民用通信地鐵5G覆蓋解決方案探討

舒 偉

（武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430205）

0 引言

近年來(lái)城市地鐵進(jìn)入5G時(shí)代后，低時(shí)延、高速率、大帶寬的5G網(wǎng)絡(luò)將為乘客帶來(lái)“飛一般”的網(wǎng)速體驗(yàn)，越來(lái)越多城市居民迫切要求乘坐地鐵時(shí)能體驗(yàn)到一個(gè)高效、 穩(wěn)定、安全的5G網(wǎng)絡(luò)。地鐵里早期建設(shè)的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的信息通信需求，加上地鐵一直以來(lái)都是運(yùn)營(yíng)商追逐高價(jià)值的場(chǎng)景，建設(shè)一套高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)的民用通信地鐵5G網(wǎng)絡(luò)將面臨重要考驗(yàn)，本文主要對(duì)地鐵場(chǎng)景特點(diǎn)、所面臨的挑戰(zhàn)及多場(chǎng)景的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)方案進(jìn)行探討。

1 地鐵場(chǎng)景特點(diǎn)

1.1 地鐵場(chǎng)景覆蓋特點(diǎn)

地鐵場(chǎng)景主要由站廳、站臺(tái)及隧道構(gòu)成，站廳和站臺(tái)為乘客購(gòu)票、候車的場(chǎng)所，面積較大、較開闊，隧道為矩形和圓形的封閉區(qū)間，窄長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，供列車行駛，地鐵里幾乎是外部無(wú)線信號(hào)的盲區(qū)。兩個(gè)相鄰地鐵站之間的距離一般從500 m至數(shù)千米不等，地鐵為雙向運(yùn)營(yíng)，分為上、下行運(yùn)行方向，隧道內(nèi)地鐵運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較快，地鐵最高運(yùn)行速度一般在60～80 km，進(jìn)站速度為30～40 km，站臺(tái)附近用戶移動(dòng)緩慢。地鐵內(nèi)用戶密度大，用戶流動(dòng)性強(qiáng),雖然單用戶的流量較低，但總用戶數(shù)較大，故總流量較高。站廳站臺(tái)場(chǎng)景空曠，容量密度高，站臺(tái)與隧道、站臺(tái)小區(qū)間由于覆蓋區(qū)域和類型不同易存在干擾。地鐵環(huán)境復(fù)雜、專業(yè)多，交叉作業(yè)頻繁，協(xié)調(diào)難度大、協(xié)調(diào)費(fèi)用高，施工質(zhì)量要求高，從而造成施工效率低下，綜合施工成本高[1]。

1.2 地鐵場(chǎng)景話務(wù)特點(diǎn)

作為重要的城市交通工具，地鐵的客流量非常大，特別是上下班高峰期，會(huì)有非常高的突發(fā)話務(wù)量，并且用戶主要需求的是語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

1.3 地鐵場(chǎng)景組網(wǎng)特點(diǎn)

目前運(yùn)營(yíng)的地鐵中，絕大多數(shù)線路已經(jīng)通過建設(shè)室分系統(tǒng)完成了2G/3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。覆蓋區(qū)域包括：站廳站臺(tái)區(qū)域和軌道沿線區(qū)域。

地鐵內(nèi)2G/3G/4G的信號(hào)覆蓋，站廳站臺(tái)區(qū)域一般由Lampsite和DAS系統(tǒng)覆蓋，隧道區(qū)域由泄漏電纜覆蓋。由于地鐵內(nèi)部狹小，地鐵分布式系統(tǒng)不做重復(fù)建設(shè)，基本以多運(yùn)營(yíng)商共建共享，多系統(tǒng)合路（POI）的方式進(jìn)行部署。

2 地鐵覆蓋的挑戰(zhàn)

2.1 高頻段覆蓋挑戰(zhàn)

四大運(yùn)營(yíng)商承載5G網(wǎng)絡(luò)的頻段分別為：中國(guó)移動(dòng)獲 取2.6 GHz頻 段（2 515～2 675）MHz、4.9 GHz頻段（4 800～4 900）MHz，中國(guó)電信獲取3.5 GHz頻段（3 400～3 500）MHz，中國(guó)聯(lián)通獲取3.5 GHz頻段（3 500～3 600） MHz，中國(guó)廣電獲取4.9 GHz頻段（4 900～5 000）MHz和低頻段700 MHz。

