地铁场景内 5G无线覆盖技术论述

地铁场景内 5G无线覆盖技术论述

苏琦

中国铁塔股份有限公司天津市分公司 天津市 300010

【摘要】地铁无线网络覆盖是一种特殊的信号覆盖场景，因其封闭性、人群密集性特点，始终是无线网络覆盖的重点场景，也必将成为5G网络的重要应用场景之一。相较于4G网络建设，高阶MIMO技术才有可能满足5G超大带宽尤其是超高流量密度的要求， 4T4R 除了有一定的覆盖增益外，还可以提供较大的系统吞吐率。本文将从数字化室分、分布式天线系统、多类型泄露电缆组合的建设方式阐述地铁车站及区间隧道5G网络覆盖的规划与实现，并对隧道覆盖方式进行详细论述。

【关键词】地铁覆盖；5G；泄露电缆；MIMO

引言

随着5G民用通信的建设与大规模应用，5G网络优势已经逐步让广大用户所熟知。地铁作为现代城市市民便捷出行的主要方式之一，具有人群密集、数据需求量大的特点，当前地铁通信覆盖4G容量已成瓶颈迫切需要5G高容量服务需求。本文将从5G关键技术出发，按照运营商共建共享的建设原则，梳理地铁细分场景，寻求5G网络较理想的建设方案，为后续的地铁工程建设提供参考。

1. 地铁场景5G无线覆盖遇到的挑战

传统的2/3/4G无线网络覆盖，车站部分基本采用POI+双路分布式天线系统进行覆盖，隧道部分多使用POI+2条13/8漏缆方式进行覆盖，可实现运营商2/3G上下行分缆及4G双路MIMO需求。但面对5G的高频段、大容量、多MIMO需求，给整个无线网络的部署带来了较大的挑战。

三大运营商用于5G网络的承载频段分别为：中国移动2515-2675MHz和4800-4900 MHz频段，中国电信3400-3500MHz频段，中国联通3500-3600MHz频段。传统的车站分布式天线系统所使用的器件、天线及隧道内13/8漏缆不支持3.5GHz和4.8GHz频段。

地铁为运营商重要的标志性覆盖场景，具有人群密集性强、用户量大的特点，对容量需求较高，5G存在4*4 MIMO的潜在需求。车站分布式天线系统所使用的无源器件多不支持2700MHz以上频段，需进行单独采购，并且如继续使用该种覆盖方式去满足4*4 MIMO，需建设四路分布式天线系统，整体项目施工难度较大、成本投资较高、整体美观较差^[1]。区间隧道内所使用的13/8漏缆不支持3000MHz以上频段，并且受隧道安装空间、车辆车窗高度限制，进行四缆建设满足4*4 MIMO需求，整体实施难度较大。

2. 地铁站台、站厅5G覆盖

运营商5G如果放弃4*4 MIMO需求，仍可通过采购支持高频段分布系统耦合器、功分器天线、馈线等宽频器件，继续使用传统的POI+双路分布式天线系统进行覆盖来实现5G的双路MIMO。

但地铁车站人员较为密集，尤其是公共区域乘客人流量大，庞大的数据需求对网络覆盖要求也会提高。因此，5G室内覆盖需综合考虑覆盖指标、频率资源及多路MIMO等，采用全新的室内覆盖方案。

数字化分布式基站系统是近期常用的4/5G网络覆盖方式，采用分布式三级架构，由基带单元、交换单元及射频单元组成，5G末端射频单元使用4T4R设备有效的解决了高速率、大容量的需求，系统具有易扩容、易运维、可创新的优势，但相对于传统室分建设模式设备投资较高。

一般的标准地铁车站可分为站厅站台乘客公共区域、设备机房区域及列车机组人员办公区域。其中机房及办公区域人员流动较少，话务需求并不像公共区域那样高，并且房间分布密集，无线信号传播路径损耗大，如使用数字化分布式基站系统进行覆盖，为满足边缘场强覆盖要求，会浪费掉大量的末端射频单元。

由此我们可以总结出几种不同的车站信号覆盖方案：

1. 采购宽频无源器件，选用传统POI+双路分布式天线系统

2. 选用数字化分布式基站系统实现无线网络高性能覆盖，保证5G多路MIMO效果

3. 车站不同功能区域差异化覆盖，机房、办公区域使用传统分布式天线系统，乘客公共区域使用数字化分布式基站覆盖，保证公共区域大容量需求

其中方案三即可以满足乘客公共区域大容量、高速率的覆盖要求，同时对于机房、办公这类人流量低的区域通过较少的投资实现5G网络覆盖。如下图1所示，给出了地铁车站差异化网络覆盖模型，可以更加直观的看到5G无源分布式天线系统与有源分布式基站系统相结合的建设模式。

图1：车站差异化网络覆盖模型

3. 区间隧道5G无线网络覆盖

3.1泄露电缆选型

目前地铁区间隧道普遍使用POI＋2条的13/8泄漏电缆方式进行4G网络覆盖，由以下公式可以计算得出13/8泄露电缆的最大截止频率为2.98GHz，并不适合联通电信的5G频段承载^[2]，因此需要选用损耗更高的5/4漏缆。

