基于5G的地鐵覆蓋技術

高松，蘇雷，程永明

（1.中國移動通信集團山東有限公司，山東 濟南 250001；2.中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司，山東 濟南 250100）

0 引言

地鐵人群規模大、乘客乘坐時間長、流動頻繁的情況以及地鐵本身信息化建設的需求，使5G 通信需求日益迫切。濟南地鐵R3 線貫穿濟南東部南北方向，全程設立13 座車站，在2019 年率先實現5G 網絡全線覆蓋，全程下載速率達到1 Gbps，為全國地鐵首例，打造成為泉城“智慧交通”新名片。本文將對上述濟南地鐵5G 網絡覆蓋實施過程中的技術難點進行回顧分析，以總結值得歸納的經驗，供同行參考和研究。

1 覆蓋規劃及解決方案

濟南R3 地鐵采用創新的覆蓋解決方案，其中站廳、站臺采用分布式皮站進行覆蓋，隧道區域RRU+POI+泄漏電纜，全線支持中國移動所有頻段，實現2G/4G/5G 全覆蓋，覆蓋方案如圖1 所示。目前中國移動3G 網絡已陸續退網，相關頻段逐步重耕為4G 網絡使用。

圖1 站臺、站廳、隧道覆蓋方案示意圖

1.1 站臺、站廳覆蓋方案

通過實際勘測及需求評估，濟南R3 地鐵13 座車站均為地下車站。站廳、站臺采用pRRU 覆蓋，在多扇區的情況下利用物理阻擋方式劃分小區。采用ITU-R P.1238 室內傳播模型進行覆蓋評估：

該模型把傳播場景分為NLOS（Non Line of Sight，非視距）和LOS（Line of Sight，視距）。對于NLOS，模型所用的公式為：

其中Lf(n)為墻體穿透損耗系數。Xδ為慢衰落余量，其取值與覆蓋概率要求和室內慢衰落標準差有關。

對于LOS，模型所用的公式為：

根據測算，站廳層開放區域pRRU 間距為20 m，站臺層開放區域pRRU 間距為20 m，站廳層、站臺層半開放區域pRRU 間距為15～20 m，不同站臺可根據房間布局調整pRRU 位置。如圖2 所示。

圖2 站臺、站廳pRRU位置設計圖

1.2 隧道覆蓋方案

濟南R3 地鐵線隧道采用RRU+POI+泄漏電纜方式進行覆蓋，泄漏電纜型號為13/8，支持頻段范圍為8 00—2 700 MHz，可以實現全線移動網絡無縫覆蓋。

根據泄漏電纜損耗指標S（每百米損耗值），即可計算出滿足覆蓋目標下的最遠覆蓋距離D=PLmax/S。

其中輸入功率PLmax=PRRU-(LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4)。

各參數說明如下：

PRRU：RRU 的輸出功率；

LPOI：POI 系統的插損，一般設計要求POI 插損小于6 dB，此處取5 dB；

Pdes：接收端的覆蓋電平要求；

L1：泄漏電纜的耦合損耗；

L2：人體損耗，取3 dB；

L3：寬度因子，L3=10lg(d/2)，d 為移動臺距離漏纜的距離，寬度因子為3 dB；

L4：車體損耗。

為實現最佳覆蓋效果，上、下行泄漏電纜安裝高度應正好位于列車車窗范圍內，如圖3 所示。為充分發揮出LTE MIMO 的效果，同時考慮到隧道的高度，雙纜間距建議為600 mm。綜上，下方漏纜掛高為2 100 mm，上方漏纜掛高為2 700 mm。此外，為保證各系統的穩定性并抑制多系統合路干擾，全系統三階互調指標要求≤ -150 dBc。

區間隧道無線鏈路預算如表1 所示，由于LTE-D 頻段的頻率最高，理論覆蓋距離最短，綜合考慮各系統測算結果，隧道斷點間距設置為636 m。

2 容量規劃及解決方案

地鐵的功能場景相對單一，主要分為站廳、站臺和隧道。站廳及站臺區域相對人流聚集，涉及到地面的出入口、到地面的電梯及扶梯、到站臺的電梯及扶梯、商鋪，工作人員的辦公區、機房等區域，涉及覆蓋區域廣，在解決覆蓋需求的同時，還需要考慮后期容量需求的增長。綜合考慮濟南R3 地鐵各站廳、站臺實際需求，采用分布式皮站解決方案，即一套系統同時支持2G/4G/5G。該方案可充分利用分布式皮站多頻多模易部署、組網靈活等特點，解決不同場景下的無線覆蓋需求，同時，pRRU 體積小重量輕、容量大，可與宏網共監控、小區合并分裂方便，適合站臺、站廳等高流量的熱點區域覆蓋使用。相比于站臺、站廳場景，隧道區域的覆蓋要求相對單一，主要通過RRU+POI+泄漏電纜等方式進行覆蓋，并視具體容量和扇區劃分情況合理設置切換帶。