目前地鐵車站室內(nèi)無(wú)源室分系統(tǒng)所使用的無(wú)源器件都不支持2 700 MHz以上頻段，需進(jìn)行單獨(dú)采購(gòu)，隧道內(nèi)使用的13/8漏纜僅支持頻段（800～2 700）MHz接入，故只能滿足移動(dòng)2.6 GHz頻段的網(wǎng)絡(luò)接入，無(wú)法滿足電聯(lián)3.5 GHz頻段網(wǎng)路的接入。

2.2 多系統(tǒng)合路挑戰(zhàn)

地鐵無(wú)線覆蓋工程絕大部分都采用多運(yùn)營(yíng)商、多系統(tǒng)合路共享，因而存在一定風(fēng)險(xiǎn)（如：電信和聯(lián)通LTE的1 800 MHz頻段非常接近，多頻合路器POI制作難度較大，需要雙方協(xié)商保證頻段之間大于5 MHz，才能滿足合路器POI的隔離度要求），需謹(jǐn)慎論證并予以規(guī)避[2]。

2.3 設(shè)備功耗提升挑戰(zhàn)

5G單站功耗是4G單站的2.5～3.5倍，設(shè)備功耗的增加是5G功耗增加的主要原因。設(shè)備功耗的大幅度提升，相應(yīng)的電源配套也需進(jìn)行擴(kuò)容，也意味著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資的增加。

為了考慮5G設(shè)備用電需求，地鐵民用通信系統(tǒng)機(jī)房用電容量需求需要增加到100～120 kW。

2.4 隧道覆蓋挑戰(zhàn)

無(wú)線信號(hào)在隧道場(chǎng)景中傳播容易產(chǎn)生快衰落，地鐵運(yùn)行速度較快，小區(qū)間會(huì)頻繁切換，加上地鐵列車車體、站臺(tái)兩側(cè)安全屏蔽門對(duì)無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的屏蔽，用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)必然急劇下降，需要考慮無(wú)線信號(hào)切換區(qū)域和衰減問題；隧道內(nèi)空間狹小，漏纜布放數(shù)量受到限制，需要協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)商將多制式系統(tǒng)合路部署；隧道內(nèi)有大的彎曲路段，給覆蓋帶來(lái)較大困難，需要考慮隧道內(nèi)漏纜覆蓋方案及設(shè)備供電、安裝等問題。

3 地鐵組網(wǎng)總體解決方案

地鐵車站通常采用多網(wǎng)融合共建的建設(shè)模式，通過無(wú)源室內(nèi)分布雙路系統(tǒng)覆蓋，即采用“信源+POI+無(wú)源器件+室分天線”的模式。因該系統(tǒng)不支持3.5 GHz頻段，且無(wú)法滿足4×4 MIMO的5G需求，故不建議采用該模式建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。

5G網(wǎng)絡(luò)可采用有源室分（數(shù)字化分布式皮站）的建設(shè)模式。為了保證5G高速率的傳輸，5G數(shù)字化分布式皮站全部采用4T4R的pRRU設(shè)備對(duì)車站進(jìn)行覆蓋，并且兼容3G/4G網(wǎng)絡(luò)。該模式可實(shí)現(xiàn)末端監(jiān)控，但設(shè)備功耗大，可靠性低于無(wú)源系統(tǒng)，且在網(wǎng)產(chǎn)品不支持三家運(yùn)營(yíng)商各系統(tǒng)共建共享，需要每家運(yùn)營(yíng)商單獨(dú)部署一套系統(tǒng)或兩家運(yùn)營(yíng)商共享部分系統(tǒng)。

考慮覆蓋的均勻性，地鐵隧道采用泄漏電纜覆蓋的建設(shè)模式，即采用“信源+POI+泄漏電纜”的模式，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行小區(qū)合并，降低干擾和切換重選頻次。

3.1 車站覆蓋解決方案

地鐵車站一般包括站廳層和站臺(tái)層，根據(jù)站廳層的結(jié)構(gòu)情況，在站廳層公共區(qū)域及出入通道口使用吸頂天線交叉布放的方式進(jìn)行覆蓋，天線覆蓋范圍20～30 m[3]。

站臺(tái)區(qū)域是話務(wù)需求最高的核心區(qū)域，可采用數(shù)字化分布式皮站覆蓋，但應(yīng)注意隧道與站臺(tái)的同頻干擾及列車進(jìn)出站時(shí)的快速切換的問題。為了保障乘客們體驗(yàn)一個(gè)高效、穩(wěn)定、安全的網(wǎng)絡(luò)，站臺(tái)與隧道小區(qū)之間應(yīng)設(shè)計(jì)足夠的信號(hào)重疊覆蓋區(qū)。

