地鐵5G 覆蓋改造技術(shù)探討＊

［劉超正 詹寶容 庾錫昌］

1 引言

5G 商用后，5G 用戶和流量快速增長，至2021 年底5G 流量分流比已經(jīng)達到30%以上。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，全國各中大城市已經(jīng)基本實現(xiàn)了城區(qū)和中心鎮(zhèn)區(qū)全域覆蓋，5G 給運營商帶來了另一個業(yè)務(wù)增長點[1]，尤其在各大商場、車站、購物中心等業(yè)務(wù)熱點，5G 流量分流比甚至高達40%以上。東莞地鐵R2 線前期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對后期的網(wǎng)絡(luò)演進考慮不足，區(qū)間隧道POI 和泄纜不支持5G 網(wǎng)絡(luò)升級，導(dǎo)致地鐵場景的用戶無法使用5G 網(wǎng)絡(luò)從而減輕4G網(wǎng)絡(luò)的容量負(fù)荷，5G 用戶和業(yè)務(wù)量增長趨勢迅猛，2020年SA 網(wǎng)絡(luò)商用后，5G 用戶和業(yè)務(wù)量增長非?？?，至2021 年底東莞移動5G 用戶數(shù)達到300 萬，東莞移動全網(wǎng)月度5G 總流量達到6.9 萬TB，5G 流量分流比突破30%如圖1 所示。需要對地鐵室分和區(qū)間隧道覆蓋系統(tǒng)進行改造升級。

圖1 東莞移動5G 用戶數(shù)與5G 分流比趨勢圖

2 地鐵5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

2.1 站臺站廳的5G 覆蓋方案

覆蓋方案：站臺、站廳和出入口區(qū)域采用數(shù)字DIS 室分系統(tǒng)[2]，華為公司LampSite 解決方案如圖2 所示，區(qū)間隧道采用DAS+泄纜覆蓋。

圖2 東莞地鐵站臺站廳示意圖

LampSite 組網(wǎng)特點如下。

（1）部署方便，走線靈活，采用pRRU 集成模塊天線，組網(wǎng)方式靈活，精準(zhǔn)規(guī)劃覆蓋區(qū)間。

（2）實現(xiàn)4*MIMO，支持下行4 流，提高用戶吞吐率。

（3）支持通過軟件對邏輯小區(qū)范圍進行定義，如圖3 所示，最小小區(qū)可僅包含1 個pRRU，最大小區(qū)可包含96 個pRRU。各制式、同制式各載波間容量可獨立進行調(diào)整。靈活的根據(jù)容量需求，進行小區(qū)分裂、合并和調(diào)整。

圖3 數(shù)字化LampSite 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（4）所有網(wǎng)元端到端可監(jiān)控，與宏站共網(wǎng)管，無需單獨新建網(wǎng)管。

2.2 隧道區(qū)間的5G 覆蓋方案

2.2.1 地鐵場景容量估算

東莞地鐵的發(fā)車間隔最快為5 分鐘，在區(qū)間隧道范圍內(nèi)最多只有一輛列車的人員進行業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)需求，因此，采用5G 多頻數(shù)字光纖直放站按組網(wǎng)的容量與傳統(tǒng)RRU 在該距離內(nèi)設(shè)置多個小區(qū)的容量，其實際效果是一樣的（因為列車長度約為120 m，任意一個時刻都僅是對應(yīng)著一個小區(qū)容量）。

（1）人數(shù)估算

地鐵列車編組一般6 節(jié)車廂為一列，每車廂長度約20 m，每節(jié)車廂載客量150 人，6 節(jié)車廂編組，高峰時能容納1 400 人。

（2）用戶業(yè)務(wù)模型因素

考慮每業(yè)務(wù)用戶下行平均速率需求為2 Mbit/s 以上，用戶激活附著比為70%（即70%用戶處于激活態(tài)），連接態(tài)用戶業(yè)務(wù)并發(fā)率初期為30%。

