地鐵移動通信無線網絡建設研究

黃艷福 ，戚喜成 ，姚賽彬 ，高修遠 （.中訊郵電咨詢設計院有限公司，上海00050；.中國聯通上海分公司，上海00080）

1 地鐵無線覆蓋技術要點

1.1 地鐵無線覆蓋的特點及思路

1.1.1 地鐵無線覆蓋的特點

地鐵無線覆蓋分為地上和地下2個部分。地上部分通常指地面站和高架站，一般都是由室外的宏站進行網絡覆蓋，有些運營商會在一些話務量高的地面站和高架站建設街道站或分布系統天線陣來吸收話務量。地下部分指地鐵的地下站，通常所說的地鐵無線覆蓋都是指地下部分。

與室外宏站、普通樓宇的覆蓋方式相比，地鐵無線覆蓋有如下特點。

a）地鐵站由站廳層、站臺層、隧道區間3個部分組成，覆蓋場景復雜。

b）地鐵人流量在高峰與閑時有巨大差異，高峰的瞬時話務量高。

c）地鐵一般采用多運營商合建的覆蓋系統，系統間干擾大，工程復雜度較高。

d）地下部分基本都是信號盲區，無室外信號可用。

e）隧道長度不固定，因此建設方案也不盡相同。

1.1.2 地鐵無線覆蓋方式

地鐵無線覆蓋的方式通常有以下幾種。

a）各運營商分別建設一套自己的分布系統來進行無線覆蓋。

b）各運營商共建一套分布系統，滿足全部的無線系統接入。

c）由第三方建設分布系統，各電信及傳媒運營商根據自己需要來租用。

目前主流的建設方式是由第三方建設集約化的分布系統，各運營商根據自己需要租用的方式。集約化建設方式示意圖如圖1所示。

1.1.3 地鐵無線覆蓋思路

a）考慮地鐵隧道空間受限，以及從節約成本的角度出發，設計時各運營商共用1套分布系統。

b）在地鐵隧道無線覆蓋設計時，盡量設計為純無源系統。在隧道區間增加有源設備后，系統穩定性差，地鐵運營后，隧道區間的維護檢修時間比較短，應急處理能力差。

c）多運營商的合路覆蓋，會造成各系統間的干擾，通過分布系統的收發分纜，以及引入多系統合路平臺（POI），抑制系統間的干擾、提高相互間的隔離度。

d）為保證各地鐵站通信的穩定性，建議各站設置獨立的微蜂窩系統，盡量避免光纖直放站拉遠的建設方式。

e）根據已開通地鐵站的使用情況，地鐵機房位置及面積應規劃得更加合理，機房盡量安排在站臺上，并為以后基站擴容預留一定的機房面積。

1.2 網絡接入需求

圖1 集約化建設方式示意圖

公共接入系統主要指電信及傳媒運營商在地鐵中能正常給用戶提供業務所需要接入的網絡，目前主要是移動通信網及數字電視等。

早期的地鐵覆蓋只有各運營商建設的2G網路，隨著3G的正式商用，各運營商在地鐵無線覆蓋中均要求實現2G、3G網絡覆蓋。表1示出的是地鐵無線覆蓋接入系統及頻率匯總。

由于GSM900M的線路損耗比GSM1800M要小很多，因此地鐵無線覆蓋時運營商不會采用GSM1800M接入系統，當然設計時可以為GSM1800M留有信源接入端口。

