民用通信地鐵5G覆蓋解決方案探討

舒 偉

（武漢虹信技術服務有限責任公司 湖北 武漢 430205）

0 引言

近年來城市地鐵進入5G時代后，低時延、高速率、大帶寬的5G網絡將為乘客帶來“飛一般”的網速體驗，越來越多城市居民迫切要求乘坐地鐵時能體驗到一個高效、 穩定、安全的5G網絡。地鐵里早期建設的2G/3G/4G網絡難以滿足人們日益增長的信息通信需求，加上地鐵一直以來都是運營商追逐高價值的場景，建設一套高質量高標準的民用通信地鐵5G網絡將面臨重要考驗，本文主要對地鐵場景特點、所面臨的挑戰及多場景的5G網絡覆蓋建設方案進行探討。

1 地鐵場景特點

1.1 地鐵場景覆蓋特點

地鐵場景主要由站廳、站臺及隧道構成，站廳和站臺為乘客購票、候車的場所，面積較大、較開闊，隧道為矩形和圓形的封閉區間，窄長型結構，供列車行駛，地鐵里幾乎是外部無線信號的盲區。兩個相鄰地鐵站之間的距離一般從500 m至數千米不等，地鐵為雙向運營，分為上、下行運行方向，隧道內地鐵運動速度相對較快，地鐵最高運行速度一般在60～80 km，進站速度為30～40 km，站臺附近用戶移動緩慢。地鐵內用戶密度大，用戶流動性強,雖然單用戶的流量較低，但總用戶數較大，故總流量較高。站廳站臺場景空曠，容量密度高，站臺與隧道、站臺小區間由于覆蓋區域和類型不同易存在干擾。地鐵環境復雜、專業多，交叉作業頻繁，協調難度大、協調費用高，施工質量要求高，從而造成施工效率低下，綜合施工成本高[1]。

1.2 地鐵場景話務特點

作為重要的城市交通工具，地鐵的客流量非常大，特別是上下班高峰期，會有非常高的突發話務量，并且用戶主要需求的是語音和數據業務。

1.3 地鐵場景組網特點

目前運營的地鐵中，絕大多數線路已經通過建設室分系統完成了2G/3G/4G無線網絡的全覆蓋。覆蓋區域包括：站廳站臺區域和軌道沿線區域。

地鐵內2G/3G/4G的信號覆蓋，站廳站臺區域一般由Lampsite和DAS系統覆蓋，隧道區域由泄漏電纜覆蓋。由于地鐵內部狹小，地鐵分布式系統不做重復建設，基本以多運營商共建共享，多系統合路（POI）的方式進行部署。

2 地鐵覆蓋的挑戰

2.1 高頻段覆蓋挑戰

四大運營商承載5G網絡的頻段分別為：中國移動獲 取2.6 GHz頻 段（2 515～2 675）MHz、4.9 GHz頻段（4 800～4 900）MHz，中國電信獲取3.5 GHz頻段（3 400～3 500）MHz，中國聯通獲取3.5 GHz頻段（3 500～3 600） MHz，中國廣電獲取4.9 GHz頻段（4 900～5 000）MHz和低頻段700 MHz。

目前地鐵車站室內無源室分系統所使用的無源器件都不支持2 700 MHz以上頻段，需進行單獨采購，隧道內使用的13/8漏纜僅支持頻段（800～2 700）MHz接入，故只能滿足移動2.6 GHz頻段的網絡接入，無法滿足電聯3.5 GHz頻段網路的接入。

2.2 多系統合路挑戰

地鐵無線覆蓋工程絕大部分都采用多運營商、多系統合路共享，因而存在一定風險（如：電信和聯通LTE的1 800 MHz頻段非常接近，多頻合路器POI制作難度較大，需要雙方協商保證頻段之間大于5 MHz，才能滿足合路器POI的隔離度要求），需謹慎論證并予以規避[2]。

2.3 設備功耗提升挑戰

5G單站功耗是4G單站的2.5～3.5倍，設備功耗的增加是5G功耗增加的主要原因。設備功耗的大幅度提升，相應的電源配套也需進行擴容，也意味著5G網絡建設投資的增加。