圖3 隧道漏纜位置設計圖

表1 區間隧道鏈路預算

5G 初期以eMBB 場景為主，重點關注單用戶速率、小區速率及時延方面的要求，地鐵場景的容量估算方法與其他場景的容量估算方法一致，但同一線路不同站點的客流情況大不相同，必須根據每個地鐵站點的情況，準確估算地鐵場景忙時的客流/用戶，建立準確的業務模型：

（1）忙時時間確定：

首先確定忙時，一般為早高峰（早上7 點到8 點）和晚高峰（晚上18 點到19 點）。

（2）忙時客流確定：

方法一：根據該站一天的客流量估算忙時同時在該站或隧道的客流數量；通常較容易獲取一個站全天的客流量A，但對LTE 和5G 容量估算來說，需要估算最忙時同時在該站的客流量B；估算一個乘客從進入該站到離開該站需要Y 分鐘，忙時的客流占全天的客流比為Z%；那么最忙時刻同時在該站的客流B=A*Z%*Y/60。

方法二：現場勘察估算忙時同一時刻在該站或隧道的乘客數；

①站廳站臺：合理的人均占地面積不小于2 m2；特殊情況下，人均占地面積不小于0.65 m2。

②隧道：獲取車輛類型，每節車廂最大載客量，列車最大幾節車廂。

例如，A 型車單節車廂最大運客量310 人，車廂為6 節，則一趟列車客流為1 860 人，考慮雙向隧道，客流則為3 720 人。如果高峰期列車發車間隔短，且該段隧道足夠長，有可能在該段單向隧道內同時有兩趟列車的情況發生，判斷算法如下：列車在該段隧道運行的時長Y 分鐘，在高峰時段列車的的發車間隔Z分鐘。如果Y＞Z，則在該段單向隧道內同時有兩趟列車的情況。

3 切換規劃及干擾控制

3.1 站廳站臺解決方案

應注意扇區劃分邊界的現場核實確認，在扇區規劃階段就應考慮切換及干擾控制，扇區邊界避免規劃在空曠區域及客流最大的地方，盡量利用物理建筑阻擋來規劃扇區，盡量避免出現3 個及以上的扇區有相同的邊界。如果有合適的物理阻擋，選擇合適的天線安裝位置，通常情況下僅用常用的全向吸頂天線就可保證切換及控制干擾。在容量特別大，僅靠物理建筑無法控制干擾的情況下，從天線選型上一定程度上控制干擾。適當采用一些定向吸頂天線或定向壁掛天線可一定程度上減小兩扇區間的干擾。

3.2 隧道解決方案

隧道內切換規劃需要綜合考慮有源設備能安裝的位置、兩相鄰站點分別安裝的有源設備的輸出功率、列車的運行速度、不同網絡制式的切換時間要求，根據所有這些輸入設置切換區域及切換距離。

切換區域設置如圖4，隧道內無有源設備，如在漏纜兩端的注入功率一致，切換區域將發生在隧道的正中間。

確定了切換區域后，還需要計算兩扇區的重疊覆蓋區域，確保足夠的重疊區域來保證切換成功，同時不因為重疊覆蓋區域過大造成兩扇區干擾過多。

圖4 單扇區地鐵站點扇區規劃示意圖

3.3 站臺小區與隧道小區解決方案

pRRU 信號不饋入漏纜，需要將pRRU 安裝在隧道口，以保證站臺pRRU 小區與隧道RRU 小區的正常切換，如圖5 所示。

圖5 站臺pRRU小區與隧道RRU小區切換示意圖

對于站臺到隧道之間的切換，由于列車進出隧道口時，部分車廂瞬時速度（進站時第一節車廂和出站時最后一節車廂瞬時速度最高）能夠達到30～40 km/h，因此需要考慮設計足夠的站臺與隧道小區之間的重疊覆蓋區，以滿足正常切換的要求。

3.4 隧道口解決方案

在地下站與地面站之間會有一個隧道口，列車從這里進出。需要考慮在隧道口增加半功率角小的定向天線來保證室內與室外小區的切換。

室外小區的重疊覆蓋距離的計算與室內隧道小區間的切換計算方法一致，不同的是需要現場測量室外站在隧道口的信號，掌握了隧道口室外的信號情況之后，根據重疊覆蓋距離要求，計算出天線的安裝位置及天線口輸出功率要求。通常建議天線安裝于隧道口，利于隧道阻擋天線的旁瓣，同時保證隧道室內小區在小功率注入天線的情況下盡可能覆蓋遠，保證與室外小區的切換。

4 結束語

濟南R3 線地鐵網絡開通后，經過測試，終端駐留5G 網絡時間比例達到99.3% 以上，平均SINR 達到21 dB 以上，全程平均下載速率為1 Gbps 以上，平均上傳速率達到85 Mbps 以上，成為全國首條5G精品地鐵線路。本文從地鐵場景的5G 網絡規劃設計方案入手，研究分析了無線信號覆蓋、容量規劃、小區切換、小區干擾等重點問題，根據濟南R3 線實際建設和測試的情況，給出了新型室分與泄漏電纜結合的解決方案，實踐證明該方案效果良好。總結發現，地鐵場景的5G 覆蓋需要特別留意站臺、站廳及隧道的統籌規劃因素。希望這些經驗能夠為其他地鐵線路5G 覆蓋提供些許參考。