5G地鐵信號覆蓋方案研究

摘 ?要：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷革新，人們?nèi)粘Ｉ畹谋憬莩潭纫苍诓粩嗵嵘瑫r我們的生活、城市的規(guī)劃和現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)也越來越緊密。5G技術(shù)作為時下的研究熱點，已開始進入人們?nèi)粘５纳钪?，隨著研究人員對于5G技術(shù)的不斷深入了解，相關(guān)應(yīng)用的不斷創(chuàng)新與普及，必將引發(fā)人們對通信需求的爆發(fā)式增長。因此，文章對地鐵通信5G技術(shù)的覆蓋方案進行了探討。

關(guān)鍵詞：5G站臺;地鐵隧道;信號覆蓋

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0064-03

Abstract：With the continuous innovation of modern communication technology，the convenience of peoples daily life is also improving. At the same time，our lives，urban planning and modern communication networks are becoming more and more closely related. As a current research hotspot，5G technology has begun to enter peoples daily lives. With peoples in-depth understanding of 5G technology，the continuous popularization and innovation of applications will inevitably trigger an explosive growth in peoples demand for communications. Therefore，here is a brief discussion on the coverage plan of subway communication 5G technology.

Keywords：5G platform;subway tunnel;signal coverage

0 ?引 ?言

在國家“提速降費”的要求下，近年來各大運營商開始推出大流量套餐，甚至不限流量的套餐，從而惠及用戶，數(shù)據(jù)流量的需求也得以釋放，伴隨抖音等應(yīng)用程序的增多，通信網(wǎng)絡(luò)在人們的生活中越來越重要，4G網(wǎng)絡(luò)越來越難滿足人們對移動通信網(wǎng)絡(luò)更大容量、更低時延的需求。截止到2019年4月，全國超過38個城市擁有地鐵。并且許多大城市，如北京、上海、深圳等擁有十數(shù)條地鐵線路。地鐵又是我國主要的交通工具，乘坐地鐵的過程中人們對于通信網(wǎng)絡(luò)的需求也越來越強烈，用于地鐵覆蓋的4G基站均是運營商高流量、超高流量的站點，因此地鐵的5G信號覆蓋，將直接影響運營商在消費者心目中的形象，意義重大。作為中國通信基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)企業(yè)中國鐵塔的一員，筆者深入了解并持續(xù)研究5G地鐵覆蓋技術(shù)，并提出方案以供參考。

1 ?地鐵的結(jié)構(gòu)特點

地鐵通信的覆蓋范圍一般包括整個地鐵建筑，主要由站廳、站臺、隧道組成。這三個部分對信號的需求不同，因此提升了了通信覆蓋區(qū)域的復(fù)雜性。站廳通常在地下一層，空曠，屬于密閉空間層;站臺通常在地下二層，與隧道相接，上下班高峰期人流量密集;地鐵大部分時間均在隧道中運行，隧道狹長，當?shù)罔F通過時，隧道內(nèi)剩余空間很小。

雖然5G信號傳輸速度快，延遲時間短，容量大，但其頻段高，波長短，覆蓋范圍小，穿透能力差，因此在復(fù)雜環(huán)境的軌道交通建設(shè)中，地鐵5G信號覆蓋工作將面臨更大的挑戰(zhàn)。

2 ?地鐵通信的需求

地鐵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對通信的構(gòu)建需求和質(zhì)量要求高，特別是5G通信。地鐵通信需求的特點為：

（1）上下班時間是地鐵最繁忙的時段，班次增多，人流量暴增，因此高峰期和低谷期存在巨大的需求差異;

（2）5G信號的波長短，穿透能力差，因此在隧道中傳播以及穿過地鐵車體時會產(chǎn)生嚴重的信號衰減;

（3）地鐵包括了站廳、站臺和隧道，場景復(fù)雜，對通信的切換能力要求較高;

（4）地鐵通信是多個運營商共同建造使用，空間小，運行系統(tǒng)多，容易產(chǎn)生相互干擾;

（5）地鐵民用通信和專用通信要互相隔離，互不串擾，在保證專用通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上構(gòu)建良好的民用通信。