為了考慮5G設備用電需求，地鐵民用通信系統機房用電容量需求需要增加到100～120 kW。

2.4 隧道覆蓋挑戰

無線信號在隧道場景中傳播容易產生快衰落，地鐵運行速度較快，小區間會頻繁切換，加上地鐵列車車體、站臺兩側安全屏蔽門對無線信號產生嚴重的屏蔽，用戶的業務體驗必然急劇下降，需要考慮無線信號切換區域和衰減問題；隧道內空間狹小，漏纜布放數量受到限制，需要協調運營商將多制式系統合路部署；隧道內有大的彎曲路段，給覆蓋帶來較大困難，需要考慮隧道內漏纜覆蓋方案及設備供電、安裝等問題。

3 地鐵組網總體解決方案

地鐵車站通常采用多網融合共建的建設模式，通過無源室內分布雙路系統覆蓋，即采用“信源+POI+無源器件+室分天線”的模式。因該系統不支持3.5 GHz頻段，且無法滿足4×4 MIMO的5G需求，故不建議采用該模式建設5G網絡。

5G網絡可采用有源室分（數字化分布式皮站）的建設模式。為了保證5G高速率的傳輸，5G數字化分布式皮站全部采用4T4R的pRRU設備對車站進行覆蓋，并且兼容3G/4G網絡。該模式可實現末端監控，但設備功耗大，可靠性低于無源系統，且在網產品不支持三家運營商各系統共建共享，需要每家運營商單獨部署一套系統或兩家運營商共享部分系統。

考慮覆蓋的均勻性，地鐵隧道采用泄漏電纜覆蓋的建設模式，即采用“信源+POI+泄漏電纜”的模式，并結合實際情況進行小區合并，降低干擾和切換重選頻次。

3.1 車站覆蓋解決方案

地鐵車站一般包括站廳層和站臺層，根據站廳層的結構情況，在站廳層公共區域及出入通道口使用吸頂天線交叉布放的方式進行覆蓋，天線覆蓋范圍20～30 m[3]。

站臺區域是話務需求最高的核心區域，可采用數字化分布式皮站覆蓋，但應注意隧道與站臺的同頻干擾及列車進出站時的快速切換的問題。為了保障乘客們體驗一個高效、穩定、安全的網絡，站臺與隧道小區之間應設計足夠的信號重疊覆蓋區。

站廳區域對于新建場景需同步考慮4G的容量需求，選擇合適的5G數字化分布式皮站產品，考慮傳輸容量及拉遠距離影響可合理選擇光電復合纜方式。對于改造場景為了不影響4G現網容量，建議有條件的話可單獨部署5G單模數字化分布式皮站系統或者5G業務需求不高時基于現有DAS系統升級改造。

出入口區域與普通的室內覆蓋場景比較接近，主要是慢速移動用戶。天線點位的規劃設計，可以參考類似商場和寫字樓場景。

3.1.1 覆蓋原則

車站一般根據不同區域場景采用多元化覆蓋方式（無源室分+有源室分），充分發揮設備特性。

站廳公共區及站臺區域一般比較開闊，無墻體阻擋，無源室分的天線間距可設置為15 m左右，有源室分的設備或天線間距可設置為30 m左右。

站廳辦公及機房區域一般房間密集，結構復雜，無源室分的天線間距設置為12 m左右，有源室分的設備或天線間距設置為25 m左右；重要的辦公室、會議室、更衣室等，采用天線進房間覆蓋。

站廳出入口無障礙電梯覆蓋基本都設置對數周期天線進行覆蓋，保證與室外信號的良好切換。

3.1.2 覆蓋方案

車站5G無線覆蓋建議采用有源室分（數字化分布式皮站）方式，各運營商的5G無線覆蓋采用獨立方式建設。該系統由位于后端的BBU設備及位于前端的rHUB+pRRU設備組成，前端的rHUB通過光電混合纜連接pRRU，連接控制距離約為200 m；通過網線（CAT6A）連接時，連接控制距離約為100 m。

