轨道交通覆盖设计及优化

姚赛彬 李鹏飞 戚喜成

（1 中国联通上海市分公司 上海 200080）

(2 中国联通研究设计院上海分公司 上海 200080）

2010年上海轨道交通线网运营里程达410km（不含磁浮示范线），位居世界第一，日均客流量已达600万人次，高峰已接近700万人次。为保证乘客的通信感受和服务质量，特别是高峰拥挤时段的乘客正常通信需求，中国联通上海市分公司针对轨道交通建筑特点、列车构造进行分析研究，制订新老线路建设、优化和改造专题技术方案。通过总结优化策略和研究，推广于轨道交通GSM&WCDMA网整体建设、规划以及优化工作中。

1 研究背景

1.1 上海轨道交通建设

截止到2010年4月20日，上海轨道交通线网已开通运营11条线、266座车站，运营里程达410km（不含磁浮示范线），位居世界第一。另有全线位于世博园区内，仅供世博园游客和工作人员搭乘的世博专线，近期及远期规划达到510km和970km。

1.2 地铁列车分类

参照国际通行标准，城市轨道交通列车可分为A、B、C三种型号，分别对应3m、2.8m、2.6m的列车宽度。上海轨道交通主要采用A型（1、2、3、4、7、9、10、11号线），采用6或8节编组列车；以及C型（5、6、8号线），采用4节编组列车，列车的车型和编组决定了车轴重量和站台长度。A型车是目前最高端的城市轨道交通列车。其特点是车体宽和编组大，6节编组A型列车最大载客量为2460人，上海轨道交通1、2号线的阿尔斯通和西门子8节编组A型列车最大载客量达到3280人。

1.3 列车运营人流量、话务需求

根据高峰时段站内候车、出入站人数和车内人数一样计算，实际高峰时段单站最多人流将达到6560人。根据预测话务量＝覆盖面积（最大容纳人数）×手机使用率×移动市场占有率×运营商人均话务量。

以联通20%用户占比计算，约为1300人，以10%的手机使用率和人均0.013Erl计算，单站约1.69Erl发生。

而以2010年上海轨道交通日均客流量600万人进行计算，上海联通用户轨道交通内的话务预估量=6000000×10%×20%×0.013＝ 1560Erl。

2010年5月轨道交通室内站点的话务统计显示，5月31天的最高日话务量1661.43Erl，最少日话务量949.83Erl，平均 1374.58Erl。

2 上海联通在轨道交通内的现状

上海联通自1998年开始参与上海轨道交通的覆盖建设，已完成1、2、4、6、8（一期）、9（一期）号线等地下站点的GSM网覆盖建设，自2009年底，开始对1、2、4、6、7、8、9、10、11、13号线等地下站点的WCDMA网覆盖建设，同时对3、5号线以及其余线路地面站点的GSM&WCDMA双网的覆盖建设、优化。

2.1 轨道交通地下站点的WCDMA覆盖需求

随着上海联通WCDMA网业务的发展，以及大量3G用户实际使用要求，对于重点交通比如机场、火车站、长途客运以及轨道交通等的建设需求也逐步显现，位于地面的机场候机楼、火车站候车室、长途客运来说，由于宏站的建设也能解决多数区域的覆盖问题，最大需求点反而集中在容量上。

而轨道交通，由于多数站点位于地下、站厅、站台、换乘通道以及隧道间的覆盖问题，是一个必须通过室内分布系统建设才能解决。而竞争对手中，TD的建设由于奥运以及世博的需求，移动公司已先一步完成了网络架设，EV-DO则通过和cdma 1x的同站同柜的扩容升级也在2009年中完成。因此快速、有效完成WCDMA网在轨道交通地下站点的网络覆盖建设也日益迫切。

2.2 老线路的GSM网覆盖问题

上海轨道交通1、2号线地下站点分布系统建设于2000年左右，已运行约10年，4、6、8、9号线也已运行有5年左右，不仅存在了线路老化问题，设计思路和设备性能也和现在存在差距。同时各运营商对地铁线路的3G改造也对2G网络的覆盖产生了影响。通过前期的摸底测试及统计分析，如表1所示。

