吳在霖，毛利凱（.中國聯(lián)通天津分公司，天津300000；.北京電信規(guī)劃設計院有限公司，北京00044）

0 前言

從上世紀70年代我國第1條地鐵竣工開通，至今已過去近半個世紀。在這幾十年中，我國已建成通車約4 000 km的地鐵線路，排名世界第一。當下室內軌道交通已成為一、二線城市公共交通中最重要的組成部分。僅以國內某一線城市為例，截至2016年，該市軌道交通運營線路共有5條，線網覆蓋10個市轄區(qū)，運營里程166 km。地鐵作為現(xiàn)代化城市重要的交通工具之一，建設力度不斷加強。預計2020年該市地鐵將形成14條運營線路、總里程513 km的軌道交通系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計2016年該市軌道交通年客運量2.77億乘次，日均客運量逾70萬乘次。

地鐵是用戶流量的價值區(qū)域，一直以來都較受運營商重視?；ヂ?lián)網時代每一個用戶無時無刻不在使用網絡，特別是乘客在等待與乘坐地鐵的過程中，都在利用手機進行娛樂、交流。面對日均幾十萬逾次的乘客流量，在早晚高峰期，地鐵線路中產生的高話務量與數(shù)據(jù)業(yè)務量，當前的GSM網絡根本無法滿足終端用戶對高話務量和高速數(shù)據(jù)業(yè)務的需求。為盡快滿足地鐵內UMTS用戶和LTE用戶的使用需求，不斷提升用戶感知度，地鐵內需部署UMTS和LTE網絡。

本文通過對某市地鐵13個站點的UMTS與LTE共傳輸部署，研究在地鐵現(xiàn)網傳輸端口光纖資源稀缺，開通割接工期緊張的情形下，如何快速、高效完成通信網絡的覆蓋，為通信網絡建設在復雜場景的實施應用提供了參考案例。

1 地鐵通信系統(tǒng)特點

1.1 地鐵無線覆蓋場景

現(xiàn)行大部分軌道交通位于地下，導致地鐵隧道、站廳、站臺這樣的封閉環(huán)境都是信號盲區(qū)，列車車廂外殼與高密度人流都會造成無線信號的屏蔽與衰減。

地鐵信號覆蓋相比于室外站點和傳統(tǒng)室內建筑覆蓋相比有以下幾點區(qū)別。

a）地鐵場景較為復雜，覆蓋包括購票廳、乘客通道、站臺和隧道區(qū)間等。

b）每日地鐵內高峰期的龐大人流造成用戶數(shù)、數(shù)據(jù)業(yè)務、話務量的陡增。

c）地鐵位于地下，幾乎都是信號盲區(qū)。

d）地鐵隧道空間受限，多運營商間室分系統(tǒng)干擾大，信號覆蓋工程復雜。

1.2 信號傳播模型

機房內基帶單元、傳輸?shù)仍O備與室外吸頂天線共同組成站廳、站臺的通信覆蓋。由于地鐵的站廳較為空曠，人流比較密集，但移動速度比較慢，站廳的無線覆蓋可以采用常規(guī)樓宇的天線陣來進行，一般站廳只需要1套POI設備即可滿足覆蓋需求。使用ITU-R P.1238室內傳播模型計算自由空間傳播損耗：

式中：

N——距離損耗系數(shù)，地鐵覆蓋一般取20

f——頻率（MHz）

d——移動臺與發(fā)射機之間的距離（m），d>1 m

Xδ——慢衰落余量，取值與覆蓋概率要求和室內慢衰落標準差有關，已經在邊緣覆蓋指標中考慮，此處不用考慮

Lf（n）——穿透損耗系數(shù)，Lf（n）=P×W

P——墻壁損耗參考值，地鐵站廳站臺以鋼筋混凝土建筑為主，根據(jù)業(yè)內參考值取20 dB

W——墻壁數(shù)目

根據(jù)式（1）可計算地鐵室內傳播路徑損耗，并推算相應的站廳及站臺的覆蓋范圍。

1.3 合路方式

基帶單元、傳輸?shù)仍O備與泄漏電纜共同組成地鐵隧道內通信覆蓋。由于地鐵內同時存在多家通信運營商，所以地鐵內一般為多運營商、多系統(tǒng)采用POI合路組網方式。若本運營商在地鐵內存在資源，則可利用原有光纜組網方式，將機房與隧道內的功分、耦合方式進行簡化，機房與隧道內合路方式如圖1所示，省略了其余運營商的頻分合路。

1.4 信號切換

地鐵通信覆蓋切換主要分為三大類：隧道內切換、站廳與車站出入口切換、站臺與隧道切換。

列車在運行過程中跨越不同的小區(qū)，伴隨著小區(qū)信號強弱的變化，信號切換是否成功取決于原服務小區(qū)信號衰減率的高低，即在一定時間段內仍要滿足邊緣RSRP=-105 dBm的要求。

