城市軌道交通線路 5G 網絡覆蓋方案研究

李佳寧

（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

1 引言

近年來，城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）逐步發展成為我國城市的重要交通運輸方式。截至2020年12月31日，中國內地已經有45個城市開通城軌運營線路7 969.7 km。移動終端接入量以及通信數據的迅猛增加對城軌無線網絡的容量、傳輸速度、穩定性等提出了更高的要求，尤其是在城軌車站的站廳站臺以及隧道區間這些復雜環境中實現網絡全覆蓋更具有難度[1-7]。

第五代移動通信（5G）技術是我國正在大力推行的新一代無線移動網絡通信技術。目前，中國移動通信集團有限公司（以下簡稱“中國移動”）、中國電信集團有限公司（以下簡稱“中國電信”）、中國聯合網絡通信集團有限公司（以下簡稱“中國聯通”）三大運營商在我國主要城市的核心區域實現了5G網絡的商用。相比于傳統的2G/3G/4G網絡，5G網絡具有高帶寬、高速率、高穩定性、低時延等優勢[8-12]，將其引入城軌線路可有效解決城軌無線通信目前面臨的問題和挑戰。

目前，各既有線路的站廳站臺和隧道區間已經有三大運營商的2G/3G/4G無線網絡覆蓋[13-16]：站廳站臺均已安裝2G/3G/4G設備，通過分布式天線系統（DAS）實現無線通信；隧道區間中通常利用傳統型號的漏泄電纜（以下簡稱“漏纜”）進行信號傳輸。然而，將5G網絡引入這些區域仍存在諸多問題，例如，既有2G/3G/4G設備無法兼容5G網絡，5G網絡頻率較高、三大運營商的5G網絡頻段跨度較大等因素導致無法利用單一型號的漏纜實現對隧道區間的5G網絡覆蓋。因此，如何解決上述問題便成為研究的重要內容。

本文針對站廳站臺和隧道區間的特殊環境，提出在站廳站臺通過新設5G單模分布式皮基站（以下簡稱“5G皮基站”）實現5G獨立組網，在隧道區間通過采用13/8和5/4漏纜實現5G網絡全面覆蓋的方案，以期為5G技術在城軌領域的推廣應用提供參考和借鑒。

2 站廳站臺的 5G 網絡覆蓋

2.1 站廳站臺無線網絡覆蓋現狀

站廳站臺是乘客進出站、查詢線路、購票、候車的關鍵區域，此處的網絡移動終端密度非常高，尤其是在乘車高峰期網絡接入需求巨大。然而，由于受墻體遮蔽、障礙物和干擾源眾多等因素影響，外部的網絡信號難以進入此區域，因此需要通過在站廳站臺設置相應的網絡設備設施以實施無線通信。

目前，站廳站臺通常采用傳統的多系統合路平臺（POI）、DAS與信源結合，即“POI+DAS+信源”的組網方式[7-8]，實現對站廳站臺的2G/3G/4G無線網絡覆蓋，其組網結構如圖1所示。

圖1 目前站廳站臺的無線組網結構

2.2 站廳站臺的 5G 網絡覆蓋實施方案

根據既有線路站廳站臺的無線網絡覆蓋現狀，將5G網絡與現有2G/3G/4G網絡進行融合，實現協同組網，可避免DAS的重復建設和投資。從技術可行性與建設經濟性角度出發，本文提出通過在站廳站臺內新設5G皮基站的方式實現5G網絡全覆蓋的方案。其優點在于，無須對原有2G/3G/4G設備設施進行改造，對現有網絡無任何影響，僅根據5G網絡覆蓋的需要增設5G皮基站。

此方案的主要特點是由三大運營商新設5G網絡信源，在既有基站點位新設5G皮基站。5G皮基站由集線器單元（RHub）、皮射頻拉遠單元（pico RRU或pRRU）及基帶處理單元（BBU）組成。在同一5G皮基站范圍內的多個pRRU被編為同一組，與同一個RHub連接，RHub通過光纜與設置在通信機房內的BBU連接，如圖2所示。

圖2 5G皮基站示意圖

其中，pRRU在站廳站臺中的布設呈折線形（即pRRU在站廳站臺公共區兩側沿軌道方向交錯布置，一側的序號為奇數，另一側為偶數，若按序號將其連接起來，其連線呈折線形），如圖3、圖4所示。這種布設方式可以保證5G網絡覆蓋均勻無盲區。每個pRRU配備2組4發4收（4T4R）天線（即4根發射天線和4根接收天線），以保證5G網絡的傳輸速率。