由于测试基本在白天完成，考虑早晚上下班高峰时密集人流量增加阻挡10～15dB的衰减，非高峰RXLevel低于80dBm，在人流高峰时都会存在一定的弱覆盖。因此除4号线以外，其余几条线的隧道都会出现GSM网弱覆盖乃至脱网问题，而日常的用户投诉以及后台统计的掉话等指标也验证了这一点。

3 轨道交通GSM&WCDMA网覆盖建设、优化及研究

针对轨道交通的运行现状、各网络覆盖情况、现有技术手段等各方面的综合分析，从WCDMA网络规划设计、覆盖优化以及GSM网技术设备升级等方面着手实施，确定了两个方面的实施策略：针对新线路GSM&WCDMA网兼顾、合理设计；针对老线路WCDMA网增补，GSM网设备升级、线路改造。

3.1 轨道交通GSM&WCDMA网覆盖指标

3.1.1 上海联通GSM网(包括GSM900和DCS1800)

（1）无线信道的呼损率小于2%，无线信道的接通率大于98%；

（2）同频干扰保护比：C/I≥9dB（开跳频）；C/I≥12dB（不开跳频）；邻频干扰保护比：200kHz邻频道干扰保护比C/I≥-6dB；400kHz邻频道干扰保护比C/I≥-38dB；

表1 前期摸底测试情况

（3）无线覆盖区内可接通率： 要求在无线覆盖区内的95%位置，99%的时间移动台可接入网络；

（4）室内无线覆盖边缘场强：不小于-75dBm；室内封闭区域不小于-85dBm；（轨道交通地下站点考虑车内人流阻挡取-80dBm）；

（5）室内覆盖信号泄漏：在距离建筑10～15m处室内覆盖系统场强降到-85dBm以下；

（6）在基站接收端位置收到的上行噪声电平小于-120dBm；

（7）室内天线的发射功率小于15dBm/每载波；

（8）覆盖区与周围各小区之间有良好的无间断切换；

（9）室内覆盖区域误码率（RxQual）等级为3以下的地方占95%以上。

3.1.2 WCDMA网

3.1.2.1 无线覆盖边缘导频（CPICH）（下行75%负载、上行50%负载）

重要楼宇或区域(高速数据业务)：导频覆盖边缘场强不小于-85dBm且Ec/Io≥-10；（轨道交通地下站点考虑车内人流阻挡取本值）；

次重要楼宇或区域(低速数据业务)：导频覆盖边缘场强不小于-90dBm且Ec/Io≥-12；

一般性楼宇或区域(语音业务、可视电话业务)：导频覆盖边缘场强不小于-95dBm且Ec/Io≥-14。

3.1.2.2 通话效果

对于12.2kbit/s 的语音业务，BLER不大于1%；

对于64kbit/s的CS数据业务，BLER不大于0.5%；

对于PS数据业务，BLER不大于10%；

覆盖区域内通话应清晰，无断续、回声等现象。

3.1.2.3 泄露指标

导频信号在室外10m处不大于-90dBm，或室外10m处小于室外主导频强度10dB以上。

3.1.2.4 天线输出功率

一般区域0～5dBm，推荐3dBm左右；

特殊区域5～10dBm，推荐7dBm左右。

3.1.2.5 链路平衡

在设置直放站和干线放大器的增益时，需尽量调整上下行增益确保上下行链路平衡。特别注意如使用上下行分路双纤传输的光纤直放站时，需考虑上下行光纤路由衰耗的不同，通过光测量仪器测量其差异。

原则上要求上下行链路损耗相差不大于3dB，最大不超过5dB。

注：上海联通目前未启用WCDMA网光纤直放站、干线放大器等设备，因此该项暂不考虑。

3.2 轨道交通地下站点覆盖设计及分析

由于上海轨道交通的建设历时10余年，各条线路的覆盖建设包括分布系统也有早有晚，因此较多线路只有2G系统（移动GSM、电信CDMA、联通GSM）的接入，或者2G系统+移动TD（电信EV-DO和cdma 1x合路不做新的计算），因此联通WCDMA的接入，必须在该些系统之上进行改造接入。

