地鐵應(yīng)用場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案探討

李可才

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引 言

5G基建是近年來(lái)政府及通信運(yùn)營(yíng)商的重點(diǎn)工作之一，其中5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)又是重中之重。地鐵應(yīng)用場(chǎng)景中5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地位和意義非常重要，因?yàn)榈罔F場(chǎng)景是城市的品牌形象，所以地鐵場(chǎng)景的5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量影響著通信運(yùn)營(yíng)商的口碑。但是，地鐵場(chǎng)景由于無(wú)線傳播環(huán)境復(fù)雜，業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)鮮明，其5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案也有其特殊性。本文對(duì)地鐵場(chǎng)景進(jìn)行了細(xì)分類，分為站廳站臺(tái)、機(jī)房與辦公區(qū)以及隧道3種子場(chǎng)景，以全面地綜合分析地鐵不同子場(chǎng)景的差異化5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案。

1 地鐵場(chǎng)景細(xì)分及其業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)

根據(jù)無(wú)線傳播環(huán)境和業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)的不同，可將地鐵場(chǎng)景分為站臺(tái)站廳區(qū)、機(jī)房與辦公區(qū)以及隧道區(qū)3種子場(chǎng)景。各子場(chǎng)景的特點(diǎn)如表1所示。

表1 地鐵子場(chǎng)景劃分及其特點(diǎn)

2 地鐵場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)特點(diǎn)

地鐵場(chǎng)景無(wú)線傳播環(huán)境復(fù)雜、業(yè)務(wù)需求多變，同時(shí)在施工安裝和共建共享方面也有其特殊要求，對(duì)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，實(shí)際建設(shè)中有以下特點(diǎn)[1]。

一是業(yè)務(wù)密集且隨時(shí)間變化明顯，對(duì)容量規(guī)劃提出了挑戰(zhàn)。人員非常集中，單位面積內(nèi)用戶數(shù)量巨大。數(shù)據(jù)流量使用需求較大，尤其是在站臺(tái)和列車內(nèi)，乘客通常會(huì)發(fā)生瀏覽視頻和收聽在線音樂等高數(shù)據(jù)流量行為。另外在時(shí)間方面非常集中，有著較為明顯的潮汐效應(yīng)，業(yè)務(wù)主要集中在上下班高峰時(shí)段，而在周末及平日非上下班時(shí)段業(yè)務(wù)趨于平穩(wěn)，在地鐵非運(yùn)營(yíng)時(shí)段業(yè)務(wù)需求趨于零。這對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的容量規(guī)劃、頻段配置以及小區(qū)劃分設(shè)置等方面提出了高要求。

二是地鐵作為高等級(jí)的公共場(chǎng)所，管理非常嚴(yán)格，建設(shè)方案和施工維護(hù)嚴(yán)重受限。在地鐵內(nèi)施工有著嚴(yán)格的時(shí)間限制，需要嚴(yán)格履行申請(qǐng)和備案等相關(guān)管理流程，做好施工應(yīng)急預(yù)案。統(tǒng)籌規(guī)劃，減少施工進(jìn)場(chǎng)次數(shù)，考慮多家運(yùn)營(yíng)商共建共享，力爭(zhēng)一次進(jìn)場(chǎng)完成所有施工。在實(shí)施方案方面，地鐵隧道內(nèi)難以布置4條泄露電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)4×4MIMO，空間有限，還布放有通信專網(wǎng)和公安系統(tǒng)等的漏纜，因此電信運(yùn)營(yíng)商通常只建設(shè)兩條泄露電纜。另外，在天線安裝點(diǎn)位的確定方面也受到諸多限制，這樣就不能充分體現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

三是多家通信運(yùn)營(yíng)商共享室分系統(tǒng)，干擾及相互影響增多。目前國(guó)內(nèi)有4家基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)商，每家運(yùn)營(yíng)商又存在多種技術(shù)制式，在地鐵內(nèi)建設(shè)的室分系統(tǒng)，尤其是隧道區(qū)的泄露電纜，通常是通過POI進(jìn)行合路來(lái)滿足多家通信運(yùn)營(yíng)者多種網(wǎng)絡(luò)制式的需求。此外地鐵內(nèi)干擾較為嚴(yán)重，需要進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)。

