5G地鐵場(chǎng)景覆蓋方案探討

郭希蕊，楊 艷，張 濤（中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 概述

地鐵是當(dāng)前大型城市的首選公共交通工具，環(huán)境復(fù)雜，人流量大，是運(yùn)營(yíng)商典型的室內(nèi)數(shù)據(jù)熱點(diǎn)場(chǎng)景，也是用戶口碑評(píng)價(jià)和業(yè)務(wù)體驗(yàn)的關(guān)鍵場(chǎng)景，地鐵將會(huì)成為5G初期網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點(diǎn)場(chǎng)景，需要及時(shí)制定解決方案。地鐵場(chǎng)景具有如下特點(diǎn)。

a）城市軌道交通（地鐵）多為封閉式環(huán)境，軌道交通站臺(tái)站廳、區(qū)間隧道內(nèi)各種無(wú)線信號(hào)幾乎均為盲區(qū)。

b）無(wú)線信號(hào)在隧道場(chǎng)景中傳播容易產(chǎn)生快衰落。

c）地鐵列車(chē)車(chē)體、站臺(tái)兩側(cè)安全屏蔽門(mén)會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的屏蔽。

目前，地鐵隧道2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋主要采用POI+13/8"漏纜方式，一般布放2條漏纜，可實(shí)現(xiàn)3家運(yùn)營(yíng)商4G 2T2R MIMO及2G/3G上下行分纜。但5G高頻段的應(yīng)用、高容量的需求、多MIMO 的部署及隧道環(huán)境的特殊性給網(wǎng)絡(luò)的部署帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，本文主要針對(duì)地鐵隧道覆蓋方案進(jìn)行深入研究。

2 5G地鐵隧道覆蓋的挑戰(zhàn)

5G 地鐵隧道覆蓋將面臨高頻段漏纜支持能力、MIMO通道數(shù)、多系統(tǒng)干擾等問(wèn)題。

2.1 高頻段漏纜支持能力

泄漏電纜是一類(lèi)特殊的同軸電纜，與同軸電纜具備一樣的同軸結(jié)構(gòu)，所以也受到同軸電纜截止頻率的制約，只能傳播頻率在截止頻率以下的TEM 波。同軸電纜的截止頻率為：

式中：

c——光速，c=3×108m/s

εe——電纜的等效介電常數(shù)

D和d——外導(dǎo)體內(nèi)徑和內(nèi)導(dǎo)體外徑

按式（1）計(jì)算，13/8"的最高頻段只能支持到2.7 GHz，不支持3.5 GHz 頻段，但是5/4"及以下規(guī)格截止頻率都超過(guò)3.6 GHz，傳輸損耗較大。不同型號(hào)泄露電纜在不同頻段的百米損耗如表1所示。

表1 泄露電纜在不同頻段的百米損耗（單位：dB/100 m）

從表1 可以看出，目前支持3.5 GHz 的泄露電纜中，5/4"漏纜的傳輸損耗最小，現(xiàn)網(wǎng)存量13/8"漏纜受到截止頻率的限制不支持3.5 GHz頻段。

泄漏電纜有2 個(gè)重要的指標(biāo)：傳輸損耗和耦合損耗。傳輸損耗是指沿漏纜長(zhǎng)度方向上信號(hào)的損耗。耦合損耗是指通過(guò)開(kāi)槽外導(dǎo)體從電纜散發(fā)出的電磁波在漏泄同軸電纜和中國(guó)移動(dòng)接收機(jī)之間的路徑損耗或信號(hào)衰減，其計(jì)算公式為：

式中：

Lc——耦合損耗（dB）

Pt——漏泄電纜的發(fā)射功率（W）

Pr——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試天線的接收功率（W）

耦合損耗一般用αc95典型值來(lái)表征，指95%接收概率，即測(cè)得的局部耦合損耗95%小于該值。漏泄同軸電纜的綜合損耗就是指?jìng)鬏斔p和耦合損耗的總和。表2 給出了不同廠家的5/4"漏纜在3.5 GHz 的綜合損耗。