站廳區(qū)域?qū)τ谛陆▓?chǎng)景需同步考慮4G的容量需求，選擇合適的5G數(shù)字化分布式皮站產(chǎn)品，考慮傳輸容量及拉遠(yuǎn)距離影響可合理選擇光電復(fù)合纜方式。對(duì)于改造場(chǎng)景為了不影響4G現(xiàn)網(wǎng)容量，建議有條件的話可單獨(dú)部署5G單模數(shù)字化分布式皮站系統(tǒng)或者5G業(yè)務(wù)需求不高時(shí)基于現(xiàn)有DAS系統(tǒng)升級(jí)改造。

出入口區(qū)域與普通的室內(nèi)覆蓋場(chǎng)景比較接近，主要是慢速移動(dòng)用戶。天線點(diǎn)位的規(guī)劃設(shè)計(jì)，可以參考類似商場(chǎng)和寫字樓場(chǎng)景。

3.1.1 覆蓋原則

車站一般根據(jù)不同區(qū)域場(chǎng)景采用多元化覆蓋方式（無(wú)源室分+有源室分），充分發(fā)揮設(shè)備特性。

站廳公共區(qū)及站臺(tái)區(qū)域一般比較開闊，無(wú)墻體阻擋，無(wú)源室分的天線間距可設(shè)置為15 m左右，有源室分的設(shè)備或天線間距可設(shè)置為30 m左右。

站廳辦公及機(jī)房區(qū)域一般房間密集，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)源室分的天線間距設(shè)置為12 m左右，有源室分的設(shè)備或天線間距設(shè)置為25 m左右；重要的辦公室、會(huì)議室、更衣室等，采用天線進(jìn)房間覆蓋。

站廳出入口無(wú)障礙電梯覆蓋基本都設(shè)置對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行覆蓋，保證與室外信號(hào)的良好切換。

3.1.2 覆蓋方案

車站5G無(wú)線覆蓋建議采用有源室分（數(shù)字化分布式皮站）方式，各運(yùn)營(yíng)商的5G無(wú)線覆蓋采用獨(dú)立方式建設(shè)。該系統(tǒng)由位于后端的BBU設(shè)備及位于前端的rHUB+pRRU設(shè)備組成，前端的rHUB通過光電混合纜連接pRRU，連接控制距離約為200 m；通過網(wǎng)線（CAT6A）連接時(shí)，連接控制距離約為100 m。

5G網(wǎng)絡(luò)需要通過大規(guī)模天線（Massive MIMO）等技術(shù)措施支撐其高速數(shù)據(jù)接入，5G數(shù)字化分布式皮站采用了大規(guī)模內(nèi)置天線結(jié)構(gòu)，因此5G網(wǎng)絡(luò)室分系統(tǒng)暫無(wú)法通過類似于傳統(tǒng)的POI方式合路各運(yùn)營(yíng)商5G信源設(shè)備。三家運(yùn)營(yíng)商需在5G通信服務(wù)區(qū)域各自新建1套5G網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)合運(yùn)營(yíng)商共建共享的思路，地鐵站廳站臺(tái)公共區(qū)為乘客換乘和滯留等待的區(qū)域，人流量大、業(yè)務(wù)量高，一般采用有源室分（數(shù)字化分布式皮站）進(jìn)行覆蓋承載4G/5G網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)源室分進(jìn)行單路承載2G/3G網(wǎng)絡(luò)。站廳站臺(tái)設(shè)備區(qū)及辦公區(qū)內(nèi)隔斷多，設(shè)備機(jī)房多，主要為地鐵內(nèi)部人員工作活動(dòng)場(chǎng)所，一般人員較固定，人流量小，業(yè)務(wù)量低，且對(duì)話務(wù)及流量負(fù)荷要求相對(duì)較低，一般采用無(wú)源室分進(jìn)行雙路承載2G/3G/4G/5G。

3.1.3 小區(qū)劃分設(shè)置原則

考慮系統(tǒng)容量、人流量，一般站臺(tái)站廳各劃分兩個(gè)小區(qū)，一共四個(gè)小區(qū)。對(duì)于人流量大的換乘站，則根據(jù)實(shí)際需求增加小區(qū)。如一個(gè)覆蓋區(qū)域需要?jiǎng)澐謨蓚€(gè)小區(qū)，站臺(tái)站廳同層，則根據(jù)人流（話務(wù)量）平均劃分。