3 5G網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案

3.1 鏈路預(yù)算

為指導(dǎo)5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋規(guī)劃，需要先開展鏈路預(yù)算，它是5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的基礎(chǔ)工作，輸出結(jié)果為允許的最大路徑衰耗，進(jìn)而得到覆蓋距離[2]。在隧道區(qū)間內(nèi)，通過布放泄露電纜的方式來(lái)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，單側(cè)覆蓋長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

式中，D為覆蓋距離，單位為m；Pin是指基站主設(shè)備發(fā)射功率，取RS信道的功率，單位是dBm；Pr為要求的列車內(nèi)邊緣覆蓋場(chǎng)強(qiáng)，單位為dBm；Ll為基站設(shè)備發(fā)射端口至泄露電纜之間的總損耗，包括跳線及接頭損耗、POI損耗，單位為dB；L2為陰影衰落余量，單位為dB；L3為車體穿透損耗，單位為dB；L4為泄露電纜耦合損耗，單位為dB；L5表示寬度因子，單位為dB，其值為20lg(d0/2)，d0為用戶終端距泄露電纜的距離；L6的含義是人體衰耗，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型取0 dB，語(yǔ)音業(yè)務(wù)類型取3 dB；S為泄露電纜每米傳輸損耗。典型計(jì)算結(jié)果參見表2，以指導(dǎo)地鐵隧道區(qū)間的5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋設(shè)計(jì)。

表2 5G網(wǎng)絡(luò)地鐵隧道區(qū)域鏈路預(yù)算結(jié)果

站臺(tái)、站廳區(qū)域的鏈路預(yù)算基本與常規(guī)室內(nèi)分布信號(hào)系統(tǒng)一致，其流程是通過鏈路預(yù)算求得允許的最大傳輸衰耗，然后結(jié)合傳播模型可獲得能覆蓋的最大范圍d，其中的傳播模型采用受限的室內(nèi)自由空間傳播模型。計(jì)算的公式為：

式中，PL(d)表示距離為d的總傳輸損耗值；PL(d0)的含義是自由空間衰耗值（當(dāng)距離為近地點(diǎn)參考距離d0時(shí)）；d表示距離，單位為m；d0表示近地參考距離，單位為m，通?？扇? m；β的含義是路徑衰耗系數(shù)；FAF表示隔墻損耗，取值為5～20 dB；f表示工作頻率，單位為MHz。

中國(guó)移動(dòng)使用2.6 GHz作為5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋，聯(lián)通和電信則使用3.5 GHz頻段。由于與2.6 GHz頻段相比，3.5 GHz具有更好的覆蓋性能，因此在考慮多運(yùn)營(yíng)商共建共享時(shí)，可按3.5 GHz頻段來(lái)進(jìn)行規(guī)劃，若3.5 GHz頻段滿足覆蓋需求則2.6 GHz頻段亦滿足。

3.2 站臺(tái)站廳覆蓋方案

站臺(tái)站廳為乘客滯留和換乘區(qū)域，人流量大，是容量密度需求最高的區(qū)域，建議采用有源分布系統(tǒng)方式建設(shè)，實(shí)現(xiàn)4T4R，充分發(fā)揮5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3]。有源室內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)也稱作數(shù)字化室內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)，主要組成部分包括基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）、遠(yuǎn)端匯聚單元（PicoRemote Radio Unit Bridge，P-Bridge）以及遠(yuǎn)端射頻單元（Pico Remote Radio Unit，pRRU），pRRU與P-Bridge間通過光電混合電纜連接起來(lái)，滿足pRRU設(shè)備的電源供應(yīng)及信號(hào)回傳要求。pRRU可采用”W”型交叉布置，安裝間距可根據(jù)容量需求、發(fā)射功率以及實(shí)際安裝條件綜合確定，建議間距為25～35 m。BBU與P-Bridge之間通過室內(nèi)5類及以上纜線相連接，或采用光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在方案實(shí)施方面，對(duì)于同一運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)，基本都是采用同一廠家的基站設(shè)備，可采用同時(shí)支持4G+5G的雙?；驹O(shè)備，在原4G設(shè)備位置進(jìn)行原位替換，這樣可以實(shí)現(xiàn)通過同一套硬件設(shè)備來(lái)滿足4G+5G兩網(wǎng)需求，從而大大提高施工的可行性。采用有源分布信號(hào)系統(tǒng)方式（數(shù)字化分布系統(tǒng)）的方案如圖1所示。