下面就多系统的接入设计进行分析（POI系统兼顾地铁内其它合路网络）。

3.2.1 站厅层设计（新建系统）

地铁的站厅一般比较空旷，面积在3000～6000m2之间，人流比较密集，但移动速率比较慢，站厅的无线覆盖可以采用常规楼宇的天线阵来进行，一般站站厅只需要一套POI设备即可满足覆盖需求。

采用电波自由空间传播损耗结合障碍物阻挡模式进行，其自由空间传播损耗计算公式为：

Ls＝（4πdλ）2＝（4πdf/c）2

式中：d为传输距离,单位为m；f为电波频率,单位为Hz；c为光速。

用对数表示为：

Ls（dB）＝ 101g(4πdf/c)2＝201g(4π/c)＋201gf＋ 201gd＝ 32.45＋ 201gf（MHz）＋ 201gd（km）

式中：Ls为电磁波在自由空间传播时的传输损耗；f为所选取频率；c为3×108m/s。

表2 各系统空间损耗

天线点位间距一般为20～30m之间，半径为10～15m左右，建议采用多天线小功率来覆盖站厅，考虑到人流密度，系统储备余量，根据工程经验建议天线半径10m左右。

3.2.2 站台设计（新建系统）

站台的覆盖采用天线阵和泄露电缆相结合的方式来完成覆盖。泄露电缆从站台侧壁中轴线开始敷设。各运营商的信源接入POI后，从机房的馈线跳接到泄露电缆上，进行无线覆盖，在跳接之前一般耦合出一路信号覆盖站台，因此，站台和隧道区间均在同一个小区内。

3.2.3 隧道区间覆盖设计（新建系统）

上海轨道交通内主要使用的泄露电缆为安弗施和安德鲁两家的1-5/8″泄露电缆。以安德鲁RCT7-CPUS-3A-AX型号为例，各系统隧道区间覆盖范围如表5所示。

表3 各系统边缘场强以及设计余量

表4 站台各系统边缘场强以及设计余量

通过以上计算可以得出对于两站隧道区间距离在1500m时，电信CDMA，联通和移动的GSM能够覆盖良好，达到边缘场强-85dBm的设计要求，超过1500m则需要在隧道区间增加2G有源设备；但3G信号在泄露电缆上输出310m后就出现弱覆盖了，必须在隧道区间内开端漏缆来增加RRU设备。

为了兼顾2G、3G以及WLAN各系统的覆盖需求，两个地铁站之间每隔500～600m左右就需要进行开端一次。目前地铁内实际安装情况如下。

（1）0.8km以下隧道区间无需开段；

（2）0.8～1.4km隧道区间开一段；

（3）1.4～2km隧道区间开两段；

（4）超过2km则需开3段。

此外，断点的数量与机房内POI设备的插损以及机房只隧道泄露电缆间的馈线长度有很大影响。（POI设备的插损见POI系统的分析，本文不做细述）

3.2.4 （改造系统）

3.2.4.1 站厅设计

鉴于移动已在所有老线路上完成了TD改造，对于WCDMA网的站厅覆盖可以考虑在移动TD后级合路点进行改造，上海联通采用C/G&TD&WCDMA三频合路器替换移动已有合路器高低频合路器。

这种接入方式对移动TD以及原有的2G系统无任何影响。

3.2.4.2 站台及区间设计

站台和隧道区间是采用泄漏电缆上下行分缆方式进行覆盖。

现通过将原隧道内分布系统泄漏电缆断开，新增WCDMA信源接入点，增加多频段合路器，达到覆盖的要求。

多频段上行合路器：CDMA/GSM/TD/WLAN&WCDMA上行合路器。

多频段下行合路器：DTV/CDMA/GSM/TD/WLAN&WCDMA下行合路器。

以两者的合路进泄漏电缆的方式进行分析：

泄露电缆和馈线等无源器件，在其任何一段输入信号，都可以进行信号的传播，即使在其两侧同时输入信号，也可以向两头分别输出信号，因此，对于泄露电缆的断开再接入其它信源，除开接入损耗外无其它影响。