站廳層小區(qū)主要覆蓋站廳層公共區(qū)域，扶手電梯等；站臺(tái)層小區(qū)主要覆蓋站臺(tái)層公共區(qū)域，端頭門內(nèi)區(qū)域（列車進(jìn)出站切換覆蓋），扶梯，步梯上下層切換覆蓋等。

站廳信號(hào)覆蓋小區(qū)設(shè)計(jì)由于站廳層為公共區(qū)域，人流量大，乘客停留時(shí)間短，一般劃分為1～2個(gè)通信小區(qū)，切換帶設(shè)置站廳中間左右切換。

站臺(tái)信號(hào)覆蓋小區(qū)設(shè)計(jì)由于站臺(tái)層為乘客候車區(qū)，普通站臺(tái)內(nèi)一般乘客停留時(shí)間較長(zhǎng)，劃分為2個(gè)通信覆蓋小區(qū)，切換帶設(shè)置站臺(tái)中間左右切換。若為換乘站或人流量巨大的車站則劃分為2～4個(gè)通信小區(qū)，切換帶設(shè)置站臺(tái)中間左右切換。

3.2 隧道覆蓋解決方案

地鐵隧道的網(wǎng)絡(luò)覆蓋完全有別于車站，其環(huán)境相對(duì)封閉，空間狹窄，安裝位置有限，人員密度大且車速較快。為了滿足4×4 MIMO的5G需求，最多可安裝4條泄漏電纜進(jìn)行覆蓋，泄漏電纜主要通過漏纜的輻射從列車車窗輻射至列車中，理想的掛高為離軌面2.0～3.0 m,正對(duì)列車車窗，損耗可控，用戶感知較好。

5G網(wǎng)絡(luò)在隧道內(nèi)的覆蓋方式與傳統(tǒng)無(wú)線覆蓋方式基本相同，即采用“5G-RRU+POI+泄漏電纜”方式。三家運(yùn)營(yíng)商在地下隧道內(nèi)站點(diǎn)位置各自設(shè)置5G-RRU設(shè)備，并通過POI合路設(shè)備共享隧道內(nèi)漏纜。

根據(jù)各廠家泄漏電纜指標(biāo)特性、各類損耗對(duì)無(wú)線系統(tǒng)的影響及鏈路預(yù)算[4]的要求，可選用損耗略低的5/4泄漏電纜承載5G網(wǎng)絡(luò)。

3.2.1 2根13/8漏纜 +2根5/4漏纜建設(shè)方案

（1）中 國(guó) 移 動(dòng)5G共 享13/8漏 纜，中 國(guó) 移 動(dòng)2G/3G/4G/5G、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的3G/4G共享（800～2 700）MHz的13/8漏纜，采用5G合路器POI+13/8漏纜雙纜覆蓋，電聯(lián)5G共享（3 300～3 600）MHz高頻優(yōu)化的5/4漏纜雙纜覆蓋，三家運(yùn)營(yíng)商隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)2T2R的傳輸。如圖1所示。

圖1 中國(guó)移動(dòng)5G共享13/8漏纜示意圖

優(yōu)點(diǎn)：覆蓋效果有保障，13/8漏纜損耗較小，設(shè)備投入相對(duì)較少。

缺點(diǎn)：需足夠的安裝空間，建設(shè)投資高；中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通共同投資兩條5/4漏纜，分?jǐn)偝杀据^高；三家運(yùn)營(yíng)商只能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)2T2R傳輸，對(duì)傳輸速率有一定的影響，用戶5G業(yè)務(wù)體驗(yàn)較差。

（2）中國(guó)移動(dòng)5G共享5/4漏纜，三家運(yùn)營(yíng)商的2G/3G/4G共享（800～2 700）MHz的13/8漏纜，采用4G合路器POI+13/8漏纜雙纜覆蓋，三家運(yùn)營(yíng)商的5G共享（700～3 600）MHz的5/4漏纜，采用5G合路器POI+5/4全頻段漏纜雙纜覆蓋，三家運(yùn)營(yíng)商隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)2T2R的傳輸。如圖2所示。

圖2 中國(guó)移動(dòng)5G共享5/4漏纜示意圖

優(yōu)點(diǎn)：覆蓋效果有保障，13/8漏纜損耗較小，設(shè)備投入相對(duì)較少。對(duì)比（1）方式，5/4漏纜三家運(yùn)營(yíng)商共建共享，分?jǐn)偝杀据^低。

