地鐵應用場景5G網絡綜合解決方案探討

李可才

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引 言

5G基建是近年來政府及通信運營商的重點工作之一，其中5G無線網絡的建設又是重中之重。地鐵應用場景中5G無線網絡覆蓋的地位和意義非常重要，因為地鐵場景是城市的品牌形象，所以地鐵場景的5G網絡質量影響著通信運營商的口碑。但是，地鐵場景由于無線傳播環境復雜，業務需求特點鮮明，其5G網絡覆蓋方案也有其特殊性。本文對地鐵場景進行了細分類，分為站廳站臺、機房與辦公區以及隧道3種子場景，以全面地綜合分析地鐵不同子場景的差異化5G無線網絡解決方案。

1 地鐵場景細分及其業務需求特點

根據無線傳播環境和業務需求特點的不同，可將地鐵場景分為站臺站廳區、機房與辦公區以及隧道區3種子場景。各子場景的特點如表1所示。

表1 地鐵子場景劃分及其特點

2 地鐵場景5G網絡建設特點

地鐵場景無線傳播環境復雜、業務需求多變，同時在施工安裝和共建共享方面也有其特殊要求，對5G無線網絡的建設提出了嚴峻挑戰，實際建設中有以下特點[1]。

一是業務密集且隨時間變化明顯，對容量規劃提出了挑戰。人員非常集中，單位面積內用戶數量巨大。數據流量使用需求較大，尤其是在站臺和列車內，乘客通常會發生瀏覽視頻和收聽在線音樂等高數據流量行為。另外在時間方面非常集中，有著較為明顯的潮汐效應，業務主要集中在上下班高峰時段，而在周末及平日非上下班時段業務趨于平穩，在地鐵非運營時段業務需求趨于零。這對5G網絡的容量規劃、頻段配置以及小區劃分設置等方面提出了高要求。

二是地鐵作為高等級的公共場所，管理非常嚴格，建設方案和施工維護嚴重受限。在地鐵內施工有著嚴格的時間限制，需要嚴格履行申請和備案等相關管理流程，做好施工應急預案。統籌規劃，減少施工進場次數，考慮多家運營商共建共享，力爭一次進場完成所有施工。在實施方案方面，地鐵隧道內難以布置4條泄露電纜來實現4×4MIMO，空間有限，還布放有通信專網和公安系統等的漏纜，因此電信運營商通常只建設兩條泄露電纜。另外，在天線安裝點位的確定方面也受到諸多限制，這樣就不能充分體現5G網絡的技術優勢。

三是多家通信運營商共享室分系統，干擾及相互影響增多。目前國內有4家基礎電信運營商，每家運營商又存在多種技術制式，在地鐵內建設的室分系統，尤其是隧道區的泄露電纜，通常是通過POI進行合路來滿足多家通信運營者多種網絡制式的需求。此外地鐵內干擾較為嚴重，需要進行干擾協調。

3 5G網絡綜合解決方案

3.1 鏈路預算

為指導5G網絡的覆蓋規劃，需要先開展鏈路預算，它是5G網絡覆蓋規劃的基礎工作，輸出結果為允許的最大路徑衰耗，進而得到覆蓋距離[2]。在隧道區間內，通過布放泄露電纜的方式來進行5G網絡信號覆蓋，單側覆蓋長度的計算公式為：

式中，D為覆蓋距離，單位為m；Pin是指基站主設備發射功率，取RS信道的功率，單位是dBm；Pr為要求的列車內邊緣覆蓋場強，單位為dBm；Ll為基站設備發射端口至泄露電纜之間的總損耗，包括跳線及接頭損耗、POI損耗，單位為dB；L2為陰影衰落余量，單位為dB；L3為車體穿透損耗，單位為dB；L4為泄露電纜耦合損耗，單位為dB；L5表示寬度因子，單位為dB，其值為20lg(d0/2)，d0為用戶終端距泄露電纜的距離；L6的含義是人體衰耗，數據業務類型取0 dB，語音業務類型取3 dB；S為泄露電纜每米傳輸損耗。典型計算結果參見表2，以指導地鐵隧道區間的5G網絡信號覆蓋設計。

