地铁场景5G无线链路预算与优化方案研究

唐 岱 孙正辉

1. 中国铁塔股份有限公司江苏省分公司；2. 中国移动通信集团江苏有限公司

0 引言

近年来，江苏省城市轨道交通建设如火如荼，至“十四五”期末，江苏城市轨道交通运营里程有望超过1500公里。作为“新基建”重要组成部分，地铁5G公网通信覆盖项目总体投资预计可达10亿元量级。

当前地铁场景5G公网覆盖方案中，在隧道中使用四根全频段漏缆进行覆盖，是性能最优方案之一，也是各大运营商的目标网络。该方案可实现5G 4T4R MIMO，使得地铁全线网络速率达到千兆；此方案还能同时兼容三大运营商的2/3/4/5G（C-band）系统，并将其中易产生互调干扰的系统进行物理分隔，具备优异的抗干扰能力。从长期看，其在超高话务量环境下的表现相对于双缆和贴壁天线系统的优势更加明显。但也正因为使用四根漏缆，导致综合造价高于双缆系统40%以上，投资规模较大。因此，控制地铁5G公网覆盖项目投资、提升项目收益率，对各大运营商有重大意义。

在四根泄漏电缆系统基准方案下，单小区泄漏电缆的最大长度直接决定了整个工程设备位置点（漏缆开断点）的数量，也即决定了主设备及POI投资的大小、后续用电成本的高低，是影响投资收益的最关键因素。当前，3.5G频段无论泄露电的传输损耗还是自由空间传播损耗都明显高于2.6G频段，在业务指标要求相同的条件下，3.5G系统的性能是影响整个共享方案的瓶颈。

本研究通过理论分析及现网验证给出实际允许最大开断间距的结论，并给出优化设计方案，以期降低建网投资，提升行业效益。

1 地铁场景下的5G移动通信网络链路预算分析

1.1 链路预算基本模型

对于常规的无线信号传播路径，链路预算的基本模型可以描述为：PL=Pout-Sr。其中，Pout为发射端有效输出功率，Sr为接收端最小接收电平，PL为最大允许路径损耗，主要影响因素为由传播模型决定的空间传播损耗、人体损耗、NLOS场景下的穿透损耗、以及包括阴影衰落余量、干扰余量在内的补偿因子。

地铁隧道场景的无线环境类似，分布系统设计方案基本一致，如图1所示，无线信号传播路径相对确定（RRU-漏缆-车体-终端）。基于当前3GPP R16现网场景下，以3.5G 100MHz四根泄漏电缆组成4T4R的基准系统为例，对于下行链路，Pout仅与RRU单载波输出功率有关；Sr仅与终端本身、下行业务要求有关；PL由于无线传播路径的确定性，在车体、终端位置一定的情况下，其取值也相对确定。同理，对于上行链路，Pout仅与UE能力相关，Sr仅与RRU和上行业务要求有关。

因此，以泄漏电缆综合损耗为关注点，地铁场景的无线链路预算可以调整为：PC=PS+Ga-Sr-Lp-M。其中PC为允许的泄漏电缆最大综合损耗，PS为发射台EIRP，Ga为发射端综合增益，Sr为给定业务要求下的接收端最小接收电平（接收机灵敏度），Lp为车体穿透损耗，M为除车体穿透损耗外的全部综合衰落余量。

1.2 模型存在的问题

在具体方案探讨中，地铁场景的无线链路预算模型的应用存在以下两大问题。

1.2.1 业务边界条件不同

在地铁场景4T4R条件下，运营商对业务的要求一般有如下三种：DL速率100Mbps，UL速率1Mbps，下行RSRP -105dBm。针对这三种边界条件，引用传统经验参数，对链路损耗进行计算，如表1所示。

表1 基于传统衰落参数的地铁5G链路预算结果

根据计算结果，在业务要求边界条件为RSRP -105dBm时，对漏缆的最大允许综合损耗为89.85dB；而DL 100Mbps和UL 1Mbps条件下允许的综合损耗均远高于RSRP条件下的综合损耗。因此，运营商业务要求中对漏缆系统允许的综合损耗至关重要，江苏省的运营商仍习惯以RSRP作为业务要求。

1.2.2 综合衰落余量参数取值存在争议

（1）阴影衰落余量。在NLOS条件下，阴影衰落主要由移动台被障碍物阻挡形成的阴影效应引发，作为慢衰落的一种，在一般城区的宏站场景中可以取9dB。而在地铁车厢场景内，此参数是否应该取值，应当取多少，存在争议。主要有三种经验值：0 dB、7 dB、9 dB。

（2）人体损耗。在3GPP TR 38.901 UMA模型中，终端高度设定为1.5 M，此时人体损耗主要由本体近端损耗和群体遮挡损耗构成；在地铁车厢场景下，人体损耗与人员姿势、位置、群体密度均相关，而UMA模型并未给出损耗取值与群体密度、天线高度之间的关系。目前主要有三种经验值：3 dB、5 dB、7 dB。