（3）LTE 單載波可支持用戶數(shù)估算

中國移動用戶滲透率約為65%，根據(jù)前述地鐵隧道的車輛發(fā)車及車間距特點，計算LTE 網(wǎng)絡(luò)分配到每人的下載吞吐率大約只有2.6 Mbit/s 左右。

（4）開通5G 人均下行速率估算

地鐵部署5G 100 M 網(wǎng)絡(luò)后，地鐵5G 用戶比例約為30%，高峰時地鐵移動5G 用戶的平均速率=1 200/(1 400*0.3*0.7*0.65*0.3)=21 Mbit/s，5G 感知速率是LTE的接近8 倍。5G 分流后，高峰時地鐵移動4G 用戶的平均速 率=500/(1 400*0.7*0.7*0.65*0.3)=3.7 Mbit/s，4G 及5G頻率及單載波速率如表1 所示，LTE 感知速率提升42%。即開通5G 后，地鐵移動用戶的下行速率降得到40%至8倍的提升。

表1 中國移動頻率及載波速率

2.2.2 面臨的困難

原有的POI 系統(tǒng)沒有提供NR 接口，不支持5G 網(wǎng)絡(luò)演進，并且13/8 泄纜的最大截止頻率2.98 GHz[3]，不支持電信聯(lián)通3.5 G 以及大業(yè)務(wù)場景下4.9 G 的部署。需升級POI 模塊，增加5/4 泄纜支持更高頻段，改造和施工難度極高，影響現(xiàn)有的4G 和2G 網(wǎng)絡(luò)。

解決方案：

采用5G BBU+RRU+融合eCDS+射頻拉遠(yuǎn)組網(wǎng)方案如圖4 所示。

（1）機房信源：BBU 及2G、4G 和5G RRU 信源及eCDS 容量接入單元放置于通信機房，通過射頻耦合方式接入，使用光纖拉遠(yuǎn)。

（2）組網(wǎng)方式：2G、4G 和5G BBU+RRU+融合eCDS+天線進行覆蓋，隧道融合eCDS 設(shè)備按組網(wǎng)方式，統(tǒng)一采用天線覆蓋。

（3）天饋：沿線兩側(cè)采用板狀天線覆蓋。

2.2.3 eCDS 組網(wǎng)的優(yōu)點

（1）原有2G～4G 系統(tǒng)無需做任何改動，可沿用WIFI 位置點供電及光纖條件部署eCDS 設(shè)備的安裝位置如圖5 所示。

圖5 隧道射頻拉遠(yuǎn)單元

（2）支持多運營商2G～5G 多頻一體化融合方案如圖6 所示，支持68～4 900 MHz 頻段可選組合，每頻段輸出功率10 W/20 W/40 W/60 W 可選。

圖6 eCDS 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（3）一套eCDS 產(chǎn)品一次實施3 家2G～5G 網(wǎng)絡(luò)，無需POI。

（4）節(jié)省工程配套設(shè)施，無需重新拉電纜和光纜。

（5）快速部署，節(jié)省工程量。

“我還睡不著，不用管我，娘先睡吧?！卑娞稍诖采?，眼睛卻睜著。見兒子這么說，張大娘也不好多說什么，掩了門回到自己房里。

2.3 切換帶規(guī)劃

（1）站臺與隧道之間的切換

對于站臺隧道之間的切換，由于列車進出隧道口時，部分車廂瞬時速度（進站時第一節(jié)車廂和出站時最后一節(jié)車廂瞬時速度最高）能夠達到30～40 km/h，因此需要考慮設(shè)計足夠的站臺與隧道小區(qū)之間的重疊覆蓋區(qū)，以滿足正常切換的要求[4,5]。