表2 不同廠家不同型號(hào)漏纜的綜合損耗

從表2可以看出不同廠家生產(chǎn)的漏纜的傳輸損耗相差也較大，后續(xù)需統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前了解到的5/4"漏纜在3.6 GHz損耗最小值為：傳輸損耗為9.84 dB，耦合損耗為66 dB。其在250 m 處的綜合損耗是91 dB。為減小漏纜的綜合損耗，業(yè)界廠家開(kāi)發(fā)出低損耗泄露電纜，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)其在250 m處的綜合損耗為85 dB。

低損耗漏纜在定長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)在漏纜上開(kāi)制連續(xù)的、變化的槽孔，使得從始端到末端，耦合損耗逐漸減少，傳輸損耗逐漸增加，靠近信源段能量輻射得少，更多的能量往遠(yuǎn)端傳輸，在末端輻射出來(lái)，使能量盡量均衡的分布在整條漏纜中。

低損耗漏泄電纜通信解決方案相比于傳統(tǒng)漏纜覆蓋方案有以下優(yōu)點(diǎn)。

a）整體綜合損耗降低6 dB，可增加覆蓋半徑。

b）保證末端功率強(qiáng)度，可提高末端信噪比。

c）加快末端信號(hào)衰耗程度，可縮短小區(qū)切換耗時(shí)。

d）均衡全線覆蓋場(chǎng)強(qiáng)，可降低時(shí)延。

2.2 采用漏纜難以實(shí)現(xiàn)4×4 MIMO

考慮到5G 終端是4 收，為保障5G 系統(tǒng)大容量需求，基站側(cè)最低要求是4×4 MIMO，隧道場(chǎng)景理論上通過(guò)部署4根漏纜可以實(shí)現(xiàn)4流，使用MIMO 技術(shù)時(shí)為避免漏纜之間的相互干擾，兩根漏纜之間的空間隔離不能低于0.5 m。當(dāng)前泄漏電纜敷設(shè)高度在（2.0 m，3.0 m）間，與地鐵列車(chē)窗口中部齊高，此高度正好與地鐵車(chē)窗平行，信號(hào)的穿透損耗最小；因此多通道MIMO 主要受到工程部署的限制（是否可以安裝多根漏纜）。

2.3 多頻段多制式帶來(lái)系統(tǒng)干擾的挑戰(zhàn)

室內(nèi)分布系統(tǒng)使用的5G 工作頻段根據(jù)國(guó)家無(wú)線電管理部門(mén)的相關(guān)規(guī)定。運(yùn)營(yíng)商分配的5G 工作頻段如表3所示。

5G 與2G/3G/4G 制式合路，存在嚴(yán)重的干擾問(wèn)題，連續(xù)大帶寬產(chǎn)生的互調(diào)干擾帶寬大，增加高頻系統(tǒng)后二階、三階、組合互調(diào)復(fù)雜，干擾幾率提升。雖然2.6GHz 和3.5 GHz 采用的幀結(jié)構(gòu)不同，但是在下行還有5個(gè)時(shí)隙是重復(fù)的，導(dǎo)致2.6 GHz 頻段160 MHz 帶寬和3.5 GHz 頻段300 MHz 帶寬組合產(chǎn)生的三階互調(diào)對(duì)1.8 GHz和2.1 GHz的上行產(chǎn)生了全帶寬的互調(diào)干擾。