圖3 站廳pRRU點位及分區設置

圖4 站臺pRRU點位及分區設置

3 隧道區間的 5G 網絡覆蓋

3.1 隧道區間無線網絡覆蓋現狀

如何實現隧道區間的5G網絡覆蓋是將5G網絡引入既有城軌線路的另一難點，其原因在于：①與站廳站臺相比，城軌隧道區間的環境相對封閉，幾乎是各類通信信號的盲區；②列車在隧道內運行速度相對較快，影響信號的接收和傳輸；③車內人員較為密集，網絡接入需求巨大；④列車車體、屏蔽門等均會對無線信號造成嚴重干擾。

既有城軌隧道區間通常采用射頻拉遠單元（RRU）、POI及漏纜，即“RRU+POI+漏纜”的組網方式實現2G/3G/4G無線網絡覆蓋，如圖5所示。RRU與pRRU類似，其區別在于RRU體積較大且承載量大，已在既有城軌線路中廣泛應用，而pRRU體積較小。漏纜的工作原理是，通過在其同軸管外導體上開設一系列槽孔或隙縫，將電纜中傳輸的電磁波的部分能量有控制地沿線路均勻輻射出去，從而使場強衰減均勻而無起伏，易為接收設備所接收。

圖5 目前隧道區間無線網絡覆蓋示意圖

3.2 隧道區間 5G 網絡覆蓋實施方案

對于隧道區間，本文提出仍采用漏纜進行5G通信的方案。該方案與傳統方案的原理相同，但需對現有設備進行更換，使其滿足5G網絡的要求。根據中華人民共和國工業和信息化部于2018年12月6日向三大運營商發布的“全國范圍5G中低頻段試驗頻率”使用許可，三大運營商的5G網絡頻段如表 1所示。

表1 三大運營商的5G網絡頻段 MHz

由于中國移動的4 800～4 900 MHz 5G頻段具有頻率較高、傳播損耗較大的特點，因此主要規劃用于高熱點、高價值地區或垂直行業，未應用到城軌建設中。故本文對該頻段不做探討，只考慮中國移動已應用于城軌的2 515～2 675 MHz 5G頻段。

為將5G網絡引入隧道區間，本方案需將POI更換為可饋入5G NR 2×100 W信源且與4G信號合路的型號，并采用分布式宏基站的5G-RRU。漏纜型號需根據5G網絡頻率進行選取。由于目前城軌項目中常用的13/8漏纜最多可支持頻率為2 800 MHz的5G網絡，無法滿足頻率高于3 400 MHz的5G網絡需求。因此，對于三大運營商，中國移動可繼續使用13/8漏纜進行5G信號傳輸，5G網絡可與2G/3G/4G網絡共用該型漏纜；中國聯通和中國電信則需單獨架設5/4漏纜以支持頻率在 3 400 MHz以上的5G網絡。其具體布設如圖6所示。

圖6 隧道區間5G網絡覆蓋示意圖

本方案需對隧道區間中的既有硬件進行改造，并重新敷設5/4漏纜以支持3 400 MHz以上頻率，施工難度相對較高。

3.3 鏈路預算驗證

為驗證13/8漏纜實現5G與2G/3G/4G網絡協同覆蓋的能力，現根據已開通城軌線路中三大運營商各種2G/3G/4G/5G系統制式的現場信號測試數據進行鏈路預算。鏈路預算中相關參數的取值如表2所示[9]。

漏纜兩端都有信源接入的無線網絡覆蓋距離L（單位：m）可通過公式（1）計算得到：

式（1）中各符號意義見表2。

表2 鏈路損耗因子取值表

通過式（1）計算得到各系統制式鏈路預算結果如表3所示。

由表3可知，中國移動5G（2.6 GHZ）網絡覆蓋范圍與相近頻段的中國移動LTE-D與LTE-E 4G網絡結果接近，略低于中國電信和中國聯通LTE 4G網絡。其根本原因在于中國電信和中國聯通LTE 4G 網絡頻率較低，損耗較小，故覆蓋半徑較長。由此可知，在相同頻段的條件下，隧道區間采用13/8漏纜傳輸5G信號，其覆蓋能力基本與4G網絡持平。

表3 鏈路預算結果匯總表 m

4 結論

本文依據5G網絡特點以及城軌場景特性，分別提出在既有城軌站廳站臺和隧道區間引入5G網絡的相關方案。對于站廳站臺，建議采用新設5G皮基站的方式，在不影響現有2G/3G/4G網絡的條件下完成5G獨立組網；隧道中，建議采用13/8和5/4漏纜協同覆蓋的方式，以適應三大運營商不同5G網絡頻率的要求。該方案對實現既有城軌線路5G網絡覆蓋有指導和借鑒意義。