城市轨道交通线路 5G 网络覆盖方案研究

李佳宁

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

1 引言

近年来，城市轨道交通（以下简称“城轨”）逐步发展成为我国城市的重要交通运输方式。截至2020年12月31日，中国内地已经有45个城市开通城轨运营线路7 969.7 km。移动终端接入量以及通信数据的迅猛增加对城轨无线网络的容量、传输速度、稳定性等提出了更高的要求，尤其是在城轨车站的站厅站台以及隧道区间这些复杂环境中实现网络全覆盖更具有难度[1-7]。

第五代移动通信（5G）技术是我国正在大力推行的新一代无线移动网络通信技术。目前，中国移动通信集团有限公司（以下简称“中国移动”）、中国电信集团有限公司（以下简称“中国电信”）、中国联合网络通信集团有限公司（以下简称“中国联通”）三大运营商在我国主要城市的核心区域实现了5G网络的商用。相比于传统的2G/3G/4G网络，5G网络具有高带宽、高速率、高稳定性、低时延等优势[8-12]，将其引入城轨线路可有效解决城轨无线通信目前面临的问题和挑战。

目前，各既有线路的站厅站台和隧道区间已经有三大运营商的2G/3G/4G无线网络覆盖[13-16]：站厅站台均已安装2G/3G/4G设备，通过分布式天线系统（DAS）实现无线通信；隧道区间中通常利用传统型号的漏泄电缆（以下简称“漏缆”）进行信号传输。然而，将5G网络引入这些区域仍存在诸多问题，例如，既有2G/3G/4G设备无法兼容5G网络，5G网络频率较高、三大运营商的5G网络频段跨度较大等因素导致无法利用单一型号的漏缆实现对隧道区间的5G网络覆盖。因此，如何解决上述问题便成为研究的重要内容。

本文针对站厅站台和隧道区间的特殊环境，提出在站厅站台通过新设5G单模分布式皮基站（以下简称“5G皮基站”）实现5G独立组网，在隧道区间通过采用13/8和5/4漏缆实现5G网络全面覆盖的方案，以期为5G技术在城轨领域的推广应用提供参考和借鉴。

2 站厅站台的 5G 网络覆盖

2.1 站厅站台无线网络覆盖现状

站厅站台是乘客进出站、查询线路、购票、候车的关键区域，此处的网络移动终端密度非常高，尤其是在乘车高峰期网络接入需求巨大。然而，由于受墙体遮蔽、障碍物和干扰源众多等因素影响，外部的网络信号难以进入此区域，因此需要通过在站厅站台设置相应的网络设备设施以实施无线通信。

目前，站厅站台通常采用传统的多系统合路平台（POI）、DAS与信源结合，即“POI+DAS+信源”的组网方式[7-8]，实现对站厅站台的2G/3G/4G无线网络覆盖，其组网结构如图1所示。

图1 目前站厅站台的无线组网结构

2.2 站厅站台的 5G 网络覆盖实施方案

根据既有线路站厅站台的无线网络覆盖现状，将5G网络与现有2G/3G/4G网络进行融合，实现协同组网，可避免DAS的重复建设和投资。从技术可行性与建设经济性角度出发，本文提出通过在站厅站台内新设5G皮基站的方式实现5G网络全覆盖的方案。其优点在于，无须对原有2G/3G/4G设备设施进行改造，对现有网络无任何影响，仅根据5G网络覆盖的需要增设5G皮基站。

此方案的主要特点是由三大运营商新设5G网络信源，在既有基站点位新设5G皮基站。5G皮基站由集线器单元（RHub）、皮射频拉远单元（pico RRU或pRRU）及基带处理单元（BBU）组成。在同一5G皮基站范围内的多个pRRU被编为同一组，与同一个RHub连接，RHub通过光缆与设置在通信机房内的BBU连接，如图2所示。

图2 5G皮基站示意图

其中，pRRU在站厅站台中的布设呈折线形（即pRRU在站厅站台公共区两侧沿轨道方向交错布置，一侧的序号为奇数，另一侧为偶数，若按序号将其连接起来，其连线呈折线形），如图3、图4所示。这种布设方式可以保证5G网络覆盖均匀无盲区。每个pRRU配备2组4发4收（4T4R）天线（即4根发射天线和4根接收天线），以保证5G网络的传输速率。