5G網絡需要通過大規模天線（Massive MIMO）等技術措施支撐其高速數據接入，5G數字化分布式皮站采用了大規模內置天線結構，因此5G網絡室分系統暫無法通過類似于傳統的POI方式合路各運營商5G信源設備。三家運營商需在5G通信服務區域各自新建1套5G網絡。

結合運營商共建共享的思路，地鐵站廳站臺公共區為乘客換乘和滯留等待的區域，人流量大、業務量高，一般采用有源室分（數字化分布式皮站）進行覆蓋承載4G/5G網絡，采用無源室分進行單路承載2G/3G網絡。站廳站臺設備區及辦公區內隔斷多，設備機房多，主要為地鐵內部人員工作活動場所，一般人員較固定，人流量小，業務量低，且對話務及流量負荷要求相對較低，一般采用無源室分進行雙路承載2G/3G/4G/5G。

3.1.3 小區劃分設置原則

考慮系統容量、人流量，一般站臺站廳各劃分兩個小區，一共四個小區。對于人流量大的換乘站，則根據實際需求增加小區。如一個覆蓋區域需要劃分兩個小區，站臺站廳同層，則根據人流（話務量）平均劃分。

站廳層小區主要覆蓋站廳層公共區域，扶手電梯等；站臺層小區主要覆蓋站臺層公共區域，端頭門內區域（列車進出站切換覆蓋），扶梯，步梯上下層切換覆蓋等。

站廳信號覆蓋小區設計由于站廳層為公共區域，人流量大，乘客停留時間短，一般劃分為1～2個通信小區，切換帶設置站廳中間左右切換。

站臺信號覆蓋小區設計由于站臺層為乘客候車區，普通站臺內一般乘客停留時間較長，劃分為2個通信覆蓋小區，切換帶設置站臺中間左右切換。若為換乘站或人流量巨大的車站則劃分為2～4個通信小區，切換帶設置站臺中間左右切換。

3.2 隧道覆蓋解決方案

地鐵隧道的網絡覆蓋完全有別于車站，其環境相對封閉，空間狹窄，安裝位置有限，人員密度大且車速較快。為了滿足4×4 MIMO的5G需求，最多可安裝4條泄漏電纜進行覆蓋，泄漏電纜主要通過漏纜的輻射從列車車窗輻射至列車中，理想的掛高為離軌面2.0～3.0 m,正對列車車窗，損耗可控，用戶感知較好。

5G網絡在隧道內的覆蓋方式與傳統無線覆蓋方式基本相同，即采用“5G-RRU+POI+泄漏電纜”方式。三家運營商在地下隧道內站點位置各自設置5G-RRU設備，并通過POI合路設備共享隧道內漏纜。

根據各廠家泄漏電纜指標特性、各類損耗對無線系統的影響及鏈路預算[4]的要求，可選用損耗略低的5/4泄漏電纜承載5G網絡。

3.2.1 2根13/8漏纜 +2根5/4漏纜建設方案

（1）中 國 移 動5G共 享13/8漏 纜，中 國 移 動2G/3G/4G/5G、中國電信和中國聯通的3G/4G共享（800～2 700）MHz的13/8漏纜，采用5G合路器POI+13/8漏纜雙纜覆蓋，電聯5G共享（3 300～3 600）MHz高頻優化的5/4漏纜雙纜覆蓋，三家運營商隧道內實現5G網絡2T2R的傳輸。如圖1所示。

圖1 中國移動5G共享13/8漏纜示意圖

優點：覆蓋效果有保障，13/8漏纜損耗較小，設備投入相對較少。

缺點：需足夠的安裝空間，建設投資高；中國電信和中國聯通共同投資兩條5/4漏纜，分攤成本較高；三家運營商只能實現5G網絡2T2R傳輸，對傳輸速率有一定的影響，用戶5G業務體驗較差。