圖1 有源分布信號(hào)系統(tǒng)組成圖

在站臺(tái)站廳區(qū)采用有源分布系統(tǒng)方案主要是基于以下考慮。一是有源分布系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)端射頻單元與天線合一的pRRU構(gòu)成，實(shí)質(zhì)是屬于基站主設(shè)備，可以更為靈活地配置和調(diào)整容量，滿足不斷變化的業(yè)務(wù)需求。二是原有室內(nèi)分布信號(hào)系統(tǒng)器件和天線通常不支持電信聯(lián)通的3.5 GHz頻段，僅支持800～2 700 MHz頻段，這樣就無(wú)法通過合路的方式共享原有室內(nèi)分布系統(tǒng)來(lái)滿足電信和聯(lián)通的需求[4]。三是采用有源分布系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備（含天線）的監(jiān)控，更方便地實(shí)現(xiàn)4T4R功能以提升網(wǎng)絡(luò)性能，在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)潛能方面更容易實(shí)現(xiàn)“線不動(dòng)，點(diǎn)不增”的平滑升級(jí)。

3.3 機(jī)房與辦公區(qū)覆蓋方案

機(jī)房與辦公區(qū)包括車站管理用房、設(shè)備機(jī)房以及商業(yè)區(qū)等多種類型。此類區(qū)域業(yè)務(wù)密度較低，和普通房間相比沒有明顯的差異。在此區(qū)域的室分可采用兩種方案，一種是傳統(tǒng)無(wú)源分布系統(tǒng)，在實(shí)施方面，由于車站辦公區(qū)的施工管理?xiàng)l件及天線美化安裝等并不特別苛刻，可新建無(wú)源分布系統(tǒng)，或?qū)ΜF(xiàn)有DAS室分系統(tǒng)進(jìn)行改造，將原不支持3.5 GHz頻段的無(wú)源器件和天線進(jìn)行替換，從而能將5G信號(hào)源合路到傳統(tǒng)無(wú)源分布系統(tǒng)DAS系統(tǒng)中去，其優(yōu)點(diǎn)是方案投資相對(duì)較低。另一種是與站臺(tái)站廳部分的方案相結(jié)合，可視業(yè)務(wù)需求情況及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使辦公區(qū)成為站臺(tái)站廳區(qū)域的擴(kuò)展覆蓋區(qū)域，與站臺(tái)站廳部分合并考慮采用有源室分信號(hào)方案。

3.4 隧道區(qū)覆蓋方案

隧道區(qū)是狹長(zhǎng)的管狀封閉空間，結(jié)合隧道實(shí)際安裝條件及管理要求，采用漏纜進(jìn)行覆蓋，采用4纜或雙纜方案進(jìn)行部署[5]。對(duì)于漏纜的選型，在地鐵內(nèi)現(xiàn)有的漏纜型號(hào)為13/8”，截止頻率通常為2 700 MHz，無(wú)法支持電信聯(lián)通5G頻段（3.5 GHz），但能夠支持移動(dòng)5G頻段（2.6 GHz）[6]。目前市面上已有支持800～3 600 MHz的全頻段5/4”泄漏電纜，也有支持1 400～3 600 MHz的5/4”泄漏電纜，因此為滿足多家運(yùn)營(yíng)商共建共享需求，可采用新型5/4”泄漏電纜[7]。對(duì)于電纜的根數(shù)，理想的是新增4根電纜，優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)4T4R功能，傳輸速率高，便于后期系統(tǒng)割接，減少各系統(tǒng)間干擾，但缺點(diǎn)是工程量大，投資高。另外，由于地鐵隧道安全性要求極高，通常還有地鐵專網(wǎng)和公安系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的漏纜，空間受限，因此運(yùn)營(yíng)商要布置4根漏纜在部分場(chǎng)景很難得到批準(zhǔn)實(shí)施，折中的方案是布置兩根漏纜，容易實(shí)施，投資也相對(duì)較低，但缺點(diǎn)是5G網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)2T2R，傳輸速率方面不能充分發(fā)揮5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由前述鏈路預(yù)算的結(jié)果可知，泄露電纜單側(cè)覆蓋范圍在250～300 m左右，但是兩個(gè)地鐵站點(diǎn)之間的隧道區(qū)域長(zhǎng)度一般在800～2 000 m，因此同一隧道區(qū)間需設(shè)置多段漏纜，在隧道內(nèi)設(shè)置設(shè)備安裝點(diǎn)。地鐵隧道區(qū)域方案組成如圖2所示。