图3 站厅pRRU点位及分区设置

图4 站台pRRU点位及分区设置

3 隧道区间的 5G 网络覆盖

3.1 隧道区间无线网络覆盖现状

如何实现隧道区间的5G网络覆盖是将5G网络引入既有城轨线路的另一难点，其原因在于：①与站厅站台相比，城轨隧道区间的环境相对封闭，几乎是各类通信信号的盲区；②列车在隧道内运行速度相对较快，影响信号的接收和传输；③车内人员较为密集，网络接入需求巨大；④列车车体、屏蔽门等均会对无线信号造成严重干扰。

既有城轨隧道区间通常采用射频拉远单元（RRU）、POI及漏缆，即“RRU+POI+漏缆”的组网方式实现2G/3G/4G无线网络覆盖，如图5所示。RRU与pRRU类似，其区别在于RRU体积较大且承载量大，已在既有城轨线路中广泛应用，而pRRU体积较小。漏缆的工作原理是，通过在其同轴管外导体上开设一系列槽孔或隙缝，将电缆中传输的电磁波的部分能量有控制地沿线路均匀辐射出去，从而使场强衰减均匀而无起伏，易为接收设备所接收。

图5 目前隧道区间无线网络覆盖示意图

3.2 隧道区间 5G 网络覆盖实施方案

对于隧道区间，本文提出仍采用漏缆进行5G通信的方案。该方案与传统方案的原理相同，但需对现有设备进行更换，使其满足5G网络的要求。根据中华人民共和国工业和信息化部于2018年12月6日向三大运营商发布的“全国范围5G中低频段试验频率”使用许可，三大运营商的5G网络频段如表 1所示。

表1 三大运营商的5G网络频段 MHz

由于中国移动的4 800～4 900 MHz 5G频段具有频率较高、传播损耗较大的特点，因此主要规划用于高热点、高价值地区或垂直行业，未应用到城轨建设中。故本文对该频段不做探讨，只考虑中国移动已应用于城轨的2 515～2 675 MHz 5G频段。

为将5G网络引入隧道区间，本方案需将POI更换为可馈入5G NR 2×100 W信源且与4G信号合路的型号，并采用分布式宏基站的5G-RRU。漏缆型号需根据5G网络频率进行选取。由于目前城轨项目中常用的13/8漏缆最多可支持频率为2 800 MHz的5G网络，无法满足频率高于3 400 MHz的5G网络需求。因此，对于三大运营商，中国移动可继续使用13/8漏缆进行5G信号传输，5G网络可与2G/3G/4G网络共用该型漏缆；中国联通和中国电信则需单独架设5/4漏缆以支持频率在 3 400 MHz以上的5G网络。其具体布设如图6所示。

图6 隧道区间5G网络覆盖示意图

本方案需对隧道区间中的既有硬件进行改造，并重新敷设5/4漏缆以支持3 400 MHz以上频率，施工难度相对较高。

3.3 链路预算验证

为验证13/8漏缆实现5G与2G/3G/4G网络协同覆盖的能力，现根据已开通城轨线路中三大运营商各种2G/3G/4G/5G系统制式的现场信号测试数据进行链路预算。链路预算中相关参数的取值如表2所示[9]。

漏缆两端都有信源接入的无线网络覆盖距离L（单位：m）可通过公式（1）计算得到：

式（1）中各符号意义见表2。

表2 链路损耗因子取值表

通过式（1）计算得到各系统制式链路预算结果如表3所示。

由表3可知，中国移动5G（2.6 GHZ）网络覆盖范围与相近频段的中国移动LTE-D与LTE-E 4G网络结果接近，略低于中国电信和中国联通LTE 4G网络。其根本原因在于中国电信和中国联通LTE 4G 网络频率较低，损耗较小，故覆盖半径较长。由此可知，在相同频段的条件下，隧道区间采用13/8漏缆传输5G信号，其覆盖能力基本与4G网络持平。

表3 链路预算结果汇总表 m

4 结论

本文依据5G网络特点以及城轨场景特性，分别提出在既有城轨站厅站台和隧道区间引入5G网络的相关方案。对于站厅站台，建议采用新设5G皮基站的方式，在不影响现有2G/3G/4G网络的条件下完成5G独立组网；隧道中，建议采用13/8和5/4漏缆协同覆盖的方式，以适应三大运营商不同5G网络频率的要求。该方案对实现既有城轨线路5G网络覆盖有指导和借鉴意义。