（3）车体穿透损耗。3GPP TR 38.901中描述了对于普通玻璃、红外隔热玻璃、水泥墙、木板的穿插损耗。地铁车厢穿透损耗受车型、车体材质（玻璃材质）、玻璃和门窗面积、数量等因素的影响。由于车速较低（不超过120 km/h），不考虑多普勒效应带来的影响。3.5G频段下有12 dB、15 dB、17 dB、18 dB、19 dB等多种经验值。

（4）干扰余量。在宏站场景，干扰余量主要用于补偿小区远点易受邻小区同频干扰导致本小区实际有效覆盖收缩。对于地铁这种线状覆盖区域，同频干扰能否等同于宏蜂窝场景存在争议。目前主要有0 dB、2 dB、3 dB三种经验值。

1.3 模型参数验证与校正思路

由于RSRP -105dBm作为业务边界要求已基本达成共识，故主要面向下行链路中综合衰落余量的取值通过现网测试进行校正。车体穿透损耗可以通过隧道步测、车测对比来测定；人体损耗可以通过忙时与闲时对比来测定；阴影衰落余量可以通过改变终端位置来近似测定。

2 链路预算模型参数的验证与修正

2.1 测试方法

由于OTA测试的标准差往往较大，需采用多地、多次测试，增加样本量，才能获得相对准确的结果。本次测试选取5条地铁线路作为样本。具体待测区间为：龙山梢——石门路（无锡地铁3号线）、胥口——茅蓬路东（苏州地铁5号线）、师大云龙校区——中心医院（徐州地铁2号线）、文化宫——南大街（常州地铁2号线）、张府园——三山街（南京地铁1号线）。这些区间均具备至少2个以上开断点、忙时人流较密的特点。

为确保测试数据有效、可比，所有测试终端均使用华为Mate30/P40系列；测试软件统一为华为Probe/PHU；锁定5G频点；业务模式统一使用ping；记录主用小区PCI、SS RSRP、SINR。

测试共分为五个步骤。

（1）夜间步测。运营商小区关闭5G节能模式；测试人员手持终端，在轨行区内靠漏缆一侧步行，占用轨行区内小区信号，取与行车方向相同的2次测试数据。简称A测。

（2）白天车测。话务闲时，测试人员坐姿位于列车第一节Tc车的中部、靠近漏缆的车窗边，手持终端，确保占用的小区与轨行区内测试时占用的小区一致，同方向进行3次车测；列车启动时开始记录数据，列车进站时停止。简称B测。

（3）白天车测。话务闲时，测试人员坐姿位于远离漏缆的车窗边，其他与B测相同。简称C测。

（4）白天车测。话务闲时，测试人员站姿位于列车第一节Tc车与M（Mp）车车厢连接处，手持终端，确保占用的小区与轨行区内测试时占用的小区一致，同方向进行3次车测。简称D测。

（5）白天车测。话务忙时（早晚上下班高峰），其他与D相同。简称E测。

A测可得到本区间基础覆盖情况；B测与A测结果对比可以得出逼近真实车体损耗值；综合B测、C测、D测可分析阴影衰落余量以及终端所处位置对终端接收性能的真实影响；E测与D测结果对比可得人体遮挡损耗的影响；E测与A测的结果对比可以逼近真正的综合衰落情况。由于每条线路使用的列车均为同一生产批次，可以忽略每次测试时乘坐不同列车车厢的个体差异。

2.2 测试结果

对于同一个区间段内的不同小区，测试结果RSRP最大时终端所在实际位置可基本精确代表开断点位置。由于数据采样密度为1秒/个，列车最高速度22 M/S，故车测RSRP最高点距实际开断位置不超过22 M，对应漏缆损耗为2.07 dB。本次测试全部取各小区RSRP最大值进行分析，以每小区各测试组数据最大值的均值作为测试结果参与对比计算。

如图1所示，随着测试人员和列车的行进，各小区RSRP随终端与开断点物理位置间距呈明显的波浪变化。表2为无锡3号线测试结果数据示例。

表2 无锡地铁3号线测试及对比计算结果汇总

图1 无锡3号线龙山梢—石门路A测、B测RSRP-PCI撒点连接图

2.3 分析与结论

对测试结果进行分析，可以得出如下结论：

（1）不同的地铁线路，车体损耗存在区别。

根据结果，南京地铁1号线A型车的逼近车体损耗均值达23.35 dB，无锡3号线、苏州5号线、徐州2号线车体损耗较为接近，均为19 dB左右，上下浮动1 dB；常州2号线逼近穿透损耗远小于其他三条使用B型车的线路，仅为7.92 dB。