缺點(diǎn)：需足夠的安裝空間，建設(shè)投資略高；三家運(yùn)營(yíng)商只能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)2T2R傳輸，對(duì)傳輸速率有一定的影響，用戶5G業(yè)務(wù)體驗(yàn)較差。

3.2.2 4根5/4漏纜建設(shè)方案

三家運(yùn)營(yíng)商2G/3G/4G/5G共享（700～3 600）MHz的5/4漏纜，采用全頻段5G合路器POI+4根5/4全頻段通信漏纜[5]方式進(jìn)行覆蓋，隧道內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)4T4R傳輸。為避免不同制式無(wú)線信號(hào)的干擾，考慮MIMO部署，采用上下行分布系統(tǒng)分開布放，5G系統(tǒng)采用4T4R的方式。2G/3G/4G/5G可靈活選用所承載的漏纜，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)配漏纜承載系統(tǒng)的組合方式，將網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)最優(yōu)化。如圖3所示。

圖3 4根5/4漏纜建設(shè)方案示意圖

優(yōu)點(diǎn)：三家運(yùn)營(yíng)商均能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)4T4R傳輸，傳輸速率較快，覆蓋效果有保障。

缺點(diǎn)：需足夠的安裝空間，建設(shè)投資非常高；5/4漏纜對(duì)各運(yùn)營(yíng)商高低頻段的損耗差異較大，設(shè)備覆蓋區(qū)域距離較短，故設(shè)備投入相對(duì)較多；5/4漏纜承載系統(tǒng)較多，系統(tǒng)間干擾難控制。

3.2.3 2根5/4漏纜建設(shè)方案

三家運(yùn)營(yíng)商2G/3G/4G/5G共享（700～3 600）MHz的5/4漏纜，采用全頻段5G合路器POI+2根5/4全頻段通信漏纜方式進(jìn)行覆蓋，隧道內(nèi)能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)2T2R傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：建設(shè)投資較低，有限隧道空間內(nèi)快速接入5G網(wǎng)絡(luò)，覆蓋效果有保障，尤其適合無(wú)空間安裝多根漏纜的隧道場(chǎng)景。

缺點(diǎn)：5/4漏纜承載系統(tǒng)較多，系統(tǒng)間干擾難控制；隧道內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)4T4R傳輸，傳輸速率有一定的影響，用戶5G業(yè)務(wù)體驗(yàn)較差。

3.2.4 2根13/8漏纜+2副高增益定向天線建設(shè)方案

中國(guó)移動(dòng)2G/3G/4G/5G、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通3G/4G共享（800～2 700）MHz的13/8漏纜，采用5G合路器POI+13/8漏纜雙纜覆蓋，中國(guó)移動(dòng)隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)2T2R傳輸；電聯(lián)使用5G-RRU+ 4T4R高增益定向天線覆蓋，中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)4T4R傳輸。如圖4所示。

圖4 2根5/4漏纜建設(shè)方案示意圖

圖5 13/8雙漏纜+高增益定向天線建設(shè)方案示意圖

優(yōu)點(diǎn)：建設(shè)投資相對(duì)低；中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)4T4R傳輸，傳輸速率快；由于 13/8漏纜損耗較小，故設(shè)備投入相對(duì)較少，施工效率高，適合無(wú)空間安裝多根漏纜的隧道場(chǎng)景，特別是存量地鐵5G改造場(chǎng)景。

缺點(diǎn)：電聯(lián)5G覆蓋電平波動(dòng)有點(diǎn)大，覆蓋效果難以保障；中國(guó)移動(dòng)僅能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)2T2R傳輸，傳輸速率受影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了保障用戶良好的5G業(yè)務(wù)體驗(yàn)，對(duì)于民用通信地鐵5G網(wǎng)絡(luò)新建項(xiàng)目，車站區(qū)域應(yīng)采用有源+無(wú)源室分的多元化覆蓋方式，隧道區(qū)域應(yīng)采用5/4全頻段泄漏電纜四纜覆蓋方式，避免后期再次改造；對(duì)于民用通信地鐵5G網(wǎng)絡(luò)改造項(xiàng)目，車站區(qū)域應(yīng)采用重新補(bǔ)建一套5G有源室分的覆蓋方式，隧道區(qū)域應(yīng)根據(jù)場(chǎng)景特點(diǎn)、原有覆蓋方式，并結(jié)合運(yùn)營(yíng)商的投資需求，綜合考慮工程建設(shè)難易程度來(lái)選擇最合適的建設(shè)方案。