考慮到用戶感知度、降低用戶投訴率，一般將隧道內切換區(qū)設置在隧道中間地段。以地鐵內某站點為例，隧道內切換小區(qū)間強度示意如圖2所示。隧道間電平值變化基本呈現(xiàn)“V”字型，谷底即為隧道內切換區(qū)。

2 基于UL網絡的地鐵室分系統(tǒng)構造

圖1 機房與隧道內合路方式示意圖

圖2 某市地鐵隧道內切換小區(qū)場強

構造地鐵內的室分系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程，不僅需要考慮新建系統(tǒng)對原有通信網絡系統(tǒng)的干擾，同時還要規(guī)避對地鐵信息的影響；還要合理高效利用原有通信網絡系統(tǒng)資源和隧道資源，給網絡擴容升級改造等未來需求留有余地。

2.1 局內搭建試驗臺

為降低UL網絡開通工作對于地鐵信號的影響，需要同時對傳輸系統(tǒng)進行割接。同時由于當前GSM傳輸未成環(huán)，為避免割接中造成原GSM網絡全部斷鏈，需先將原傳輸設備恢復成環(huán)。

以該市地鐵某線為例，對于原同一套GSM傳輸設備掛接的范圍站點，在同一天凌晨4 h的割接工作中完成對應的斷站替換。按照預置數(shù)據(jù)順序，需要在4 h內完成所有的斷站替換與傳輸割接。針對割接的時限要求，采用局點內試驗臺搭建的方案：將BBU站點與接入層的傳輸設備一并搭建在南門里實驗局點中，模擬UL實際開通場景，保證割接過程的準確性與及時性。

2.2 單芯雙向光模塊

單芯光模塊是利用WDM技術，實現(xiàn)一根光纖雙向傳輸光信號。一般光模塊有2個端口，Tx為發(fā)射端口，Rx為接收端口；單芯光模塊只有1個端口，通過光模塊中的濾波器進行濾波，同時完成不同波長光信號的發(fā)射和接收，因此單芯光模塊必須成對使用。

單芯光模塊最常用的波長為1 310/1 550 nm，1 310/1 490 nm，1 510/1 590 nm。單芯雙向光模塊應用場景如下：

a）集成1 550/1 490 nm或1 550/1310 nm波分復用器。

b）單電源+3.3 V/+5 V供電。c）LVPECL/PECL數(shù)據(jù)接口。

d）工作溫度-40℃～+85℃（工業(yè)級）0℃～+70℃。

e）符合GR-468-CORE要求。

f）符合Laser Class 1，達到IEC60825-1要求。

g）可供應符合RoHS規(guī)范要求的產品。

單芯光模塊和傳統(tǒng)雙纖雙向光模塊的主要區(qū)別在于，單芯光模塊配備了波分復用（WDM）耦合器，也就是雙工器，根據(jù)波長的不同將在一根光纖上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行匯合和分離。正因如此，單芯光模塊也被認為是WDM光模塊。為了能夠高效地工作，單芯光模塊必須配對使用，通過調諧雙工器以匹配發(fā)射器和接收器的期望波長，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。例如，若配對的單芯光模塊與設備A（上行）和設備B（下行）進行了連接，那么光模塊A的雙工器必須有一個1 550 nm的接收波長和一個1 310 nm的發(fā)射波長。光模塊B的雙工器必須有一個1 310 nm的接收波長和一個1 550 nm的發(fā)射波長。

該市地鐵某線站點BBU上的UMPT主控板都采用單芯雙向光模塊，從中出一根光纖與傳輸設備ATN950B連接，即CPRI口只需出一根光纖，接收和發(fā)送共用一根光纖傳送多波長光信號，節(jié)省了一半的光纖資源。

2.3 UL共BBU共傳輸

隨著SRAN網絡的演進，GSM/UMTS/LTE逐步共BBU。為了減少傳輸承載鏈路，GU/GL/UL/GUL多模基站側多為共傳輸組網。共傳輸可降低CAPEX和OPEX，具有簡化傳輸維護的優(yōu)勢。

a）通過共享傳輸端口能夠減少傳輸承載鏈路，利用統(tǒng)計復用技術實現(xiàn)傳輸帶寬共享，從而減少傳輸成本，提高基站側最后一公里傳輸帶寬利用率。

b）共享傳輸網絡可以簡化傳輸配置和維護。

c）一號線GSM業(yè)務逐漸轉向UMTS/LTE業(yè)務時，減少傳輸網絡調整，支持平滑演進。

基站共傳輸分為面板互連共傳輸、背板共傳輸以及共主控共傳輸。為節(jié)省傳輸資源，本次采用的UL共傳輸技術為主控板之間的背板共傳輸，UMTS側不再新增傳輸鏈路，共用LTE側GE傳輸。即UMTS和LTE 2塊主控板通過背板連接，UMTS主控板通過LTE主控板的業(yè)務口傳輸UMTS數(shù)據(jù)，共用一個傳輸端和傳輸網絡，實現(xiàn)傳輸資源共享（見圖3）。

