地铁应用场景5G网络综合解决方案探讨

李可才

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）

0 引 言

5G基建是近年来政府及通信运营商的重点工作之一，其中5G无线网络的建设又是重中之重。地铁应用场景中5G无线网络覆盖的地位和意义非常重要，因为地铁场景是城市的品牌形象，所以地铁场景的5G网络质量影响着通信运营商的口碑。但是，地铁场景由于无线传播环境复杂，业务需求特点鲜明，其5G网络覆盖方案也有其特殊性。本文对地铁场景进行了细分类，分为站厅站台、机房与办公区以及隧道3种子场景，以全面地综合分析地铁不同子场景的差异化5G无线网络解决方案。

1 地铁场景细分及其业务需求特点

根据无线传播环境和业务需求特点的不同，可将地铁场景分为站台站厅区、机房与办公区以及隧道区3种子场景。各子场景的特点如表1所示。

表1 地铁子场景划分及其特点

2 地铁场景5G网络建设特点

地铁场景无线传播环境复杂、业务需求多变，同时在施工安装和共建共享方面也有其特殊要求，对5G无线网络的建设提出了严峻挑战，实际建设中有以下特点[1]。

一是业务密集且随时间变化明显，对容量规划提出了挑战。人员非常集中，单位面积内用户数量巨大。数据流量使用需求较大，尤其是在站台和列车内，乘客通常会发生浏览视频和收听在线音乐等高数据流量行为。另外在时间方面非常集中，有着较为明显的潮汐效应，业务主要集中在上下班高峰时段，而在周末及平日非上下班时段业务趋于平稳，在地铁非运营时段业务需求趋于零。这对5G网络的容量规划、频段配置以及小区划分设置等方面提出了高要求。

二是地铁作为高等级的公共场所，管理非常严格，建设方案和施工维护严重受限。在地铁内施工有着严格的时间限制，需要严格履行申请和备案等相关管理流程，做好施工应急预案。统筹规划，减少施工进场次数，考虑多家运营商共建共享，力争一次进场完成所有施工。在实施方案方面，地铁隧道内难以布置4条泄露电缆来实现4×4MIMO，空间有限，还布放有通信专网和公安系统等的漏缆，因此电信运营商通常只建设两条泄露电缆。另外，在天线安装点位的确定方面也受到诸多限制，这样就不能充分体现5G网络的技术优势。

三是多家通信运营商共享室分系统，干扰及相互影响增多。目前国内有4家基础电信运营商，每家运营商又存在多种技术制式，在地铁内建设的室分系统，尤其是隧道区的泄露电缆，通常是通过POI进行合路来满足多家通信运营者多种网络制式的需求。此外地铁内干扰较为严重，需要进行干扰协调。

3 5G网络综合解决方案

3.1 链路预算

为指导5G网络的覆盖规划，需要先开展链路预算，它是5G网络覆盖规划的基础工作，输出结果为允许的最大路径衰耗，进而得到覆盖距离[2]。在隧道区间内，通过布放泄露电缆的方式来进行5G网络信号覆盖，单侧覆盖长度的计算公式为：

式中，D为覆盖距离，单位为m；Pin是指基站主设备发射功率，取RS信道的功率，单位是dBm；Pr为要求的列车内边缘覆盖场强，单位为dBm；Ll为基站设备发射端口至泄露电缆之间的总损耗，包括跳线及接头损耗、POI损耗，单位为dB；L2为阴影衰落余量，单位为dB；L3为车体穿透损耗，单位为dB；L4为泄露电缆耦合损耗，单位为dB；L5表示宽度因子，单位为dB，其值为20lg(d0/2)，d0为用户终端距泄露电缆的距离；L6的含义是人体衰耗，数据业务类型取0 dB，语音业务类型取3 dB；S为泄露电缆每米传输损耗。典型计算结果参见表2，以指导地铁隧道区间的5G网络信号覆盖设计。

