高松，蘇雷，程永明

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司，山東 濟(jì)南 250001；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

地鐵人群規(guī)模大、乘客乘坐時(shí)間長(zhǎng)、流動(dòng)頻繁的情況以及地鐵本身信息化建設(shè)的需求，使5G 通信需求日益迫切。濟(jì)南地鐵R3 線貫穿濟(jì)南東部南北方向，全程設(shè)立13 座車(chē)站，在2019 年率先實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全線覆蓋，全程下載速率達(dá)到1 Gbps，為全國(guó)地鐵首例，打造成為泉城“智慧交通”新名片。本文將對(duì)上述濟(jì)南地鐵5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)施過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行回顧分析，以總結(jié)值得歸納的經(jīng)驗(yàn)，供同行參考和研究。

1 覆蓋規(guī)劃及解決方案

濟(jì)南R3 地鐵采用創(chuàng)新的覆蓋解決方案，其中站廳、站臺(tái)采用分布式皮站進(jìn)行覆蓋，隧道區(qū)域RRU+POI+泄漏電纜，全線支持中國(guó)移動(dòng)所有頻段，實(shí)現(xiàn)2G/4G/5G 全覆蓋，覆蓋方案如圖1 所示。目前中國(guó)移動(dòng)3G 網(wǎng)絡(luò)已陸續(xù)退網(wǎng)，相關(guān)頻段逐步重耕為4G 網(wǎng)絡(luò)使用。

圖1 站臺(tái)、站廳、隧道覆蓋方案示意圖

1.1 站臺(tái)、站廳覆蓋方案

通過(guò)實(shí)際勘測(cè)及需求評(píng)估，濟(jì)南R3 地鐵13 座車(chē)站均為地下車(chē)站。站廳、站臺(tái)采用pRRU 覆蓋，在多扇區(qū)的情況下利用物理阻擋方式劃分小區(qū)。采用ITU-R P.1238 室內(nèi)傳播模型進(jìn)行覆蓋評(píng)估：

該模型把傳播場(chǎng)景分為NLOS（Non Line of Sight，非視距）和LOS（Line of Sight，視距）。對(duì)于NLOS，模型所用的公式為：

其中Lf(n)為墻體穿透損耗系數(shù)。Xδ為慢衰落余量，其取值與覆蓋概率要求和室內(nèi)慢衰落標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。

對(duì)于LOS，模型所用的公式為：

根據(jù)測(cè)算，站廳層開(kāi)放區(qū)域pRRU 間距為20 m，站臺(tái)層開(kāi)放區(qū)域pRRU 間距為20 m，站廳層、站臺(tái)層半開(kāi)放區(qū)域pRRU 間距為15～20 m，不同站臺(tái)可根據(jù)房間布局調(diào)整pRRU 位置。如圖2 所示。

圖2 站臺(tái)、站廳pRRU位置設(shè)計(jì)圖

1.2 隧道覆蓋方案

濟(jì)南R3 地鐵線隧道采用RRU+POI+泄漏電纜方式進(jìn)行覆蓋，泄漏電纜型號(hào)為13/8，支持頻段范圍為8 00—2 700 MHz，可以實(shí)現(xiàn)全線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫覆蓋。

根據(jù)泄漏電纜損耗指標(biāo)S（每百米損耗值），即可計(jì)算出滿足覆蓋目標(biāo)下的最遠(yuǎn)覆蓋距離D=PLmax/S。

其中輸入功率PLmax=PRRU-(LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4)。

各參數(shù)說(shuō)明如下：

PRRU：RRU 的輸出功率；

LPOI：POI 系統(tǒng)的插損，一般設(shè)計(jì)要求POI 插損小于6 dB，此處取5 dB；

Pdes：接收端的覆蓋電平要求；

L1：泄漏電纜的耦合損耗；

L2：人體損耗，取3 dB；

L3：寬度因子，L3=10lg(d/2)，d 為移動(dòng)臺(tái)距離漏纜的距離，寬度因子為3 dB；

L4：車(chē)體損耗。

為實(shí)現(xiàn)最佳覆蓋效果，上、下行泄漏電纜安裝高度應(yīng)正好位于列車(chē)車(chē)窗范圍內(nèi)，如圖3 所示。為充分發(fā)揮出LTE MIMO 的效果，同時(shí)考慮到隧道的高度，雙纜間距建議為600 mm。綜上，下方漏纜掛高為2 100 mm，上方漏纜掛高為2 700 mm。此外，為保證各系統(tǒng)的穩(wěn)定性并抑制多系統(tǒng)合路干擾，全系統(tǒng)三階互調(diào)指標(biāo)要求≤ -150 dBc。