漏缆理论截止频率计算公式：

ε：绝缘相对介电常数----1.2 d：13/8漏缆内导外径（单位: Inch）---0.68′

5/4漏缆内导外径（单位: Inch）---0.54′ D：13/8漏缆外导内径（单位: Inch）---1.62′

5/4漏缆外导内径（单位: Inch）---1.31′

F ：单位GHz

3.2区间隧道5G建设方案分析

由于地铁列车车体由金属材料及玻璃组成，车窗是损耗相对较小的位置，宜将漏泄电缆布放在车厢车窗上沿高度位置，开孔方向朝向列车，有利于电磁波穿透车窗对用户进行覆盖。一般列车车窗高度约为0.8m，受限于安装环境影响，最多可安装四根漏缆。

方案一：如下图2所示，新建两条5/4漏缆，承载三家运营商2/3/4/5G网络，实现4/5G双路MIMO。该方案投资较低，但5/4漏缆传输损耗较高，设备断点间隔较近，同时所有4/5G频段全部馈入两根漏缆中，多系统间干扰较难控制。

图2：两条5/4漏缆组合示意图

方案二：如下图3所示，新建两条5/4漏缆+两条13/8漏缆，其中13/8漏缆承载三家运营商2/3/4G频段，不再增加因新频段引入所引起的系统间干扰问题的恶化，5/4漏缆上承载三家运营商5G频段。该方案中5/4漏缆可选用仅对运营商5G频段进行优化的漏缆，保持与13/8漏缆设备断点相同550m间隔，避免了因设备安装位置不同所引起的电源、光缆传输资源的重复投资，同时有效的节省了设备投资。

图3：两条5/4 +两条13/8漏缆组合示意图

方案三：如下图4所示，新建四条5/4漏缆，设备断点间隔约为450m。保证三家运营商5G网络实现4T4R覆盖，同时各对2/3/4G网络进行分配馈入不同漏缆中，以避免多系统干扰。但该方案建设投资及设备用量较大。

图4：四条5/4漏缆组合示意图

3.3地铁漏缆链路预算

上述方案一与方案三所选用隧道漏缆方案链路预算计算方式：

信号源的有效覆盖距离 （米）

其中 代表漏泄电缆输入端注入功率； 代表最低要求覆盖信号强度； 代表漏泄电缆耦合损耗，此项为漏泄电缆指标，一般取2米处95%覆盖概率的耦合损耗，该项取值与工作频段有关； 代表人体穿透损耗，与车厢内人员密集程度有关，一般取3-5dB； 代表宽度因子，Xlg(d/2)，d为终端距离漏泄电缆的距离，X为系数，一般取值在10-20之间，根据实际项目进行模测校准； 代表设计衰减余量, 一般取3dB； 代表车体损耗，与车箱类型有关，一般地铁车窗损耗在8-12dB左右，具体损耗取值应以模测为准；S代表泄漏电缆每米的传输损耗。泄露电缆的注入功率等于信源设备输入的导频功率减去中间POI、馈线等器件损耗。此时设备断点间隔为2L。

在无线通信系统中，当移动台从一个小区移动到另一个小区时为了保持移动用户的不中断通信需要进行信号切换。小区信号切换应可靠平滑。不同系统切换时间有所差别。

在考虑必要小区切换时，切换距离应应结合车速及不同系统切换时长进行计算。双向切换距离=切换时长×车速×2，此时此时设备断点间隔为2L减去双向切换距离。如下表2所示为支持800MHz-3600MHz频段的5/4漏缆链路预算计算结果。在加入切换带计算时，设备间隔断点可做到450m。

表2：区间5/4漏缆链路预算

3.4结论分析

综合以上分析我们可以看出，方案一与方案三设备投入数量没有差别，方案三虽然增加了漏缆的投资，但4条5/4漏缆的建设实现了更高阶的MIMO，使5G高速率、大容量的特性效果展现的更加明显。

方案二除节省了一小部分运营设备外，相对于其他方案并无明显优势，反而更适用于现有地铁线路的5G改造建设，在原有两条13/8漏缆保证2/3/4G覆盖基础上，新建两条5/4漏缆实现5G的覆盖，并保证设备断点位置一致，更加便捷于改造项目的设计、组网、施工等。

4. 结束语

地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，其空间密闭性特点对无线网络覆盖要求较高。5G高频段的应用，给网络覆盖增加了难度。本文对地铁车站及隧道无线网络覆盖方案给出了一些建议，并对不同方案思路进行细化分析。相信随着5G建设方式的逐渐成熟，地铁5G网络会有更好的覆盖方式。

参考文献

[1]孙宜军.地铁民用通信5G无线覆盖方案探讨.中国新通信，2019（19）

[2]谢 涵.5G基站在地铁中的建设模式.电子世界，2019（20）

作者信息

苏琦，中国铁塔股份有限公司天津市分公司，通信发展部室分大项目主管。