3 基于UL網絡的地鐵室分系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化方案

圖3 UL共傳輸組網

該市地鐵某線UL網絡開通后，經過DT測試，針對隧道內覆蓋較差、用戶容量和速率較低、小區(qū)切換慢或者無法切換的場景進行了相應的網絡優(yōu)化，LTE與UMTS的優(yōu)化方案如表1所示。

表1 LTE與UMTS優(yōu)化方案

3.2 LTE網絡優(yōu)化

3.2.1 LTE網絡覆蓋優(yōu)化

通過提升LTE小區(qū)功率等手段，該市地鐵某線整體覆蓋率提升，平均電平值由原來的-94 dBm提升到-83 dBm，良好覆蓋比例由原來的79%提升到96%，環(huán)比提升約17%，優(yōu)化前后RSRP對比如圖4所示，以邊緣場強RSRP=-105 dBm作為信號強度要求，從圖4中可知，優(yōu)化前多個站點及隧道中RSRP值較低，易引起網絡中斷。優(yōu)化后網絡的RSRP值基本大于要求值，覆蓋提升顯著。

3.2.2 LTE網絡容量和速率優(yōu)化

基于LTE 1800M的RRU支持能力，開通二載波1506頻點和載波聚合功能，結合頻點優(yōu)先級（頻點1650優(yōu)先級高于1506）和載波聚合策略（基于輔載波盲配和基于A4測量）優(yōu)化，載波聚合狀態(tài)占比超過50%，平均下載速率由原來的49.17 Mbit/s提升到67.54 Mbit/s，環(huán)比提升37.36%，用戶感知速率提升明顯。開通CA功能前后各站點測試數(shù)據(jù)平均值對比如表2所示。

3.3 UMTS網絡優(yōu)化

通過提升UMTS第1、2載波功率等手段，該市地鐵某線平均電平值由原來的-80 dBm提升到-76 dBm，良好覆蓋比例由原來的81%提升到88%，環(huán)比提升9%。覆蓋優(yōu)化后，針對站與站之間的鄰區(qū)進行詳細排查，地上、地下的設備廠商邊界進行反復測試和最優(yōu)鄰區(qū)的添加、修改。優(yōu)化后該線路UMTS網絡長呼測試基本無掉話。

3.4 UL網絡業(yè)務吸收及指標優(yōu)化

提取某天10：00—12：00列車在隧道內運行過程中LTE下載平均速率（見表3），從表3可知隧道內下載速度最低為42 Mbit/s，可滿足地鐵內終端用戶對于網絡使用的需求。

圖4 優(yōu)化前后該市地鐵某線RSRP電平值變化

表2 該市地鐵某線各個站臺的覆蓋及速率情況

表3 該市地鐵某線站點間隧道LTE下載平均速率

連續(xù)4天中早高峰06：00—09：00期間UMTS/LTE業(yè)務量變化如圖5所示，該市地鐵某線UMTS的話務量保持在24 Erl左右，數(shù)據(jù)業(yè)務流量隨著LTE的開通基本上維持在5～8 GB，LTE業(yè)務的數(shù)據(jù)業(yè)務流量保持在70 GB以上。

隨著運營商LTE的1 800 MHz第2載波開通，由于第2載波的帶寬僅10 MHz，且與GSM1800存在干擾，覆蓋范圍較小，用戶感知弱于主載波。通過優(yōu)化，2個載波的業(yè)務占比由2∶1優(yōu)化到3∶1，使用戶更好地體驗20 MHz帶寬，同時10 MHz帶寬作為載波聚合進行速率輔助提升，2個載波業(yè)務吸收情況如圖6所示。

4 結束語

近年來，地鐵已經成為通信高業(yè)務量和高業(yè)務速率的重點室內場景，通信各運營商對地鐵的室內分布系統(tǒng)均做了大量的部署以提升用戶的感知體驗。本文介紹了對某市已有GSM網絡的地鐵進行基于UL網絡的升級改造及優(yōu)化，對地鐵這一場景的網絡構造與優(yōu)化提供了一定的借鑒和參考。

圖5 該市地鐵某線連續(xù)3天UMTS/LTE業(yè)務量變化

圖6 該市地鐵某線LTE 2個載波業(yè)務吸收情況