3 ?地鐵5G通信建設(shè)的覆蓋方案討論

由于地鐵空間的復(fù)雜性，因此地鐵的站廳、站臺和隧道內(nèi)的信號覆蓋方式不同。站廳、站臺和傳統(tǒng)的室內(nèi)信號覆蓋的場景相似，需要滿足如下的幾個基本設(shè)計原則，部署方便、覆蓋范圍廣、容量大等。綜合考慮，通常是在空曠寬闊區(qū)域的頂層安裝，如站廳層、站臺層、辦公室等區(qū)域。而隧道內(nèi)空間狹小，列車經(jīng)過時，不但擠占了絕大部分空間，并且產(chǎn)生的風壓效應(yīng)也會增大5G通信建設(shè)的困難。

3.1 ?站臺、站廳的覆蓋方案

在站臺、站廳的通信覆蓋建設(shè)前，各運營商要確定其通信系統(tǒng)的信源設(shè)備，如宏蜂窩、微蜂窩、分布式基站等。移動的5G通信網(wǎng)絡(luò)頻段是2.6 GHz，電信和聯(lián)通的5G是3.5 GHz。傳統(tǒng)4G的覆蓋方法大多數(shù)是采用DAS系統(tǒng)（饋線、無源器件、室內(nèi)天線、分布式天線等）。市面上的DAS支持的頻段范圍為800 MHz ～2 700 MHz，因此雖然可以支持移動5G，但無法支持電信和聯(lián)通的5G。因此，改造是不可避免的。

對于移動的5G通信，現(xiàn)有的設(shè)備可以支持其5G頻段，能4G和5G合路，而聯(lián)通和電信則無法使用現(xiàn)有設(shè)備。即使可以合路，由于5G信源功率要求高，達160 W，而現(xiàn)有設(shè)備無法達到要求，因此需要多路信源疊加，增加了復(fù)雜度，并且無源分布式天線在不同通信頻段（5G、4G、3G、2G）的調(diào)試復(fù)雜，因此改造或新建5G網(wǎng)絡(luò)多數(shù)采用分布式室內(nèi)系統(tǒng)（Digital indoor system，DIS）。將傳統(tǒng)的1T1R、2T2R改造為4T4R。

3.2 ?隧道內(nèi)的覆蓋方案

由于隧道內(nèi)空間狹小，且列車通過時有強烈風壓，因此隧道內(nèi)是不能使用分布式天線作為通信方式的。目前地鐵隧道內(nèi)普遍采用的是通過泄漏電纜進行隧道內(nèi)的全覆蓋。傳統(tǒng)4G通信，隧道內(nèi)泄漏電纜多為2根，而在5G建設(shè)中，為了實現(xiàn)5G通信的傳輸速度快，延遲時間短，容量大等特點，為了支持4×4 MIMO，需要建設(shè)4根泄漏電纜供三大運營商使用。同時為了保證三個運營商的公共無線信號能夠在地鐵空間內(nèi)覆蓋，POI的頻段選擇需要綜合考慮。表1是三大運營商的頻率劃分，從表中可知，地鐵隧道內(nèi)的POI應(yīng)選擇在800 MHz～3 600 MHz之間。

為了方便隧道內(nèi)設(shè)備的安裝和安全并且提高隧道內(nèi)的信號覆蓋效果，建議將泄漏電纜的高度設(shè)在與列車車窗的中部等高處，并采用卡具方式固定，卡具間隔宜為1.0 m～1.3 m，其中每隔10 m～15 m設(shè)置1個防火卡具;在無襯砌隧道內(nèi)，漏泄電纜采用角鋼支架和鋼絲承力索加卡具方式架設(shè)，吊具間隔宜為1.0 m～1.3 m，其中每隔10 m～15 m設(shè)置1個防火卡具。如圖1所示。

由于地鐵內(nèi)的信覆蓋是存在多樣性的，站臺與隧道的信號覆蓋方式不同。乘客在上下車時，移動信號需要發(fā)生切換。通常有如下幾種設(shè)計方案，如圖2所示，需要根據(jù)設(shè)計需求，選擇最合適的方案進行設(shè)計。

方案1：隧道內(nèi)的泄漏電纜鋪滿整個地鐵線路，包括站臺候車點。結(jié)果會導(dǎo)致站臺候車點因此會存在兩種信源，泄漏電纜和DIS信源，互相存在干擾，但可通過設(shè)備功率優(yōu)化控制;