（2）中國移動5G共享5/4漏纜，三家運營商的2G/3G/4G共享（800～2 700）MHz的13/8漏纜，采用4G合路器POI+13/8漏纜雙纜覆蓋，三家運營商的5G共享（700～3 600）MHz的5/4漏纜，采用5G合路器POI+5/4全頻段漏纜雙纜覆蓋，三家運營商隧道內實現5G網絡2T2R的傳輸。如圖2所示。

圖2 中國移動5G共享5/4漏纜示意圖

優點：覆蓋效果有保障，13/8漏纜損耗較小，設備投入相對較少。對比（1）方式，5/4漏纜三家運營商共建共享，分攤成本較低。

缺點：需足夠的安裝空間，建設投資略高；三家運營商只能實現5G網絡2T2R傳輸，對傳輸速率有一定的影響，用戶5G業務體驗較差。

3.2.2 4根5/4漏纜建設方案

三家運營商2G/3G/4G/5G共享（700～3 600）MHz的5/4漏纜，采用全頻段5G合路器POI+4根5/4全頻段通信漏纜[5]方式進行覆蓋，隧道內均能實現5G網絡4T4R傳輸。為避免不同制式無線信號的干擾，考慮MIMO部署，采用上下行分布系統分開布放，5G系統采用4T4R的方式。2G/3G/4G/5G可靈活選用所承載的漏纜，可根據實際情況調配漏纜承載系統的組合方式，將網絡指標最優化。如圖3所示。

圖3 4根5/4漏纜建設方案示意圖

優點：三家運營商均能實現5G網絡4T4R傳輸，傳輸速率較快，覆蓋效果有保障。

缺點：需足夠的安裝空間，建設投資非常高；5/4漏纜對各運營商高低頻段的損耗差異較大，設備覆蓋區域距離較短，故設備投入相對較多；5/4漏纜承載系統較多，系統間干擾難控制。

3.2.3 2根5/4漏纜建設方案

三家運營商2G/3G/4G/5G共享（700～3 600）MHz的5/4漏纜，采用全頻段5G合路器POI+2根5/4全頻段通信漏纜方式進行覆蓋，隧道內能實現5G網絡2T2R傳輸。

優點：建設投資較低，有限隧道空間內快速接入5G網絡，覆蓋效果有保障，尤其適合無空間安裝多根漏纜的隧道場景。

缺點：5/4漏纜承載系統較多，系統間干擾難控制；隧道內無法實現5G網絡4T4R傳輸，傳輸速率有一定的影響，用戶5G業務體驗較差。

3.2.4 2根13/8漏纜+2副高增益定向天線建設方案

中國移動2G/3G/4G/5G、中國電信和中國聯通3G/4G共享（800～2 700）MHz的13/8漏纜，采用5G合路器POI+13/8漏纜雙纜覆蓋，中國移動隧道內實現5G 網絡2T2R傳輸；電聯使用5G-RRU+ 4T4R高增益定向天線覆蓋，中國電信、中國聯通隧道內實現5G網絡4T4R傳輸。如圖4所示。

圖4 2根5/4漏纜建設方案示意圖

圖5 13/8雙漏纜+高增益定向天線建設方案示意圖

優點：建設投資相對低；中國電信和中國聯通能實現5G網絡4T4R傳輸，傳輸速率快；由于 13/8漏纜損耗較小，故設備投入相對較少，施工效率高，適合無空間安裝多根漏纜的隧道場景，特別是存量地鐵5G改造場景。

缺點：電聯5G覆蓋電平波動有點大，覆蓋效果難以保障；中國移動僅能實現5G網絡2T2R傳輸，傳輸速率受影響。

3 結語

綜上所述，為了保障用戶良好的5G業務體驗，對于民用通信地鐵5G網絡新建項目，車站區域應采用有源+無源室分的多元化覆蓋方式，隧道區域應采用5/4全頻段泄漏電纜四纜覆蓋方式，避免后期再次改造；對于民用通信地鐵5G網絡改造項目，車站區域應采用重新補建一套5G有源室分的覆蓋方式，隧道區域應根據場景特點、原有覆蓋方式，并結合運營商的投資需求，綜合考慮工程建設難易程度來選擇最合適的建設方案。