表5 各系统隧道区间覆盖问题

图1 RRU覆盖方式

RRU往单侧覆盖，仅需要对泄露电缆断开接入合路器即可，每个断点对于2G约产生0.5dB的损耗。

RRU往两侧覆盖，需要对泄露电缆断开接入两个合路器即可，每个断点对于2G约产生1dB的损耗。

若考虑原有系统的老化，原2G系统相比设计初的差值更大。因此在对老线路进行WCDMA网该站的同时，需要对老线路的GSM网系统进行必要的复测、评估以及必要的改造。

3.3 老线路GSM网覆盖改进

对比测试上海联通GSM网和上海移动GSM网，上海移动轨道交通地下部分的RX-Level大于80dBm的比率基本在90%左右，且隧道中移动手机基本无脱网现象。

以8号线为例：上海联通地铁8号线整体覆盖比较弱，电平大于-80dBm的占74.52%，大于-90dBm的占89.82%，平均电平78.9dBm；而移动公司在8号线内电平大于-80dBm的占93.19%，大于-90dBm的占99.46%，平均电平68.3dBm。

相比移动公司，上海联通GSM网在隧道内的覆盖水平较差。

3.3.1 原因分析及改进措施

上海联通GSM网在8号线（包括1、2、6、9号线）采用单扇区配置，覆盖隧道和站台的信号通过三功分分路覆盖。考虑这种配置的功率损耗，至少一个三功分4.8dB损耗（考虑差损，可能达到5dB以上）。而移动为三扇区配置。

以5dB的差值计算隧道泄露电缆的传播距离（原设计边缘场强为-85dBm），联通GSM网在相邻两站隧道中间区段存在RX小于-90dBm甚至更弱情况，这也和部分站点中间GSM网出现脱网或者切换掉话相吻合。

而参考4号线，原建设的站点由上海联通牵头进行集约化建设，根据隧道情况进行了如下设计：

上海联通GSM网即采用三扇区的配置，站台独立为一个扇区，两侧隧道各独立一个扇区，基本确保了隧道内联通GSM网的良好覆盖。

这样，我们在地铁中的GSM网覆盖增强方案就出来了：采用类似4号线的三扇区配置方案（即有多少POI端口，配置多少个扇区）。

3.3.2 改进情况

2010年4月，上海联通移动网优中心通过协调上海申通地铁公司，对1、2、4、6、8、9号线共计80个站点进行多扇区扩容、线路整改及POI改造（1、2号线POI需要拆开重置具体改造方案见其它文本，这里不做细述）。经整体复测，该批线路内GSM网络覆盖明显改善，通话质量大幅提高，为上海世博会地铁运营提供了保障。

图2 不同扇区配置示意图

以8号线为例，改造后GSM网的覆盖大幅改善，Rx-Level大于80dBm比例达到90.64%。

3.4 现网概况

截至2010年6月，上海联通已完成全部地铁线路（包括世博专线）地下站点的GSM网覆盖建设、WCDMA网增补建设以及GSM/WCDMA网优化工作，总计涉及199个地铁站点，199个GSM网基站，200个WCDMA网基站。

4 总结及后续研究

本次上海轨道交通地下站点GSM/WCDMA网建设、优化等经验将在轨道交通持续性优化中将进一步推广实施。

而对于剩余的近70个地面或高架站点，以及穿行于密集城市区域及远近郊约70段运行线路，鉴于列车高速运行（60～80km/s）于市区高架或密集商业区，阻挡较多，无线情况更加复杂，这一部分两网覆盖建设和优化将是后续的工作重点，目前已有的部分思路比如采用街道站：通过站点的地面辅助建筑，RRU拉远增加独立扇区覆盖站点周边道路及商业区；采用地面宏站：通过高架站点的屋顶平台，增加宏站覆盖站点周边商业密集区，另独立扇区路覆盖列车行进路线等。