方案2：隧道內(nèi)的泄漏電纜鋪滿整個地鐵線路，包括站臺候車點，但站臺的DIS信源安放在隧道內(nèi)，結(jié)果同樣會導(dǎo)致站臺存在兩種信源，互相存在干擾，信號強度接近難以控制;

方案3：隧道內(nèi)由泄漏電纜覆蓋，站臺由DIS信源覆蓋，在兩者交匯處，有狹小區(qū)域使信號切換，存在切換不成功的現(xiàn)象;

方案4：隧道內(nèi)由泄漏電纜覆蓋，站臺由DIS信源覆蓋并且DIS信源安放在隧道，在兩者交匯處，有充足區(qū)域使信號切換，但是可能導(dǎo)致站臺、站廳的信號強度降低;

因此，建議正常地鐵建設(shè)優(yōu)先選用方案1，其次選擇方案4。

3.3 ?切換

在地鐵覆蓋中主要存在站臺與隧道間的切換、隧道中兩小區(qū)之間的切換、列車出入隧道與室外小區(qū)的切換。

3.3.1 ?站臺與隧道間的切換

由于在隧道和車站部分采用不同的建設(shè)方式和信源小區(qū)進行覆蓋，乘客在上下車時，移動臺將接收到不同小區(qū)的信號，需要發(fā)生信號切換，如圖3所示，在這個過程中由于車速較慢，重疊覆蓋區(qū)域在滿足切換時長要求的情況下，越小越好。

3.3.2 ?隧道中兩小區(qū)之間的切換

在隧道中運行列車上的移動臺在隧道中隨車輛移動時，通過來自不同基站信號的交會處時將會發(fā)生信號切換，如圖4所示，由于車速較快，重疊覆蓋區(qū)域應(yīng)滿足車速×切換時長×（1+余量）。

3.3.3 ?列車出入隧道與室外小區(qū)的切換

列車出隧道的過程中，其信號強度變化是隧道內(nèi)信號迅速減弱，隧道外信號迅速增強的過程;列車入隧道的過程中，其信號強度變化是隧道內(nèi)信號迅速增強，隧道外信號迅速減弱的過程，出入隧道其切換區(qū)不足會造成切換失敗，通常在隧道口泄漏電纜末端增加兩幅定向板狀天線對隧道出口方向進行覆蓋，與外部蜂窩基站形成足夠重疊區(qū)，達到切換的目的。

重疊覆蓋區(qū)域同樣應(yīng)滿足車速×切換時長×（1+余量），但距離不能太長，必須控制信號外泄，避免對隧道外的室外宏站覆蓋區(qū)造成干擾。出隧道時隧道內(nèi)外場強電平變化曲線如圖5所示。

3.4 ?干擾

在制定軌道交通隧道覆蓋方案過程中，干擾分析能有效提升信號質(zhì)量，降低并有效控制干擾值，確保公網(wǎng)與專網(wǎng)能同時正常工作且相互又無影響。

在地鐵覆蓋系統(tǒng)的建設(shè)和使用過程中，通常主要存在以下幾種干擾：同、鄰頻干擾，雜散干擾，接收機阻塞干擾，接收機互調(diào)干擾。軌道交通系統(tǒng)位于信號純凈的地下，只要做好相應(yīng)的頻率規(guī)劃即可消除同鄰頻干擾，但軌道交通通信系統(tǒng)為多個頻段使用同一天饋分布系統(tǒng)，這樣就使雜散干擾、接收機阻塞干擾、接收機互調(diào)干擾更加突出。為了盡量減少干擾的影響，并保證足夠的收發(fā)隔離度，一方面在POI內(nèi)加濾波器增加電路隔離，另一方面發(fā)射天線與接收天線分開接入兩條漏纜，增加空間隔離;控制設(shè)備功率，避免互調(diào)干擾。

4 ?結(jié) ?論

本文針對5G信號在地鐵中的覆蓋進行了簡單的解析，探討了5G信號在地鐵覆蓋中存在的技術(shù)難點和解決方案，隨著5G通信的成熟發(fā)展來來的日益增大的上行下載速度，在條件允許情況下4×4 MIMO方案是一個良好的選擇，泄漏電纜和DIS的分段信號分布能夠在有效降低成本的同時，提高地鐵隧道的通信容量和質(zhì)量。

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作者簡介：龔璐（1987.11—），男，漢族，重慶永川人，通信工程師，本科，研究方向：民用通信、5G建設(shè)及應(yīng)用。