（2）车厢内损耗最小、最大的位置不固定。

根据除常州2号线外的四条线路、11个小区的B测、C测、D测结果，RSRP最强位置在D位的为8个，C位3个；D位最强占比达到72.7%。RSRP最弱位置B位7个，C位3个，D位1个，B位最弱达到63.6%。基于此，车厢内部RSRP最强处大概率为车厢连接处，最弱处大概率为车厢靠漏缆一侧的座位。而车厢内不同位置间RSRP差值基本不超过2dB，说明阴影衰落在车厢内部效果很弱。

（3）车厢内群体遮挡损耗取值与人流量关系密切，但最大不会超过5.6dB。

五条线路仅南京地铁1号线早忙时人流密度能够达到10人/平方米以上；根据D测、E测对比，逼近人体损耗均值为3.32 dB；对具体样本进行分析，D测RSRP样本最强值与E测样本最弱值的差值为5.6 dB。而其他线路人流量不超过3人/平方米，D测与E测结果之差的差值较小，甚至出现负值。因此可以认为，对于人流密度极高的线路，需要考虑人体损耗，但不超过5.6 dB；人流量不大的线路则无需考虑。

（4）综合衰落余量与车体耗损、人体损耗强相关，与阴影衰落和干扰余量弱相关。

本次测试表明，直接考虑综合衰落余量，而不将其拆分，更能逼近实际情况。对于人流密度较低、采用B型车的线路，逼近综合衰落余量不超过22 dB；对于人流密度较高、采用A型车的线路，逼近综合衰落余量不超过27 dB。

所以，对于地铁场景的5G链路预算，应将和合并考虑；B型车典型取值为22 dB；A型车为27 dB。

3 基于修正模型的地铁5G场景设计方案优化

3.1 常规四缆方案的开断距离优化

根据前述计算结果，在经验参数下，漏缆最大允许综合损耗为89.85 dB，对应综合衰落余量总计为30 dB。应根据车型和人流情况将衰落余量变更为22 dB或27 dB，此时漏缆最大允许综合损耗为97.85 dB和92.85 dB。

根据2020年业界5/4全频漏缆测试数据，80%以上的厂家漏缆百米传输损耗小于9.4 dB，耦合损耗小于68 dB，以此对相应参数进行调整。

考虑目前运营商通常情况下A事件切换迟滞参数配置为2s，对应列车运行最高速度22 M/s，双边开断需保留44 M切换带。则在上述条件下，优化模型对应的开断距离计算结果如表3所示。

结果表明，目前方案设计使用的420 M开断距离过于保守。对于普通人流量的B型车线路，其双边开断距离可以放至590 M；对于超高人流量的A型车线路，双边开断距离也可以放至480M。

3.2 开断距离优化的现网验证

为验证开断距离能否放大，进行了极限开断覆盖实验。选取无锡地铁3号线下行方向硕放机场-长江南路段，如图2所示，对开断点71的主设备进行闭锁，形成长度为810 M的大开断，评估开断点70（PCI 863）的极限覆盖性能。该区间长度较长，列车运行至中央开断点时近似保持匀速，便于计算车速和距离。

图2 无锡地铁3号线大开断极限覆盖测试示意图

列车经过开断68后基本匀速，根据RSRP相对位置及时长可计算出运行速度为20.9 M/S。经过开断点70，17-18 S后RSRP下降至-105 dBm以下，经过20 S左右脱网，RSRP最低值-112 dBm。计算可得此时单边开断极限覆盖距离约为333-355 M，脱网极限覆盖距离约为390 M。考虑44 M的切换带，RSRP -105 dBm双边开断距离约为622 M。如考虑终端灵敏度、预留3dB余量，则双边极限开断距离约为590.1 M。

3.3 方案优化效益分析

以最新在建项目南通地铁1号线（39.182 KM）公网覆盖项目为例，目前方案开断点179处，最大开断450 m，平均开断437 m；如进行优化设计，最大开断提升至550 m，平均开断提升至500 m左右，开断点数量可降至156个，减少开断点23个；以5G RRU 1.5万元/台、4G RRU 0.9万元/台、POI 0.45万元/台、三大运营商每开断6套系统计算，共投资193.2万元；以共享折扣2*0.6成本加成计算，运营商铁塔服务费节约58.24万元（7年）。同时，运营商每年可减少用电约96.7万度电，约合64.4万元。

以每公里地铁分布系统减少0.58个开断点，按每年新增1500公里地铁分布系统建设项目为例计算可知，运营商每年节约主设备投资约5800万元，铁塔服务费2230万元（7年），节约电费2436万元；铁塔节约投资约1580万元。全行业每年可节约CAPEX+OPEX约1.01亿元人民币。

4 结束语

本研究讨论了地铁场景下5G链路预算参数取值的测定及地铁公网覆盖漏缆开断设计方案的优化方法，通过江苏省内现网验证使得链路预算取值更贴近实际，有效压缩了基于传统经验值的设计方案带来的冗余，从而节约了项目投资及运营成本。如果进一步扩大测试范围，选取更多不同类型的车型和线路，可形成适用范围更加广泛的参数取值优化，从而为全行业带来更加可观的经济效益。