表2 5G網絡地鐵隧道區域鏈路預算結果

站臺、站廳區域的鏈路預算基本與常規室內分布信號系統一致，其流程是通過鏈路預算求得允許的最大傳輸衰耗，然后結合傳播模型可獲得能覆蓋的最大范圍d，其中的傳播模型采用受限的室內自由空間傳播模型。計算的公式為：

式中，PL(d)表示距離為d的總傳輸損耗值；PL(d0)的含義是自由空間衰耗值（當距離為近地點參考距離d0時）；d表示距離，單位為m；d0表示近地參考距離，單位為m，通常可取1 m；β的含義是路徑衰耗系數；FAF表示隔墻損耗，取值為5～20 dB；f表示工作頻率，單位為MHz。

中國移動使用2.6 GHz作為5G網絡室內覆蓋，聯通和電信則使用3.5 GHz頻段。由于與2.6 GHz頻段相比，3.5 GHz具有更好的覆蓋性能，因此在考慮多運營商共建共享時，可按3.5 GHz頻段來進行規劃，若3.5 GHz頻段滿足覆蓋需求則2.6 GHz頻段亦滿足。

3.2 站臺站廳覆蓋方案

站臺站廳為乘客滯留和換乘區域，人流量大，是容量密度需求最高的區域，建議采用有源分布系統方式建設，實現4T4R，充分發揮5G技術優勢[3]。有源室內信號系統也稱作數字化室內信號系統，主要組成部分包括基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）、遠端匯聚單元（PicoRemote Radio Unit Bridge，P-Bridge）以及遠端射頻單元（Pico Remote Radio Unit，pRRU），pRRU與P-Bridge間通過光電混合電纜連接起來，滿足pRRU設備的電源供應及信號回傳要求。pRRU可采用”W”型交叉布置，安裝間距可根據容量需求、發射功率以及實際安裝條件綜合確定，建議間距為25～35 m。BBU與P-Bridge之間通過室內5類及以上纜線相連接，或采用光纖網絡架構。在方案實施方面，對于同一運營商的4G網絡和5G網絡，基本都是采用同一廠家的基站設備，可采用同時支持4G+5G的雙模基站設備，在原4G設備位置進行原位替換，這樣可以實現通過同一套硬件設備來滿足4G+5G兩網需求，從而大大提高施工的可行性。采用有源分布信號系統方式（數字化分布系統）的方案如圖1所示。

圖1 有源分布信號系統組成圖

在站臺站廳區采用有源分布系統方案主要是基于以下考慮。一是有源分布系統主要由遠端射頻單元與天線合一的pRRU構成，實質是屬于基站主設備，可以更為靈活地配置和調整容量，滿足不斷變化的業務需求。二是原有室內分布信號系統器件和天線通常不支持電信聯通的3.5 GHz頻段，僅支持800～2 700 MHz頻段，這樣就無法通過合路的方式共享原有室內分布系統來滿足電信和聯通的需求[4]。三是采用有源分布系統更易實現對遠端設備（含天線）的監控，更方便地實現4T4R功能以提升網絡性能，在后續網絡演進潛能方面更容易實現“線不動，點不增”的平滑升級。

3.3 機房與辦公區覆蓋方案

機房與辦公區包括車站管理用房、設備機房以及商業區等多種類型。此類區域業務密度較低，和普通房間相比沒有明顯的差異。在此區域的室分可采用兩種方案，一種是傳統無源分布系統，在實施方面，由于車站辦公區的施工管理條件及天線美化安裝等并不特別苛刻，可新建無源分布系統，或對現有DAS室分系統進行改造，將原不支持3.5 GHz頻段的無源器件和天線進行替換，從而能將5G信號源合路到傳統無源分布系統DAS系統中去，其優點是方案投資相對較低。另一種是與站臺站廳部分的方案相結合，可視業務需求情況及現場環境結構特點，使辦公區成為站臺站廳區域的擴展覆蓋區域，與站臺站廳部分合并考慮采用有源室分信號方案。