區(qū)間隧道無(wú)線鏈路預(yù)算如表1 所示，由于LTE-D 頻段的頻率最高，理論覆蓋距離最短，綜合考慮各系統(tǒng)測(cè)算結(jié)果，隧道斷點(diǎn)間距設(shè)置為636 m。

2 容量規(guī)劃及解決方案

地鐵的功能場(chǎng)景相對(duì)單一，主要分為站廳、站臺(tái)和隧道。站廳及站臺(tái)區(qū)域相對(duì)人流聚集，涉及到地面的出入口、到地面的電梯及扶梯、到站臺(tái)的電梯及扶梯、商鋪，工作人員的辦公區(qū)、機(jī)房等區(qū)域，涉及覆蓋區(qū)域廣，在解決覆蓋需求的同時(shí)，還需要考慮后期容量需求的增長(zhǎng)。綜合考慮濟(jì)南R3 地鐵各站廳、站臺(tái)實(shí)際需求，采用分布式皮站解決方案，即一套系統(tǒng)同時(shí)支持2G/4G/5G。該方案可充分利用分布式皮站多頻多模易部署、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，解決不同場(chǎng)景下的無(wú)線覆蓋需求，同時(shí)，pRRU 體積小重量輕、容量大，可與宏網(wǎng)共監(jiān)控、小區(qū)合并分裂方便，適合站臺(tái)、站廳等高流量的熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋使用。相比于站臺(tái)、站廳場(chǎng)景，隧道區(qū)域的覆蓋要求相對(duì)單一，主要通過(guò)RRU+POI+泄漏電纜等方式進(jìn)行覆蓋，并視具體容量和扇區(qū)劃分情況合理設(shè)置切換帶。

圖3 隧道漏纜位置設(shè)計(jì)圖

表1 區(qū)間隧道鏈路預(yù)算

5G 初期以eMBB 場(chǎng)景為主，重點(diǎn)關(guān)注單用戶速率、小區(qū)速率及時(shí)延方面的要求，地鐵場(chǎng)景的容量估算方法與其他場(chǎng)景的容量估算方法一致，但同一線路不同站點(diǎn)的客流情況大不相同，必須根據(jù)每個(gè)地鐵站點(diǎn)的情況，準(zhǔn)確估算地鐵場(chǎng)景忙時(shí)的客流/用戶，建立準(zhǔn)確的業(yè)務(wù)模型：

（1）忙時(shí)時(shí)間確定：

首先確定忙時(shí)，一般為早高峰（早上7 點(diǎn)到8 點(diǎn)）和晚高峰（晚上18 點(diǎn)到19 點(diǎn)）。

（2）忙時(shí)客流確定：

方法一：根據(jù)該站一天的客流量估算忙時(shí)同時(shí)在該站或隧道的客流數(shù)量；通常較容易獲取一個(gè)站全天的客流量A，但對(duì)LTE 和5G 容量估算來(lái)說(shuō)，需要估算最忙時(shí)同時(shí)在該站的客流量B；估算一個(gè)乘客從進(jìn)入該站到離開(kāi)該站需要Y 分鐘，忙時(shí)的客流占全天的客流比為Z%；那么最忙時(shí)刻同時(shí)在該站的客流B=A*Z%*Y/60。

方法二：現(xiàn)場(chǎng)勘察估算忙時(shí)同一時(shí)刻在該站或隧道的乘客數(shù)；

①站廳站臺(tái)：合理的人均占地面積不小于2 m2；特殊情況下，人均占地面積不小于0.65 m2。

②隧道：獲取車(chē)輛類型，每節(jié)車(chē)廂最大載客量，列車(chē)最大幾節(jié)車(chē)廂。

例如，A 型車(chē)單節(jié)車(chē)廂最大運(yùn)客量310 人，車(chē)廂為6 節(jié)，則一趟列車(chē)客流為1 860 人，考慮雙向隧道，客流則為3 720 人。如果高峰期列車(chē)發(fā)車(chē)間隔短，且該段隧道足夠長(zhǎng)，有可能在該段單向隧道內(nèi)同時(shí)有兩趟列車(chē)的情況發(fā)生，判斷算法如下：列車(chē)在該段隧道運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)Y 分鐘，在高峰時(shí)段列車(chē)的的發(fā)車(chē)間隔Z分鐘。如果Y＞Z，則在該段單向隧道內(nèi)同時(shí)有兩趟列車(chē)的情況。