解決方案：

列車進出站臺切換：因為站臺與隧道DAS 同頻覆蓋，DAS 系統(tǒng)與LampSite 同頻覆蓋可能由于波束不對齊，帶來slot 級干擾，因此建議隧道DAS 系統(tǒng)不覆蓋站臺，站臺全部由LampSite 覆蓋。設(shè)計2 個內(nèi)置天線型pRRU，分別部署在站臺候車區(qū)域靠近隧道口位置。NR 切換時長需要1 秒，以列車進出站臺最大運行時速40 km/h 計算，單邊切換帶長度最少需要11 m，建議設(shè)計20 m 的重疊覆蓋區(qū)，滿足列車進出站臺的切換要求如圖7 所示。

圖7 信號傳播模型

（2）出入口與宏站之間的切換

2.4 LampSite 與傳統(tǒng)DAS 系統(tǒng)的干擾解決方案

LampSite 室分開啟后，對傳統(tǒng)DAS 室分的SINR/MCS/下行速率影響較大。原因是傳統(tǒng)室分和新型室分共同組網(wǎng)的情況下，由于傳統(tǒng)室分和LampSite 室分波束及SSB 個數(shù)不對齊如圖8 所示，對傳統(tǒng)室分小區(qū)的個別slot產(chǎn)生干擾[6]。

圖8 波束干擾情況

解決方案如下。

（1）傳統(tǒng)室分和新型室分都采用擴展波束2，使波束個數(shù)保持一致、SSB 對齊。

（2）開啟多套OLLA，同時修改CSI 周期為slot80驗證CSI 是否干擾傳統(tǒng)室分，多套OLLA 設(shè)置如下：slot0使用1 套，slot7、10、17 一套，其他slot 一套。

多套OLLA 解決的是當(dāng)前基站版本下多種slot 類型（TRS slot、U2D slot、Sslot 等）共用一套OLLA，但不同slot 發(fā)送的數(shù)據(jù)不一樣，其解調(diào)性能是不一樣的?；€共用一套OLLA，會使得不同slot 共用HARQ 的ACK 和NACK 反饋，導(dǎo)致不同slot 間解調(diào)性能互相影響，從而導(dǎo)致子幀級IBLER 差異過大，OLLA 不收斂，從而影響到系統(tǒng)性能[7,8]。

該解決方案在東莞地鐵已驗證有效，CQT 實測峰值下載速率由627 Mbit/s 提升到997 Mbit/s，提升效果明顯。

3 方案驗證

通過對試點覆蓋車站站臺無線網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表2 所示和隧道區(qū)間無線網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表3 所示，RSRP 覆蓋率、切換成功率、下載速率、5G PRB 后臺底部噪聲等指標(biāo)的測試和監(jiān)測統(tǒng)計，各項指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，效果良好。

表2 站臺遍歷測試結(jié)果

表3 隧道區(qū)間拉網(wǎng)測試結(jié)果

系統(tǒng)上行底部噪聲干擾符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求如圖9所示。

圖9 改造后隧道干擾平均值

4 結(jié)論

東莞地鐵2 號線通過室分系統(tǒng)改造開通5G 網(wǎng)絡(luò)后，實測地鐵5G 覆蓋率達到99%以上，全程下載速率達到600 Mbit/s 以上，上網(wǎng)體驗良好。本文針對地鐵場景的覆蓋要求以及實際情況，提出站臺站廳采用新型數(shù)字化室分DIS 覆蓋、區(qū)間隧道采用集約化設(shè)備eCDS+射頻拉遠(yuǎn)單元的覆蓋方案，該方案經(jīng)濟投入較小，改造難度適中,施工過程中不影響原有的4G/2G 網(wǎng)絡(luò)，支持后期網(wǎng)絡(luò)擴容和網(wǎng)絡(luò)演進。通過合理規(guī)劃切換帶和參數(shù)方案規(guī)避新型室分對傳統(tǒng)DAS 室分系統(tǒng)的干擾，實踐測試驗證該方案效果良好，在全國地鐵舊線路可推廣使用。