封閉場景下高鐵站臺商用信號覆蓋的優化提升

祁 星 董 姌 劉永平 段 萌

(中國移動通信集團設計院有限公司北京分院，北京 100038)

0 引 言

隨著人們生活方式的轉變，高鐵已是人們最常用的交通方式之一，高鐵車站民用信號網絡覆蓋是彰顯運營商網絡競爭優勢、提升用戶體驗感知的重要場景，特別是自皮基站問世以來，以其部署方便、可視化管理、容量提升等優勢受到此類交通樞紐的青睞，在站臺場景下，客戶集中度高、業務流量大，提供優質的網絡覆蓋服務可使乘客在乘車過程中享受極致的網絡速率體驗，進一步提升運營商服務品質，擴大社會影響力.

1 覆蓋現狀與場景特征

皮基站主導的新型室內分布與定位系統支持多制式、多載波信號饋入，可以提升至少一倍以上的網絡容量，增強型數字化業務能力可實現全數字化運維，根據運營商以及網絡不同階段需求，完成網管靈活配置和動態容量調配，近年來中興的Qcell系列、華為LampSite系列皮基站產品在高鐵車站場景中獲得了主流應用，尤其是移動的GSM到FDD的平滑過度和5G演進方面，超級小區組網、小區分裂、小區合并等多種分區能力在高鐵站臺覆蓋上展現了強大的生命力.封閉場景下的高鐵站臺具有以下特征：(1)人流峰均比大，潮汐效應極為明顯(2)列車進出站繁忙，乘客具有高移動性特征(3)站臺、隧道不同小區切換重選頻繁，同區域不同頻段負荷均衡(4)商用頻段與鐵路專網頻段共存，衍生雜散干擾等.

2 研究意義

結合近期北京移動高鐵車站項目工程中的2G、4G、5G覆蓋案例，針對封閉場景下的高鐵站臺提出一套切實可行覆蓋優化方案，主要研究意義如下：(1)提升高話務、高價值站臺區域乘客的用戶體驗，實現小區的靈活劈裂，提升小區容量；(2)解決同頻干擾問題，提升單用戶峰值吞吐率與MR覆蓋指標；(3)合理構造列車進出站臺切換帶，實現站臺與隧道小區的快速切換，用戶感知平穩過渡；(4)合理部署GSM網絡，保證良好的語音信號覆蓋的同時避免高鐵特殊環境中的系統間干擾.故此案例具有優秀的示范效應和良好的可復制性，具有較高的應用價值.

3 案例分析

3.1 混合共建下4/5G共模多頻組網分區優化

在本高鐵車站覆蓋工程案例中，站臺部分是流量熱點區域，考慮此區域單位面積業務密度巨大，用戶人數及需求較高，場景空曠流動性強，我們以滿足用戶體驗容量優先規劃選用中興有源皮基站系統以提升4/5G容量和小區吞吐量.信源應具備支持900 MHz、1800 MHz、2300 MHz(E頻段)和2600 MHz(D頻段與NR共100 M)頻率能力.

針對站臺用戶需求及網絡容量進行小區規劃，以本高鐵線路CRH380高鐵系列列車載客容量為例(見表1)：

表1 CRH380列車載客量

列車共16截車廂，載客量約1005人次，我們以上下行兩列列車載客人次對站臺用戶數進行預估，RRC有效用戶連接數對4G小區載波數計算如下：

表2 4G載波配置預估

對于本方案LTE載波配置，若站臺同時開啟E1、E2、D3、D7，則基本可以滿足容量需求，利用D頻和E頻混合組網，以3-4個相鄰pRRU頭端為一個小區進行劃分(見圖1)，每小區2載波配置，在奇數小區內饋入E1、E2頻段，在偶數小區內饋入D3、D7頻段，從而實現降低同頻干擾，保障4G容量，而通道區域由于承載用戶數相對較低則可只開啟E1、E2頻段.

圖1 站臺4G分區示意圖

2020年北京5G用戶滲透率約18%，參照表1計算原則，站臺內5G用戶數峰值不超過300人，目前中興單小區皮基站設備能力支持5G連接態用戶數1000人，激活態用戶數400人，目前完全可滿足該場景容量需求，5G分區參照4G分區進行小區合并，以減少不必要的切換，慮后續容量增加需求，在硬件設備實現滿配前提下軟件預留后期小區分裂能力，以保證未來鐵路5G用戶數增長.后期5G小區可快速分裂成獨立小區(如圖2所示).

本案例中，相比于4G分區，5G分區根據不同時期網絡業務架構，后續可通過小區分裂和小區擴載波增加容量，以滿足不同區域的流量需求.

圖2 站臺5G分區示意圖

3.2 站臺皮基站與隧道傳統漏纜饋入的切換帶設計

合理的重疊覆蓋區域規劃是實現業務連續的基礎，這一點在具有高移動性用戶的封閉場景下尤為突出，重疊覆蓋區域過小會導致切換失敗，過大會導致干擾增加，影響用戶業務感知.以本高鐵地下車站為例，軌行區域為13/8英寸雙泄漏電纜+傳統信源饋入方式實現雙通道MIMO覆蓋，站臺區域則以皮基站覆蓋(如圖3所示).