表3 運(yùn)營(yíng)商工作頻段

3 5G地鐵場(chǎng)景覆蓋方案分析

地鐵一般包含站廳、站臺(tái)、地下區(qū)間隧道等區(qū)域。下面將對(duì)地鐵不同場(chǎng)景的5G覆蓋方案進(jìn)行闡述。

3.1 站廳、站臺(tái)以及地上部分覆蓋方案

在4G時(shí)代，地鐵站廳和站臺(tái)大部分采用傳統(tǒng)室分進(jìn)行覆蓋，由于現(xiàn)有無(wú)源器件不支持3.5 GHz 頻段，地鐵站站廳、站臺(tái)以及地鐵人員工作區(qū)域的覆蓋方案將不能采用傳統(tǒng)室分覆蓋方案，建議采用數(shù)字化室分設(shè)備進(jìn)行覆蓋。

a）對(duì)于已部署4G DAS 系統(tǒng)場(chǎng)景，利舊DAS 系統(tǒng)新增5G 單模數(shù)字化室分設(shè)備或采用4G/5G 多模數(shù)字化室分設(shè)備替代原DAS系統(tǒng)。

b）對(duì)于已部署4G 數(shù)字化室分設(shè)備場(chǎng)景，新增5G數(shù)字化室分設(shè)備。

c）對(duì)于新建場(chǎng)景，新增4G/5G 多模數(shù)字化室分設(shè)備。

地上部分采用室外宏站覆蓋，同時(shí)做好地上與地下部分的切換配置與干擾控制。

3.2 地鐵隧道覆蓋方案

根據(jù)前文所述，5/4"漏纜支持3.5 GHz 頻段，漏纜在高頻段的損耗有可能會(huì)增加RRU 信源的數(shù)量，在地鐵隧道里車(chē)輛行駛速度最高80 km/h，隧道壁可安裝設(shè)備，因此地鐵隧道場(chǎng)景仍可采用漏纜方案進(jìn)行覆蓋，同時(shí)也可以考慮RRU 加貼壁天線覆蓋方案，這種方案工程實(shí)施相對(duì)容易。表4 為某地鐵隧道在3.5 GHz 頻段采用低損耗漏纜和貼壁天線的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表4 3.5 GHz頻段采用低損耗漏纜和貼壁天線的測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中是采用8T8R 8×30 W 的RRU 信源直接連接漏纜或天線，終端采用CPE 進(jìn)行測(cè)試，而且實(shí)際測(cè)試過(guò)程中是在列車(chē)無(wú)人情況下進(jìn)行測(cè)試的，因此相比實(shí)際商用環(huán)境，需要就以下因數(shù)進(jìn)行修正。

a）CPE 天線增益為4 dB，實(shí)際商用手機(jī)天線增益為-3到0 dB。

b）實(shí)際車(chē)輛運(yùn)行，要考慮人體遮擋損耗，天線場(chǎng)景考慮7 dB，漏纜場(chǎng)景5 dB。

c）漏纜場(chǎng)景考慮POI合路損耗為5 dB。

通過(guò)修正后的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在站間距為500 m 的情況下，采用漏纜方案和天線方案下行速率均能達(dá)到100 Mbit/s 以上，上行速率在5 Mbit/s 以上，SS-RSRP 在-105 dBm 左右，符合5G 對(duì)邊緣覆蓋的指標(biāo)要求。

因此，基于現(xiàn)網(wǎng)地鐵隧道500～600 m 站間距典型場(chǎng)景，3.5 GHz 頻段的NR 系統(tǒng)采用低損耗漏纜可與現(xiàn)網(wǎng)4G設(shè)備共點(diǎn)位覆蓋。

表5是針對(duì)地鐵隧道漏纜方案和天線方案兩者之間的利弊分析。

地鐵隧道場(chǎng)景分為存量場(chǎng)景和新建場(chǎng)景，下面將對(duì)這2種場(chǎng)景覆蓋方案分別進(jìn)行闡述。

3.2.1 存量隧道場(chǎng)景

隧道存量場(chǎng)景是指已經(jīng)部署了1根或2根13/8"漏纜，3 家運(yùn)營(yíng)商的2G/3G/4G 通過(guò)POI 均已經(jīng)接入到漏纜，對(duì)于新增5G覆蓋需求，有如下2種方案。

a）推薦采用新建2路5/4"漏纜方案。

（a）中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通3.5 GHz 承載在5/4"漏纜上，中國(guó)移動(dòng)2.6 GHz承載在原13/8"漏纜上，均實(shí)現(xiàn)2T2R。