表2 5G网络地铁隧道区域链路预算结果

站台、站厅区域的链路预算基本与常规室内分布信号系统一致，其流程是通过链路预算求得允许的最大传输衰耗，然后结合传播模型可获得能覆盖的最大范围d，其中的传播模型采用受限的室内自由空间传播模型。计算的公式为：

式中，PL(d)表示距离为d的总传输损耗值；PL(d0)的含义是自由空间衰耗值（当距离为近地点参考距离d0时）；d表示距离，单位为m；d0表示近地参考距离，单位为m，通常可取1 m；β的含义是路径衰耗系数；FAF表示隔墙损耗，取值为5～20 dB；f表示工作频率，单位为MHz。

中国移动使用2.6 GHz作为5G网络室内覆盖，联通和电信则使用3.5 GHz频段。由于与2.6 GHz频段相比，3.5 GHz具有更好的覆盖性能，因此在考虑多运营商共建共享时，可按3.5 GHz频段来进行规划，若3.5 GHz频段满足覆盖需求则2.6 GHz频段亦满足。

3.2 站台站厅覆盖方案

站台站厅为乘客滞留和换乘区域，人流量大，是容量密度需求最高的区域，建议采用有源分布系统方式建设，实现4T4R，充分发挥5G技术优势[3]。有源室内信号系统也称作数字化室内信号系统，主要组成部分包括基带处理单元（Base Band Unit，BBU）、远端汇聚单元（PicoRemote Radio Unit Bridge，P-Bridge）以及远端射频单元（Pico Remote Radio Unit，pRRU），pRRU与P-Bridge间通过光电混合电缆连接起来，满足pRRU设备的电源供应及信号回传要求。pRRU可采用”W”型交叉布置，安装间距可根据容量需求、发射功率以及实际安装条件综合确定，建议间距为25～35 m。BBU与P-Bridge之间通过室内5类及以上缆线相连接，或采用光纤网络架构。在方案实施方面，对于同一运营商的4G网络和5G网络，基本都是采用同一厂家的基站设备，可采用同时支持4G+5G的双模基站设备，在原4G设备位置进行原位替换，这样可以实现通过同一套硬件设备来满足4G+5G两网需求，从而大大提高施工的可行性。采用有源分布信号系统方式（数字化分布系统）的方案如图1所示。

图1 有源分布信号系统组成图

在站台站厅区采用有源分布系统方案主要是基于以下考虑。一是有源分布系统主要由远端射频单元与天线合一的pRRU构成，实质是属于基站主设备，可以更为灵活地配置和调整容量，满足不断变化的业务需求。二是原有室内分布信号系统器件和天线通常不支持电信联通的3.5 GHz频段，仅支持800～2 700 MHz频段，这样就无法通过合路的方式共享原有室内分布系统来满足电信和联通的需求[4]。三是采用有源分布系统更易实现对远端设备（含天线）的监控，更方便地实现4T4R功能以提升网络性能，在后续网络演进潜能方面更容易实现“线不动，点不增”的平滑升级。

3.3 机房与办公区覆盖方案

机房与办公区包括车站管理用房、设备机房以及商业区等多种类型。此类区域业务密度较低，和普通房间相比没有明显的差异。在此区域的室分可采用两种方案，一种是传统无源分布系统，在实施方面，由于车站办公区的施工管理条件及天线美化安装等并不特别苛刻，可新建无源分布系统，或对现有DAS室分系统进行改造，将原不支持3.5 GHz频段的无源器件和天线进行替换，从而能将5G信号源合路到传统无源分布系统DAS系统中去，其优点是方案投资相对较低。另一种是与站台站厅部分的方案相结合，可视业务需求情况及现场环境结构特点，使办公区成为站台站厅区域的扩展覆盖区域，与站台站厅部分合并考虑采用有源室分信号方案。

