5G地鐵信號覆蓋方案研究

摘 ?要：隨著現代通信技術的不斷革新，人們日常生活的便捷程度也在不斷提升，同時我們的生活、城市的規劃和現代通信網絡之間的關聯也越來越緊密。5G技術作為時下的研究熱點，已開始進入人們日常的生活中，隨著研究人員對于5G技術的不斷深入了解，相關應用的不斷創新與普及，必將引發人們對通信需求的爆發式增長。因此，文章對地鐵通信5G技術的覆蓋方案進行了探討。

關鍵詞：5G站臺;地鐵隧道;信號覆蓋

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0064-03

Abstract：With the continuous innovation of modern communication technology，the convenience of peoples daily life is also improving. At the same time，our lives，urban planning and modern communication networks are becoming more and more closely related. As a current research hotspot，5G technology has begun to enter peoples daily lives. With peoples in-depth understanding of 5G technology，the continuous popularization and innovation of applications will inevitably trigger an explosive growth in peoples demand for communications. Therefore，here is a brief discussion on the coverage plan of subway communication 5G technology.

Keywords：5G platform;subway tunnel;signal coverage

0 ?引 ?言

在國家“提速降費”的要求下，近年來各大運營商開始推出大流量套餐，甚至不限流量的套餐，從而惠及用戶，數據流量的需求也得以釋放，伴隨抖音等應用程序的增多，通信網絡在人們的生活中越來越重要，4G網絡越來越難滿足人們對移動通信網絡更大容量、更低時延的需求。截止到2019年4月，全國超過38個城市擁有地鐵。并且許多大城市，如北京、上海、深圳等擁有十數條地鐵線路。地鐵又是我國主要的交通工具，乘坐地鐵的過程中人們對于通信網絡的需求也越來越強烈，用于地鐵覆蓋的4G基站均是運營商高流量、超高流量的站點，因此地鐵的5G信號覆蓋，將直接影響運營商在消費者心目中的形象，意義重大。作為中國通信基礎設施服務企業中國鐵塔的一員，筆者深入了解并持續研究5G地鐵覆蓋技術，并提出方案以供參考。

1 ?地鐵的結構特點

地鐵通信的覆蓋范圍一般包括整個地鐵建筑，主要由站廳、站臺、隧道組成。這三個部分對信號的需求不同，因此提升了了通信覆蓋區域的復雜性。站廳通常在地下一層，空曠，屬于密閉空間層;站臺通常在地下二層，與隧道相接，上下班高峰期人流量密集;地鐵大部分時間均在隧道中運行，隧道狹長，當地鐵通過時，隧道內剩余空間很小。

雖然5G信號傳輸速度快，延遲時間短，容量大，但其頻段高，波長短，覆蓋范圍小，穿透能力差，因此在復雜環境的軌道交通建設中，地鐵5G信號覆蓋工作將面臨更大的挑戰。

2 ?地鐵通信的需求

地鐵結構復雜，因此對通信的構建需求和質量要求高，特別是5G通信。地鐵通信需求的特點為：

（1）上下班時間是地鐵最繁忙的時段，班次增多，人流量暴增，因此高峰期和低谷期存在巨大的需求差異;

（2）5G信號的波長短，穿透能力差，因此在隧道中傳播以及穿過地鐵車體時會產生嚴重的信號衰減;

（3）地鐵包括了站廳、站臺和隧道，場景復雜，對通信的切換能力要求較高;

（4）地鐵通信是多個運營商共同建造使用，空間小，運行系統多，容易產生相互干擾;

（5）地鐵民用通信和專用通信要互相隔離，互不串擾，在保證專用通信質量的基礎上構建良好的民用通信。

3 ?地鐵5G通信建設的覆蓋方案討論

由于地鐵空間的復雜性，因此地鐵的站廳、站臺和隧道內的信號覆蓋方式不同。站廳、站臺和傳統的室內信號覆蓋的場景相似，需要滿足如下的幾個基本設計原則，部署方便、覆蓋范圍廣、容量大等。綜合考慮，通常是在空曠寬闊區域的頂層安裝，如站廳層、站臺層、辦公室等區域。而隧道內空間狹小，列車經過時，不但擠占了絕大部分空間，并且產生的風壓效應也會增大5G通信建設的困難。

3.1 ?站臺、站廳的覆蓋方案

在站臺、站廳的通信覆蓋建設前，各運營商要確定其通信系統的信源設備，如宏蜂窩、微蜂窩、分布式基站等。移動的5G通信網絡頻段是2.6 GHz，電信和聯通的5G是3.5 GHz。傳統4G的覆蓋方法大多數是采用DAS系統（饋線、無源器件、室內天線、分布式天線等）。市面上的DAS支持的頻段范圍為800 MHz ～2 700 MHz，因此雖然可以支持移動5G，但無法支持電信和聯通的5G。因此，改造是不可避免的。

對于移動的5G通信，現有的設備可以支持其5G頻段，能4G和5G合路，而聯通和電信則無法使用現有設備。即使可以合路，由于5G信源功率要求高，達160 W，而現有設備無法達到要求，因此需要多路信源疊加，增加了復雜度，并且無源分布式天線在不同通信頻段（5G、4G、3G、2G）的調試復雜，因此改造或新建5G網絡多數采用分布式室內系統（Digital indoor system，DIS）。將傳統的1T1R、2T2R改造為4T4R。