圖2 地鐵隧道區(qū)域方案組成圖

3.5 共建共享方案

3.5.1 頻率方案

地鐵隧道5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)分布信號(hào)系統(tǒng)的建設(shè)需要考慮多家基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)商多種通信技術(shù)體制的共享，建設(shè)方案需考慮頻率差異和特點(diǎn)。各基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)者的通信技術(shù)體制頻率如表3所示，聯(lián)通與電信5G網(wǎng)主要采用3 400～3 600 MHz段，而中國(guó)移動(dòng)5G網(wǎng)主要采用2.6 GHz段。聯(lián)通與電信已簽訂共享框架協(xié)議，將共建共享5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)中國(guó)廣電也與移動(dòng)達(dá)成共享協(xié)議，中國(guó)廣電將付費(fèi)共享使用中國(guó)移動(dòng)的5G網(wǎng)絡(luò)。

表3 中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)者頻段分配表

3.5.2 POI設(shè)置方案

為了滿足多個(gè)通信運(yùn)營(yíng)者及多頻段系統(tǒng)信號(hào)源合路需求，POI應(yīng)運(yùn)而生。它是一種高性能的合路設(shè)備，具有插入損耗和系統(tǒng)之間干擾很小的特點(diǎn)[8]。隨著通信技術(shù)制式的新增及共建共享新需求，對(duì)POI設(shè)備性能方面的要求也越來(lái)越高。為滿足各運(yùn)營(yíng)商通信各種通信制式的需求，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)支持16頻的POI。為達(dá)到減小互調(diào)干擾的目的，POI三階互調(diào)性能必須優(yōu)于-155 dBc@43×2 dBm，使用DIN型接頭連接POI端口。POI的類型有標(biāo)準(zhǔn)型和透?jìng)餍?，為了?shí)現(xiàn)800 MHz和900 MHz等低頻系統(tǒng)的信號(hào)透?jìng)?，?jié)約低頻率段信號(hào)源設(shè)備投資，需配備一定數(shù)量的透?jìng)餍蚉OI與標(biāo)準(zhǔn)型POI相結(jié)合使用。

3.5.3 干擾控制

地鐵作為公共基礎(chǔ)設(shè)施，其室內(nèi)分布系統(tǒng)通常需要多家電信業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)者共建共享，與此同時(shí)，每家電信業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)者有多種技術(shù)體制，這使得地鐵場(chǎng)景通信系統(tǒng)之間的干擾問題較為嚴(yán)重。干擾控制和規(guī)避的主要目的是保證不同技術(shù)體制公網(wǎng)系統(tǒng)之間及公網(wǎng)與其他專網(wǎng)之間的干擾不至于影響系統(tǒng)正常工作，滿足相關(guān)性能指標(biāo)要求?？傮w上干擾可以分為系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾兩個(gè)方面。系統(tǒng)內(nèi)干擾產(chǎn)生原因有同頻干擾和鄰頻干擾等因素，可以采用合理規(guī)劃頻率進(jìn)行小區(qū)劃分及切換參數(shù)設(shè)置等措施來(lái)減小其影響。系統(tǒng)間干擾主要包括接收機(jī)互調(diào)干擾、接收機(jī)阻塞干擾以及雜散干擾[9]。對(duì)于地鐵場(chǎng)景，系統(tǒng)間干擾主要通過選擇高性能的器件來(lái)避免，如選擇內(nèi)含高性能濾波器的POI，以增加隔離度，提高POI設(shè)備的三階互調(diào)指標(biāo)性能。POI輸出空余端口應(yīng)采用200 W假負(fù)載進(jìn)行封堵，同時(shí)也要提高分布系統(tǒng)的施工工藝質(zhì)量。例如，為避免后續(xù)器件接頭松動(dòng)帶來(lái)的干擾增加，應(yīng)盡量增大饋線彎曲半徑，器件連接避免采用直連的方式，雙路室內(nèi)分布系統(tǒng)不平衡度小于3 dB，饋線系統(tǒng)駐波比控制在1.3以下[10]。

4 結(jié) 論

地鐵場(chǎng)景較為復(fù)雜，本文根據(jù)地鐵場(chǎng)景的細(xì)分，較為全面地分析了不同子場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)解決方案，對(duì)實(shí)際5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)具有一定地參考意義，但是通信技術(shù)更新?lián)Q代迅速，因此網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案需根據(jù)設(shè)備產(chǎn)品及技術(shù)進(jìn)步情況不斷更新。