3 切換規(guī)劃及干擾控制

3.1 站廳站臺(tái)解決方案

應(yīng)注意扇區(qū)劃分邊界的現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)確認(rèn)，在扇區(qū)規(guī)劃階段就應(yīng)考慮切換及干擾控制，扇區(qū)邊界避免規(guī)劃在空曠區(qū)域及客流最大的地方，盡量利用物理建筑阻擋來(lái)規(guī)劃扇區(qū)，盡量避免出現(xiàn)3 個(gè)及以上的扇區(qū)有相同的邊界。如果有合適的物理阻擋，選擇合適的天線安裝位置，通常情況下僅用常用的全向吸頂天線就可保證切換及控制干擾。在容量特別大，僅靠物理建筑無(wú)法控制干擾的情況下，從天線選型上一定程度上控制干擾。適當(dāng)采用一些定向吸頂天線或定向壁掛天線可一定程度上減小兩扇區(qū)間的干擾。

3.2 隧道解決方案

隧道內(nèi)切換規(guī)劃需要綜合考慮有源設(shè)備能安裝的位置、兩相鄰站點(diǎn)分別安裝的有源設(shè)備的輸出功率、列車(chē)的運(yùn)行速度、不同網(wǎng)絡(luò)制式的切換時(shí)間要求，根據(jù)所有這些輸入設(shè)置切換區(qū)域及切換距離。

切換區(qū)域設(shè)置如圖4，隧道內(nèi)無(wú)有源設(shè)備，如在漏纜兩端的注入功率一致，切換區(qū)域?qū)l(fā)生在隧道的正中間。

確定了切換區(qū)域后，還需要計(jì)算兩扇區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域，確保足夠的重疊區(qū)域來(lái)保證切換成功，同時(shí)不因?yàn)橹丿B覆蓋區(qū)域過(guò)大造成兩扇區(qū)干擾過(guò)多。

圖4 單扇區(qū)地鐵站點(diǎn)扇區(qū)規(guī)劃示意圖

3.3 站臺(tái)小區(qū)與隧道小區(qū)解決方案

pRRU 信號(hào)不饋入漏纜，需要將pRRU 安裝在隧道口，以保證站臺(tái)pRRU 小區(qū)與隧道RRU 小區(qū)的正常切換，如圖5 所示。

圖5 站臺(tái)pRRU小區(qū)與隧道RRU小區(qū)切換示意圖

對(duì)于站臺(tái)到隧道之間的切換，由于列車(chē)進(jìn)出隧道口時(shí)，部分車(chē)廂瞬時(shí)速度（進(jìn)站時(shí)第一節(jié)車(chē)廂和出站時(shí)最后一節(jié)車(chē)廂瞬時(shí)速度最高）能夠達(dá)到30～40 km/h，因此需要考慮設(shè)計(jì)足夠的站臺(tái)與隧道小區(qū)之間的重疊覆蓋區(qū)，以滿足正常切換的要求。

3.4 隧道口解決方案

在地下站與地面站之間會(huì)有一個(gè)隧道口，列車(chē)從這里進(jìn)出。需要考慮在隧道口增加半功率角小的定向天線來(lái)保證室內(nèi)與室外小區(qū)的切換。

室外小區(qū)的重疊覆蓋距離的計(jì)算與室內(nèi)隧道小區(qū)間的切換計(jì)算方法一致，不同的是需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量室外站在隧道口的信號(hào)，掌握了隧道口室外的信號(hào)情況之后，根據(jù)重疊覆蓋距離要求，計(jì)算出天線的安裝位置及天線口輸出功率要求。通常建議天線安裝于隧道口，利于隧道阻擋天線的旁瓣，同時(shí)保證隧道室內(nèi)小區(qū)在小功率注入天線的情況下盡可能覆蓋遠(yuǎn)，保證與室外小區(qū)的切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

濟(jì)南R3 線地鐵網(wǎng)絡(luò)開(kāi)通后，經(jīng)過(guò)測(cè)試，終端駐留5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間比例達(dá)到99.3% 以上，平均SINR 達(dá)到21 dB 以上，全程平均下載速率為1 Gbps 以上，平均上傳速率達(dá)到85 Mbps 以上，成為全國(guó)首條5G精品地鐵線路。本文從地鐵場(chǎng)景的5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案入手，研究分析了無(wú)線信號(hào)覆蓋、容量規(guī)劃、小區(qū)切換、小區(qū)干擾等重點(diǎn)問(wèn)題，根據(jù)濟(jì)南R3 線實(shí)際建設(shè)和測(cè)試的情況，給出了新型室分與泄漏電纜結(jié)合的解決方案，實(shí)踐證明該方案效果良好。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地鐵場(chǎng)景的5G 覆蓋需要特別留意站臺(tái)、站廳及隧道的統(tǒng)籌規(guī)劃因素。希望這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槠渌罔F線路5G 覆蓋提供些許參考。