1.3 地鐵公共無線系統間的干擾分析

隨著各運營商3G網絡建設的日益完善，對于地鐵無線覆蓋而言，將面臨多系統制式共存的問題，如何解決好多制式間在無線頻帶內的相互干擾，是目前關注的焦點。

通常主要存在的干擾有阻塞干擾、雜散干擾和互調干擾。

在無多系統合路覆蓋中，互調干擾和雜散干擾對系統的正常工作危害最大，解決此類干擾的根本方法是提高系統間的抑制比或隔離度，在工程設計中一般可采用如下解決方法。

表1 地鐵無線覆蓋接入系統及頻率匯總

a）地鐵站廳、站臺、隧道區間的分布系統采用上下行收發分纜的方式提高下行信號與上行信號的隔離度（包括空間耦合隔離度和上下行的鏈路損耗）。

b）選取具有較高互調抑制度的器件，如多系統合路平臺。

c）在隧道區間內有源設備饋入點增加帶外抑制比大的合路器。

2 地鐵無線覆蓋解決方案

2.1 新建分布系統的設計思路

地鐵站一般是由站廳層、站臺層、雙向隧道區間組成。站廳設有乘客進出的通道、扶梯、進出檢票閘機、地鐵管控中心。站臺是乘客候車、上下車的區域。地鐵站站臺結構有島式站和側式站之分。島式站的站臺在中間，軌道在兩側；側式站的軌道在中間，站臺在兩側。

地鐵站廳、站臺、隧道區間的分布系統設計思路：a）隧道區間采用泄漏電纜進行覆蓋。

b）島式站的站臺層采用天線陣和泄漏電纜相結合的方式進行覆蓋。

c）側式站的站臺層采用天線陣進行覆蓋。

d）站廳層及出入口通道和設備層采用天線陣進行覆蓋。

e）換乘站的換乘通道使用天線陣進行覆蓋。

2.1.1 地鐵站廳的無線覆蓋設計

地鐵的站廳一般比較空曠，面積為3 000~6 000 m2，人流比較密集，但移動速度比較慢，站廳的無線覆蓋可以采用常規樓宇的天線陣來進行，一般站廳只需要1套POI設備即可滿足覆蓋需求。

自由空間傳播損耗計算公式為

式中：

Ls——電磁波在自由空間傳播時的傳輸損耗（dB）

d——傳輸距離（m）

f——電波頻率（Hz）

c——光速（m/s），c=3×108m/s

上式的對數表示式為

表2示出的是各系統空間鏈路損耗。

表2 各系統空間鏈路損耗

天線點位間距一般為20~30 m，半徑為10~15 m，建議采用多天線小功率來覆蓋站廳，考慮到人流密度、系統儲備余量，根據工程經驗建議天線半徑為10 m左右。

從表3可知，設計時天線入口功率均有較大余量，各系統無線信號可以進行無縫覆蓋。站廳分布系統設計時，需綜合考慮室內外切換、站廳與站臺層的切換，以確保用戶從室外進出站廳、從站廳進出站臺層時通話信號的平穩切換。

表3 各系統邊緣場強以及設計余量

2.1.2 站臺設計

一般地下站島式站比較普遍，高架站側式站偏多，但地鐵的換乘、地質的結構、車站出入口位置的選擇均會影響到地鐵站臺的設計方式。

側式站的站臺層通常采用天線陣進行覆蓋，而島式站的站臺層常采用天線陣和泄漏電纜相結合的方式進行覆蓋。泄漏電纜從站臺側壁中軸線附近開始向兩側敷設，各運營商的基站信源在通信機房內接入POI，各信號經過POI合路后通過饋線跳接到泄漏電纜上，進行隧道區間無線覆蓋，在跳接之前一般耦合一路信號來覆蓋站臺的天線點陣，因此，站臺和隧道區間均在同一個小區內。表4示出的是站臺各系統邊緣場強以及設計余量。

2.1.3 隧道區間的覆蓋設計

隧道區間的無線覆蓋都是通過泄漏電纜來進行的，目前主要使用的泄漏電纜是安弗施和安德魯2家國外廠商的1-5/8″泄漏電纜，國內生產泄漏電纜的廠商有亨鑫和漢通。現以安德魯RCT7-CPUS-3A-AX型泄漏電纜為例，計算各系統在隧道內的覆蓋距離（見表5）。

通過計算可以得出：2站隧道區間距離在1 500 m時，CDMA網、GSM網都可以良好地覆蓋隧道區間，達到邊緣場強-85 dB的設計指標，只有超過1 500 m才需要在隧道區間增加2G有源設備來增強覆蓋信號。但從鏈路計算中得出：各家運營商從基站輸出的3G信號在泄漏電纜上輸出310 m后就無法覆蓋隧道了，必須在隧道區間內斷開泄漏電纜來增加有源設備。

