地铁5G 覆盖改造技术探讨＊

［刘超正 詹宝容 庾锡昌］

1 引言

5G 商用后，5G 用户和流量快速增长，至2021 年底5G 流量分流比已经达到30%以上。随着5G 网络的建设，全国各中大城市已经基本实现了城区和中心镇区全域覆盖，5G 给运营商带来了另一个业务增长点[1]，尤其在各大商场、车站、购物中心等业务热点，5G 流量分流比甚至高达40%以上。东莞地铁R2 线前期网络建设对后期的网络演进考虑不足，区间隧道POI 和泄缆不支持5G 网络升级，导致地铁场景的用户无法使用5G 网络从而减轻4G网络的容量负荷，5G 用户和业务量增长趋势迅猛，2020年SA 网络商用后，5G 用户和业务量增长非常快，至2021 年底东莞移动5G 用户数达到300 万，东莞移动全网月度5G 总流量达到6.9 万TB，5G 流量分流比突破30%如图1 所示。需要对地铁室分和区间隧道覆盖系统进行改造升级。

图1 东莞移动5G 用户数与5G 分流比趋势图

2 地铁5G 网络覆盖方案

2.1 站台站厅的5G 覆盖方案

覆盖方案：站台、站厅和出入口区域采用数字DIS 室分系统[2]，华为公司LampSite 解决方案如图2 所示，区间隧道采用DAS+泄缆覆盖。

图2 东莞地铁站台站厅示意图

LampSite 组网特点如下。

（1）部署方便，走线灵活，采用pRRU 集成模块天线，组网方式灵活，精准规划覆盖区间。

（2）实现4*MIMO，支持下行4 流，提高用户吞吐率。

（3）支持通过软件对逻辑小区范围进行定义，如图3 所示，最小小区可仅包含1 个pRRU，最大小区可包含96 个pRRU。各制式、同制式各载波间容量可独立进行调整。灵活的根据容量需求，进行小区分裂、合并和调整。

图3 数字化LampSite 组网结构

（4）所有网元端到端可监控，与宏站共网管，无需单独新建网管。

2.2 隧道区间的5G 覆盖方案

2.2.1 地铁场景容量估算

东莞地铁的发车间隔最快为5 分钟，在区间隧道范围内最多只有一辆列车的人员进行业务或数据需求，因此，采用5G 多频数字光纤直放站按组网的容量与传统RRU 在该距离内设置多个小区的容量，其实际效果是一样的（因为列车长度约为120 m，任意一个时刻都仅是对应着一个小区容量）。

（1）人数估算

地铁列车编组一般6 节车厢为一列，每车厢长度约20 m，每节车厢载客量150 人，6 节车厢编组，高峰时能容纳1 400 人。

（2）用户业务模型因素

考虑每业务用户下行平均速率需求为2 Mbit/s 以上，用户激活附着比为70%（即70%用户处于激活态），连接态用户业务并发率初期为30%。

（3）LTE 单载波可支持用户数估算

中国移动用户渗透率约为65%，根据前述地铁隧道的车辆发车及车间距特点，计算LTE 网络分配到每人的下载吞吐率大约只有2.6 Mbit/s 左右。

（4）开通5G 人均下行速率估算

地铁部署5G 100 M 网络后，地铁5G 用户比例约为30%，高峰时地铁移动5G 用户的平均速率=1 200/(1 400*0.3*0.7*0.65*0.3)=21 Mbit/s，5G 感知速率是LTE的接近8 倍。5G 分流后，高峰时地铁移动4G 用户的平均速 率=500/(1 400*0.7*0.7*0.65*0.3)=3.7 Mbit/s，4G 及5G频率及单载波速率如表1 所示，LTE 感知速率提升42%。即开通5G 后，地铁移动用户的下行速率降得到40%至8倍的提升。

表1 中国移动频率及载波速率

2.2.2 面临的困难

原有的POI 系统没有提供NR 接口，不支持5G 网络演进，并且13/8 泄缆的最大截止频率2.98 GHz[3]，不支持电信联通3.5 G 以及大业务场景下4.9 G 的部署。需升级POI 模块，增加5/4 泄缆支持更高频段，改造和施工难度极高，影响现有的4G 和2G 网络。