3.4 隧道区覆盖方案

隧道区是狭长的管状封闭空间，结合隧道实际安装条件及管理要求，采用漏缆进行覆盖，采用4缆或双缆方案进行部署[5]。对于漏缆的选型，在地铁内现有的漏缆型号为13/8”，截止频率通常为2 700 MHz，无法支持电信联通5G频段（3.5 GHz），但能够支持移动5G频段（2.6 GHz）[6]。目前市面上已有支持800～3 600 MHz的全频段5/4”泄漏电缆，也有支持1 400～3 600 MHz的5/4”泄漏电缆，因此为满足多家运营商共建共享需求，可采用新型5/4”泄漏电缆[7]。对于电缆的根数，理想的是新增4根电缆，优点是能实现4T4R功能，传输速率高，便于后期系统割接，减少各系统间干扰，但缺点是工程量大，投资高。另外，由于地铁隧道安全性要求极高，通常还有地铁专网和公安系统等其他系统的漏缆，空间受限，因此运营商要布置4根漏缆在部分场景很难得到批准实施，折中的方案是布置两根漏缆，容易实施，投资也相对较低，但缺点是5G网络只能实现2T2R，传输速率方面不能充分发挥5G的技术优势。由前述链路预算的结果可知，泄露电缆单侧覆盖范围在250～300 m左右，但是两个地铁站点之间的隧道区域长度一般在800～2 000 m，因此同一隧道区间需设置多段漏缆，在隧道内设置设备安装点。地铁隧道区域方案组成如图2所示。

图2 地铁隧道区域方案组成图

3.5 共建共享方案

3.5.1 频率方案

地铁隧道5G网络室内分布信号系统的建设需要考虑多家基础电信运营商多种通信技术体制的共享，建设方案需考虑频率差异和特点。各基础电信运营者的通信技术体制频率如表3所示，联通与电信5G网主要采用3 400～3 600 MHz段，而中国移动5G网主要采用2.6 GHz段。联通与电信已签订共享框架协议，将共建共享5G无线网络，与此同时中国广电也与移动达成共享协议，中国广电将付费共享使用中国移动的5G网络。

表3 中国电信运营者频段分配表

3.5.2 POI设置方案

为了满足多个通信运营者及多频段系统信号源合路需求，POI应运而生。它是一种高性能的合路设备，具有插入损耗和系统之间干扰很小的特点[8]。随着通信技术制式的新增及共建共享新需求，对POI设备性能方面的要求也越来越高。为满足各运营商通信各种通信制式的需求，目前市场上已出现支持16频的POI。为达到减小互调干扰的目的，POI三阶互调性能必须优于-155 dBc@43×2 dBm，使用DIN型接头连接POI端口。POI的类型有标准型和透传型，为了实现800 MHz和900 MHz等低频系统的信号透传，节约低频率段信号源设备投资，需配备一定数量的透传型POI与标准型POI相结合使用。

3.5.3 干扰控制

地铁作为公共基础设施，其室内分布系统通常需要多家电信业务经营者共建共享，与此同时，每家电信业务经营者有多种技术体制，这使得地铁场景通信系统之间的干扰问题较为严重。干扰控制和规避的主要目的是保证不同技术体制公网系统之间及公网与其他专网之间的干扰不至于影响系统正常工作，满足相关性能指标要求。总体上干扰可以分为系统内干扰和系统间干扰两个方面。系统内干扰产生原因有同频干扰和邻频干扰等因素，可以采用合理规划频率进行小区划分及切换参数设置等措施来减小其影响。系统间干扰主要包括接收机互调干扰、接收机阻塞干扰以及杂散干扰[9]。对于地铁场景，系统间干扰主要通过选择高性能的器件来避免，如选择内含高性能滤波器的POI，以增加隔离度，提高POI设备的三阶互调指标性能。POI输出空余端口应采用200 W假负载进行封堵，同时也要提高分布系统的施工工艺质量。例如，为避免后续器件接头松动带来的干扰增加，应尽量增大馈线弯曲半径，器件连接避免采用直连的方式，双路室内分布系统不平衡度小于3 dB，馈线系统驻波比控制在1.3以下[10]。

4 结 论

地铁场景较为复杂，本文根据地铁场景的细分，较为全面地分析了不同子场景的网络解决方案，对实际5G网络规划建设具有一定地参考意义，但是通信技术更新换代迅速，因此网络建设方案需根据设备产品及技术进步情况不断更新。