3.4 隧道區覆蓋方案

隧道區是狹長的管狀封閉空間，結合隧道實際安裝條件及管理要求，采用漏纜進行覆蓋，采用4纜或雙纜方案進行部署[5]。對于漏纜的選型，在地鐵內現有的漏纜型號為13/8”，截止頻率通常為2 700 MHz，無法支持電信聯通5G頻段（3.5 GHz），但能夠支持移動5G頻段（2.6 GHz）[6]。目前市面上已有支持800～3 600 MHz的全頻段5/4”泄漏電纜，也有支持1 400～3 600 MHz的5/4”泄漏電纜，因此為滿足多家運營商共建共享需求，可采用新型5/4”泄漏電纜[7]。對于電纜的根數，理想的是新增4根電纜，優點是能實現4T4R功能，傳輸速率高，便于后期系統割接，減少各系統間干擾，但缺點是工程量大，投資高。另外，由于地鐵隧道安全性要求極高，通常還有地鐵專網和公安系統等其他系統的漏纜，空間受限，因此運營商要布置4根漏纜在部分場景很難得到批準實施，折中的方案是布置兩根漏纜，容易實施，投資也相對較低，但缺點是5G網絡只能實現2T2R，傳輸速率方面不能充分發揮5G的技術優勢。由前述鏈路預算的結果可知，泄露電纜單側覆蓋范圍在250～300 m左右，但是兩個地鐵站點之間的隧道區域長度一般在800～2 000 m，因此同一隧道區間需設置多段漏纜，在隧道內設置設備安裝點。地鐵隧道區域方案組成如圖2所示。

圖2 地鐵隧道區域方案組成圖

3.5 共建共享方案

3.5.1 頻率方案

地鐵隧道5G網絡室內分布信號系統的建設需要考慮多家基礎電信運營商多種通信技術體制的共享，建設方案需考慮頻率差異和特點。各基礎電信運營者的通信技術體制頻率如表3所示，聯通與電信5G網主要采用3 400～3 600 MHz段，而中國移動5G網主要采用2.6 GHz段。聯通與電信已簽訂共享框架協議，將共建共享5G無線網絡，與此同時中國廣電也與移動達成共享協議，中國廣電將付費共享使用中國移動的5G網絡。

表3 中國電信運營者頻段分配表

3.5.2 POI設置方案

為了滿足多個通信運營者及多頻段系統信號源合路需求，POI應運而生。它是一種高性能的合路設備，具有插入損耗和系統之間干擾很小的特點[8]。隨著通信技術制式的新增及共建共享新需求，對POI設備性能方面的要求也越來越高。為滿足各運營商通信各種通信制式的需求，目前市場上已出現支持16頻的POI。為達到減小互調干擾的目的，POI三階互調性能必須優于-155 dBc@43×2 dBm，使用DIN型接頭連接POI端口。POI的類型有標準型和透傳型，為了實現800 MHz和900 MHz等低頻系統的信號透傳，節約低頻率段信號源設備投資，需配備一定數量的透傳型POI與標準型POI相結合使用。

3.5.3 干擾控制

地鐵作為公共基礎設施，其室內分布系統通常需要多家電信業務經營者共建共享，與此同時，每家電信業務經營者有多種技術體制，這使得地鐵場景通信系統之間的干擾問題較為嚴重。干擾控制和規避的主要目的是保證不同技術體制公網系統之間及公網與其他專網之間的干擾不至于影響系統正常工作，滿足相關性能指標要求。總體上干擾可以分為系統內干擾和系統間干擾兩個方面。系統內干擾產生原因有同頻干擾和鄰頻干擾等因素，可以采用合理規劃頻率進行小區劃分及切換參數設置等措施來減小其影響。系統間干擾主要包括接收機互調干擾、接收機阻塞干擾以及雜散干擾[9]。對于地鐵場景，系統間干擾主要通過選擇高性能的器件來避免，如選擇內含高性能濾波器的POI，以增加隔離度，提高POI設備的三階互調指標性能。POI輸出空余端口應采用200 W假負載進行封堵，同時也要提高分布系統的施工工藝質量。例如，為避免后續器件接頭松動帶來的干擾增加，應盡量增大饋線彎曲半徑，器件連接避免采用直連的方式，雙路室內分布系統不平衡度小于3 dB，饋線系統駐波比控制在1.3以下[10]。

4 結 論

地鐵場景較為復雜，本文根據地鐵場景的細分，較為全面地分析了不同子場景的網絡解決方案，對實際5G網絡規劃建設具有一定地參考意義，但是通信技術更新換代迅速，因此網絡建設方案需根據設備產品及技術進步情況不斷更新。