POI 0.45萬元/臺、三大運(yùn)營商每開斷6套系統(tǒng)計(jì)算，共投資193.2萬元；以共享折扣2*0.6成本加成計(jì)算，運(yùn)營商鐵塔服務(wù)費(fèi)節(jié)約58.24萬元（7年）。同時(shí)，運(yùn)營商每年可減少用電約96.7萬度電，約合64.4萬元。

以每公里地鐵分布系統(tǒng)減少0.58個(gè)開斷點(diǎn)，按每年新增1500公里地鐵分布系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目為例計(jì)算可知，運(yùn)營商每年節(jié)約主設(shè)備投資約5800萬元，鐵塔服務(wù)費(fèi)2230萬元（7年），節(jié)約電費(fèi)2436萬元；鐵塔節(jié)約投資約1580萬元。全行業(yè)每年可節(jié)約CAPEX+OPEX約1.01億元人民幣。

4 結(jié)束語

本研究討論了地鐵場景下5G鏈路預(yù)算參數(shù)取值的測定及地鐵公網(wǎng)覆蓋漏纜開斷設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化方法，通過江蘇省內(nèi)現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證使得鏈路預(yù)算取值更貼近實(shí)際，有效壓縮了基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值的設(shè)計(jì)方案帶來的冗余，從而節(jié)約了項(xiàng)目投資及運(yùn)營成本。如果進(jìn)一步擴(kuò)大測試范圍，選取更多不同類型的車型和線路，可形成適用范圍更加廣泛的參數(shù)取值優(yōu)化，從而為全行業(yè)帶來更加可觀的經(jīng)濟(jì)效益。