表5 地鐵隧道漏纜方案和天線方案兩者之間的利弊分析

（b）原2G/3G/4G繼續(xù)承載在13/8"漏纜上。

（c）中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通2.1 GHz NR 可承載在13/8"漏纜和5/4"漏纜上，實(shí)現(xiàn)4T4R。

b）對(duì)于無(wú)法新增漏纜的場(chǎng)景，3.5 GHz 可采用RRU+貼壁天線方案。

（a）采用4T4R 天線向隧道前后方向覆蓋，3.5 GHz NR可實(shí)現(xiàn)4T4R。

（b）中國(guó)移動(dòng)2.6 GHz 承載在原13/8"漏纜上，實(shí)現(xiàn)2T2R。

（c）中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通2.1 GHz NR 繼續(xù)承載在13/8"漏纜上，實(shí)現(xiàn)2T2R。

（d）隧道轉(zhuǎn)彎處需要加密天線（射頻饋線拉遠(yuǎn)）。

（e）需地鐵公司許可安裝天線。

3.2.2 新建隧道場(chǎng)景

新建場(chǎng)景需要同時(shí)部署3 家運(yùn)營(yíng)商的2G/3G/4G/5G系統(tǒng)，建議采用如下覆蓋方案。

a）新建4路5/4"漏纜方案。

（a）3家運(yùn)營(yíng)商2G/3G/4G/5G全部采用5/4"漏纜方式。

（b）3.5 GHz NR、2.6 GHz NR 和2.1 GHz NR 均可實(shí)現(xiàn)4T4R。

b）新建2路5/4"漏纜和2路13/8"漏纜的方案。

（a）3.5 GHz 承載在5/4"漏纜上，實(shí)現(xiàn)2T2R，2.6 GHz承載在13/8"漏纜上，實(shí)現(xiàn)2T2R。

（b）中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通2G/3G/4G承載在5/4"漏纜上，中國(guó)移動(dòng)2G/3G/4G 承載在13/8"漏纜上，此方案可以避免部分互調(diào)干擾。

c）新建2 路5/4"漏纜的方案。3 家運(yùn)營(yíng)商所有系統(tǒng)都承載在2根5/4"漏纜上，均實(shí)現(xiàn)2T2R。

3.3 切換規(guī)劃方案

列車(chē)出隧道的過(guò)程中，隧道內(nèi)信號(hào)迅速減弱，隧道外信號(hào)迅速增強(qiáng)，兩側(cè)信號(hào)需要具有足夠的重疊覆蓋區(qū)，以達(dá)到順利切換的目的，可在站臺(tái)兩端靠近隧道口位置部署數(shù)字化室分設(shè)備，向隧道內(nèi)延伸覆蓋20～30 m，構(gòu)造列車(chē)進(jìn)出站臺(tái)切換帶；對(duì)于采用封閉門(mén)的，建議采用漏纜貫穿站臺(tái)區(qū)域方案，切換帶設(shè)置在上下車(chē)區(qū)域。

同時(shí)隧道內(nèi)列車(chē)經(jīng)過(guò)2個(gè)小區(qū)交匯處時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)切換，采用RRU 小區(qū)合并技術(shù)，設(shè)置2 個(gè)小區(qū)的切換帶為45 m，可保證切換順利進(jìn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵是運(yùn)營(yíng)商典型的室內(nèi)數(shù)據(jù)熱點(diǎn)場(chǎng)景，也是用戶口碑評(píng)價(jià)和業(yè)務(wù)體驗(yàn)的關(guān)鍵場(chǎng)景，地鐵將會(huì)成為5G初期網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點(diǎn)場(chǎng)景。運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)本文所提出的方案在地鐵場(chǎng)景快速部署5G。