表4 站臺各系統邊緣場強以及設計余量

表5 各系統隧道區間覆蓋范圍計算表

由圖2和圖3可以看到，為了兼顧2G、3G以及WLAN各系統的覆蓋需求，2個地鐵站之間每隔500~600 m就需要斷開一次，增加有源設備饋入點。表6示出的是目前各地地鐵建設的實際情況。

表6 隧道開斷次數建議表

此外，斷點的數量與機房內POI設備的插損以及機房至隧道泄漏電纜間的饋線長度有很大關系。

2.2 現有集約化分布系統的3G改造

鑒于部分地鐵建設之初已做過了2G網絡的無線覆蓋，隨著3G發展的迫切需求，現今需要對已有的分布系統進行改造，支持各運營商3G網絡的接入。

2.2.1 站廳、站臺使用的合路器

地鐵通信機房內使用合路器主要是考慮到3G信號經過POI設備后插損過大，只讓CDMA、GSM進入POI設備，而各運營商的3G信號跳過POI，在POI后級增加多頻段合路器，把各自的3G信號合路在分布系統中。一般后級合路器插損可以控制在2 dB以內，明顯低于POI的6 dB插損。

對于3G網絡的站廳、站臺覆蓋可以考慮在已有POI設備后級增加合路點進行改造（見圖4和圖5）。

覆蓋站廳層、站臺層的上行合路器信號一致，下行合路器略有區別，考慮到地鐵隧道區間需要有數字電視信號，因此，站臺層的下行合路器需要有DTV端口，站廳層的下行合路器就無需DTV端口了。

2.2.2 隧道區間使用的合路器

由于機房內的各系統的信號經過POI設備輸出后，覆蓋隧道區間的范圍都有限，需要在隧道內開斷增加有源設備來延伸覆蓋，在隧道區間內再增加POI設備顯然不合適，隧道空間有限，也不便維護，因此選用一些可以替代這些POI設備的合路器是最佳的選擇。

由于各運營商的接入端口需求不同，造成合路器的端口數目不同，目前上海地鐵中需要的隧道區間合路器主要分為6種（見表7）。

由于有了這些靈活多變的合路器，解決了許多臨時新增系統的接入，杜絕了重復建設，節省了投資。

在靈活使用合路器時，需要注意如下事項。

a）盡量選擇插損小而帶外抑制比大的合路器。

圖2 隧道區間開斷一處示意圖

圖3 隧道區間開斷兩處示意圖

圖4 POI上行原理圖

圖5 下行POI原理圖

表7 隧道區間多頻段合路器

b）合路器的帶內波動、駐波比、功率容量、三階互調等重要指標應符合設計要求。

c）隧道區間環境條件差，不利檢修，設備需滿足IP65標準。

合路器指標越高，投資成本也越大，成本的制約是合路器指標設計需要重點考慮的環節。

隧道區間的覆蓋方式通常是斷開泄漏電纜，增加多頻段合路器，因此提供3G信源接入點，即可達到3G改造要求。

2.3 分區方式

目前各運營商基本都能滿足地鐵乘客對網絡的容量需求，但網絡的質量有待提高。因此，各站需要有獨立的微蜂窩配置，并且考慮到以后的擴容和維護的便利，參考上海已運營的多條線路的分區配置經驗，可采用表8所示的分區方式。

表8 地鐵站分區表

3 結束語

本文對地鐵無線覆蓋技術、設計思路進行了分析和總結，主要包含地鐵無線覆蓋特點、接入系統及設計指標、系統間的干擾分析、2G/3G地鐵無線覆蓋方式、分區方式以及后期問題改進與新技術展望。由于地鐵建設在我國正如火如荼地展開，對于地鐵的無線覆蓋建設，希望本文能為廣大電信工程技術人員提供參考和借鑒，同時本文總結的一些工程實施問題和經驗，也希望能為其他類似的工程設計提供前車之鑒，避免走彎路。

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