解决方案：

采用5G BBU+RRU+融合eCDS+射频拉远组网方案如图4 所示。

（1）机房信源：BBU 及2G、4G 和5G RRU 信源及eCDS 容量接入单元放置于通信机房，通过射频耦合方式接入，使用光纤拉远。

（2）组网方式：2G、4G 和5G BBU+RRU+融合eCDS+天线进行覆盖，隧道融合eCDS 设备按组网方式，统一采用天线覆盖。

（3）天馈：沿线两侧采用板状天线覆盖。

2.2.3 eCDS 组网的优点

（1）原有2G～4G 系统无需做任何改动，可沿用WIFI 位置点供电及光纤条件部署eCDS 设备的安装位置如图5 所示。

图5 隧道射频拉远单元

（2）支持多运营商2G～5G 多频一体化融合方案如图6 所示，支持68～4 900 MHz 频段可选组合，每频段输出功率10 W/20 W/40 W/60 W 可选。

图6 eCDS 组网结构

（3）一套eCDS 产品一次实施3 家2G～5G 网络，无需POI。

（4）节省工程配套设施，无需重新拉电缆和光缆。

（5）快速部署，节省工程量。

“我还睡不着，不用管我，娘先睡吧。”阿强躺在床上，眼睛却睁着。见儿子这么说，张大娘也不好多说什么，掩了门回到自己房里。

2.3 切换带规划

（1）站台与隧道之间的切换

对于站台隧道之间的切换，由于列车进出隧道口时，部分车厢瞬时速度（进站时第一节车厢和出站时最后一节车厢瞬时速度最高）能够达到30～40 km/h，因此需要考虑设计足够的站台与隧道小区之间的重叠覆盖区，以满足正常切换的要求[4,5]。

解决方案：

列车进出站台切换：因为站台与隧道DAS 同频覆盖，DAS 系统与LampSite 同频覆盖可能由于波束不对齐，带来slot 级干扰，因此建议隧道DAS 系统不覆盖站台，站台全部由LampSite 覆盖。设计2 个内置天线型pRRU，分别部署在站台候车区域靠近隧道口位置。NR 切换时长需要1 秒，以列车进出站台最大运行时速40 km/h 计算，单边切换带长度最少需要11 m，建议设计20 m 的重叠覆盖区，满足列车进出站台的切换要求如图7 所示。

图7 信号传播模型

（2）出入口与宏站之间的切换

2.4 LampSite 与传统DAS 系统的干扰解决方案

LampSite 室分开启后，对传统DAS 室分的SINR/MCS/下行速率影响较大。原因是传统室分和新型室分共同组网的情况下，由于传统室分和LampSite 室分波束及SSB 个数不对齐如图8 所示，对传统室分小区的个别slot产生干扰[6]。

图8 波束干扰情况

解决方案如下。

（1）传统室分和新型室分都采用扩展波束2，使波束个数保持一致、SSB 对齐。

（2）开启多套OLLA，同时修改CSI 周期为slot80验证CSI 是否干扰传统室分，多套OLLA 设置如下：slot0使用1 套，slot7、10、17 一套，其他slot 一套。

多套OLLA 解决的是当前基站版本下多种slot 类型（TRS slot、U2D slot、Sslot 等）共用一套OLLA，但不同slot 发送的数据不一样，其解调性能是不一样的。基线共用一套OLLA，会使得不同slot 共用HARQ 的ACK 和NACK 反馈，导致不同slot 间解调性能互相影响，从而导致子帧级IBLER 差异过大，OLLA 不收敛，从而影响到系统性能[7,8]。

该解决方案在东莞地铁已验证有效，CQT 实测峰值下载速率由627 Mbit/s 提升到997 Mbit/s，提升效果明显。

3 方案验证

通过对试点覆盖车站站台无线网络指标如表2 所示和隧道区间无线网络指标如表3 所示，RSRP 覆盖率、切换成功率、下载速率、5G PRB 后台底部噪声等指标的测试和监测统计，各项指标符合标准要求，效果良好。

表2 站台遍历测试结果

表3 隧道区间拉网测试结果

系统上行底部噪声干扰符合相关标准要求如图9所示。

图9 改造后隧道干扰平均值

4 结论

东莞地铁2 号线通过室分系统改造开通5G 网络后，实测地铁5G 覆盖率达到99%以上，全程下载速率达到600 Mbit/s 以上，上网体验良好。本文针对地铁场景的覆盖要求以及实际情况，提出站台站厅采用新型数字化室分DIS 覆盖、区间隧道采用集约化设备eCDS+射频拉远单元的覆盖方案，该方案经济投入较小，改造难度适中,施工过程中不影响原有的4G/2G 网络，支持后期网络扩容和网络演进。通过合理规划切换带和参数方案规避新型室分对传统DAS 室分系统的干扰，实践测试验证该方案效果良好，在全国地铁旧线路可推广使用。