3.2 ?隧道內的覆蓋方案

由于隧道內空間狹小，且列車通過時有強烈風壓，因此隧道內是不能使用分布式天線作為通信方式的。目前地鐵隧道內普遍采用的是通過泄漏電纜進行隧道內的全覆蓋。傳統4G通信，隧道內泄漏電纜多為2根，而在5G建設中，為了實現5G通信的傳輸速度快，延遲時間短，容量大等特點，為了支持4×4 MIMO，需要建設4根泄漏電纜供三大運營商使用。同時為了保證三個運營商的公共無線信號能夠在地鐵空間內覆蓋，POI的頻段選擇需要綜合考慮。表1是三大運營商的頻率劃分，從表中可知，地鐵隧道內的POI應選擇在800 MHz～3 600 MHz之間。

為了方便隧道內設備的安裝和安全并且提高隧道內的信號覆蓋效果，建議將泄漏電纜的高度設在與列車車窗的中部等高處，并采用卡具方式固定，卡具間隔宜為1.0 m～1.3 m，其中每隔10 m～15 m設置1個防火卡具;在無襯砌隧道內，漏泄電纜采用角鋼支架和鋼絲承力索加卡具方式架設，吊具間隔宜為1.0 m～1.3 m，其中每隔10 m～15 m設置1個防火卡具。如圖1所示。

由于地鐵內的信覆蓋是存在多樣性的，站臺與隧道的信號覆蓋方式不同。乘客在上下車時，移動信號需要發生切換。通常有如下幾種設計方案，如圖2所示，需要根據設計需求，選擇最合適的方案進行設計。

方案1：隧道內的泄漏電纜鋪滿整個地鐵線路，包括站臺候車點。結果會導致站臺候車點因此會存在兩種信源，泄漏電纜和DIS信源，互相存在干擾，但可通過設備功率優化控制;

方案2：隧道內的泄漏電纜鋪滿整個地鐵線路，包括站臺候車點，但站臺的DIS信源安放在隧道內，結果同樣會導致站臺存在兩種信源，互相存在干擾，信號強度接近難以控制;

方案3：隧道內由泄漏電纜覆蓋，站臺由DIS信源覆蓋，在兩者交匯處，有狹小區域使信號切換，存在切換不成功的現象;

方案4：隧道內由泄漏電纜覆蓋，站臺由DIS信源覆蓋并且DIS信源安放在隧道，在兩者交匯處，有充足區域使信號切換，但是可能導致站臺、站廳的信號強度降低;

因此，建議正常地鐵建設優先選用方案1，其次選擇方案4。

3.3 ?切換

在地鐵覆蓋中主要存在站臺與隧道間的切換、隧道中兩小區之間的切換、列車出入隧道與室外小區的切換。

3.3.1 ?站臺與隧道間的切換

由于在隧道和車站部分采用不同的建設方式和信源小區進行覆蓋，乘客在上下車時，移動臺將接收到不同小區的信號，需要發生信號切換，如圖3所示，在這個過程中由于車速較慢，重疊覆蓋區域在滿足切換時長要求的情況下，越小越好。

3.3.2 ?隧道中兩小區之間的切換

在隧道中運行列車上的移動臺在隧道中隨車輛移動時，通過來自不同基站信號的交會處時將會發生信號切換，如圖4所示，由于車速較快，重疊覆蓋區域應滿足車速×切換時長×（1+余量）。

3.3.3 ?列車出入隧道與室外小區的切換

列車出隧道的過程中，其信號強度變化是隧道內信號迅速減弱，隧道外信號迅速增強的過程;列車入隧道的過程中，其信號強度變化是隧道內信號迅速增強，隧道外信號迅速減弱的過程，出入隧道其切換區不足會造成切換失敗，通常在隧道口泄漏電纜末端增加兩幅定向板狀天線對隧道出口方向進行覆蓋，與外部蜂窩基站形成足夠重疊區，達到切換的目的。

重疊覆蓋區域同樣應滿足車速×切換時長×（1+余量），但距離不能太長，必須控制信號外泄，避免對隧道外的室外宏站覆蓋區造成干擾。出隧道時隧道內外場強電平變化曲線如圖5所示。

3.4 ?干擾

在制定軌道交通隧道覆蓋方案過程中，干擾分析能有效提升信號質量，降低并有效控制干擾值，確保公網與專網能同時正常工作且相互又無影響。

在地鐵覆蓋系統的建設和使用過程中，通常主要存在以下幾種干擾：同、鄰頻干擾，雜散干擾，接收機阻塞干擾，接收機互調干擾。軌道交通系統位于信號純凈的地下，只要做好相應的頻率規劃即可消除同鄰頻干擾，但軌道交通通信系統為多個頻段使用同一天饋分布系統，這樣就使雜散干擾、接收機阻塞干擾、接收機互調干擾更加突出。為了盡量減少干擾的影響，并保證足夠的收發隔離度，一方面在POI內加濾波器增加電路隔離，另一方面發射天線與接收天線分開接入兩條漏纜，增加空間隔離;控制設備功率，避免互調干擾。

4 ?結 ?論

本文針對5G信號在地鐵中的覆蓋進行了簡單的解析，探討了5G信號在地鐵覆蓋中存在的技術難點和解決方案，隨著5G通信的成熟發展來來的日益增大的上行下載速度，在條件允許情況下4×4 MIMO方案是一個良好的選擇，泄漏電纜和DIS的分段信號分布能夠在有效降低成本的同時，提高地鐵隧道的通信容量和質量。

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作者簡介：龔璐（1987.11—），男，漢族，重慶永川人，通信工程師，本科，研究方向：民用通信、5G建設及應用。