圖3 覆蓋切換帶示意圖

表3 GSM<E&NR平均切換時長

通過終端測量上報周期+切換時間遲滯+切換執行時延獲得正常一次切換從測量到切換完成所需要的平均時間，針對不同制式統計結果如表3所示：

由于列車進出隧道口時，部分車廂瞬時速度(進站時第一節車廂和出站時最后一節車廂瞬時速度最高)能夠達到30～40km/h，根據上表的切換時長，我們對切換帶長度計算如表4所示：

表4 GSM<E&NR制式下的切換帶長度

我們以本案例中中興39系列的皮基站設備性能為例，pRRU內置天線頭端在滿足各頻段典型邊緣電平要求下的隧道覆蓋距離估算如表5所示：(列車車廂的信號損耗取經驗值15 dB)：

表5 GSM<E&NR制式邊緣電平下覆蓋距離

從上述皮基站對列車的覆蓋能力估算與切換帶長度計算可知，對于5G NR與CDMA、UMTS和LTE等幾種制式，當隧道漏纜部署到站臺屏蔽門處時，通過在車站站臺的隧道口部署內置全向天線的pRRU頭端可以滿足切換需求；而對于GSM制式，由于切換時長相對較長，內置天線pRRU無法滿足切換要求，可通過外置天線型pRRU+定向天線來解決GSM切換.

圖4 實際案例部署示意圖

本案例中隧道漏纜末端距站臺近15米間距，故在車站站臺兩側靠近隧道口位置部署4個外置天線型pRRU和雙極化板狀天線，向隧道內方向延伸覆蓋30～60米，用以構造列車進出站臺切換帶，能夠滿足NR及其他頻段切換需求(如圖4所示).

3.3 規避鐵鐵路調度系統信號干擾的GSM饋入

目前高鐵鐵路調度系統為GSM-R系統，占用930MHz-934MHz頻段，信號雜散要求為-98dBm/100kHz，由于鐵路GSM-R系統與移動GSM 900M(935MHz-954MHz)均歸屬于GSM制式，當系統共站且移動天線點位距鐵路天線較近時，我們根據雜散干擾計算公式，被干擾系統能容忍的雜散上限：Nmax=Pt+YZamp-Lsg-LIso-10log(BW1/BW2)

其中：

LIso：雜散干擾隔離度(dB)

Pt:干擾系統額定發射功率(dBm)

YZamp：干擾系統功率放大器帶外抑制度(dBc/kHz)

Lsg:干擾系統雙工器帶外抑制度(dB)

BW1：干擾系統信號帶寬

BW2：被干擾系統信號帶寬

當GSM 900M天線發射功率45 dBm，垂直間距5米以上及隔離度大于58.5 dB，此時雜散指標為-67 dBm/100 kHz，指標不合格，當在站臺皮基站中饋入900 M語音信號時，會對高鐵鐵路調度系統存在一定的雜散干擾，無法滿足GSM-R抑制需求，故本案例中在站臺區域引入GSM 1800 M頻段承載語音信號代替GSM 900 M，在中興4/5 G共模組網系統中增加多制式接入單元(MAU)設備，進行GSM射頻信源引入(如圖5所示).

圖5 皮基站2G/4G/5G多模組網示意圖

多制式接入單元(MAU)從異廠家設備資源RRU 8852E中耦合GSM 1800M的40dB衰減信源(注：若2G小區只有1個TX通道，則可衰減后饋入Qcell系統；若2G小區存在多個TX通道，則需多個TX通道加衰減器衰減后，先通過合路器合入，最后再饋入Qcell系統.)，并將接入的信號進行中頻數字處理后，由電信號轉換為光信號通過光纖匯入遠端匯聚單元(pBridge)，單個MAU框最多支持2塊RFC板卡擴容到6個光口側掛接PB遠端匯聚單元，光口自適應到9.8304Gbps速率，1條異廠家資源支持1條光鏈路PB一級級聯，同時饋入4/5G信源，進行數字解包遠端射頻單元(pRRU,Pico Remote Radio Unit)實現Qcell多頻混合組網.

4 測試與分析

4.1 FTP吞吐測試

利用PROBE測試軟件，選取站臺兩個小區進行4、5G FTP吞吐量測試和2G電平測試，2G平均電平-75 dbm，4G平均電平-84 dbm，如圖6所示.

圖6 (a)5G Throughpur DL/UL (b)2G電平覆蓋截圖 (c)4G RSRP覆蓋截圖 (d)4G SINR覆蓋截圖

測試數據見表6，站臺業務區域現場測試Volte和CSFB功能正常，語音通話清晰，無卡頓吞音斷續等現象，5G業務區域RSRP及SINR參數滿足規范要求無異常，上網感知正常，充分滿足用戶5G體驗.

表6 5G FTP吞吐量測試數據

4.2 切換測試

我們選取站臺端門處的兩個小區進行業務切換定點測試，切換測試4次，接入測試10次，Ping時延測試20次，連接成功率與系統內切換成功率均達到100%，業務指標正常，測試數據見表7.

表7 越區切換測試數據

5 結 論

隨著5G大流量時代的到來，網絡提速降費，高鐵乘客數量的增加，解決長期存在的信號干擾問題，有效提升上網感知度，提升室內覆蓋的質量和容量，將是運營商網絡發展和高鐵樞紐室內信號部署的關鍵.通過本案例站臺的部署優化設計為后續高鐵覆蓋方案建設提供有力依據，使其發揮更高效益，在后續課題研究中，我們將對高鐵信號部署探索更為可行的優化覆蓋方案，不斷提升高價值場景的網絡指標.