城市軌道交通線路 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究

李佳寧

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 引言

近年來，城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）逐步發(fā)展成為我國城市的重要交通運(yùn)輸方式。截至2020年12月31日，中國內(nèi)地已經(jīng)有45個(gè)城市開通城軌運(yùn)營線路7 969.7 km。移動(dòng)終端接入量以及通信數(shù)據(jù)的迅猛增加對(duì)城軌無線網(wǎng)絡(luò)的容量、傳輸速度、穩(wěn)定性等提出了更高的要求，尤其是在城軌車站的站廳站臺(tái)以及隧道區(qū)間這些復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋更具有難度[1-7]。

第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)是我國正在大力推行的新一代無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。目前，中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中國移動(dòng)”）、中國電信集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中國電信”）、中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中國聯(lián)通”）三大運(yùn)營商在我國主要城市的核心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的商用。相比于傳統(tǒng)的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬、高速率、高穩(wěn)定性、低時(shí)延等優(yōu)勢[8-12]，將其引入城軌線路可有效解決城軌無線通信目前面臨的問題和挑戰(zhàn)。

目前，各既有線路的站廳站臺(tái)和隧道區(qū)間已經(jīng)有三大運(yùn)營商的2G/3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋[13-16]：站廳站臺(tái)均已安裝2G/3G/4G設(shè)備，通過分布式天線系統(tǒng)（DAS）實(shí)現(xiàn)無線通信；隧道區(qū)間中通常利用傳統(tǒng)型號(hào)的漏泄電纜（以下簡稱“漏纜”）進(jìn)行信號(hào)傳輸。然而，將5G網(wǎng)絡(luò)引入這些區(qū)域仍存在諸多問題，例如，既有2G/3G/4G設(shè)備無法兼容5G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)頻率較高、三大運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)頻段跨度較大等因素導(dǎo)致無法利用單一型號(hào)的漏纜實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道區(qū)間的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。因此，如何解決上述問題便成為研究的重要內(nèi)容。

本文針對(duì)站廳站臺(tái)和隧道區(qū)間的特殊環(huán)境，提出在站廳站臺(tái)通過新設(shè)5G單模分布式皮基站（以下簡稱“5G皮基站”）實(shí)現(xiàn)5G獨(dú)立組網(wǎng)，在隧道區(qū)間通過采用13/8和5/4漏纜實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋的方案，以期為5G技術(shù)在城軌領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 站廳站臺(tái)的 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

2.1 站廳站臺(tái)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋現(xiàn)狀

站廳站臺(tái)是乘客進(jìn)出站、查詢線路、購票、候車的關(guān)鍵區(qū)域，此處的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)終端密度非常高，尤其是在乘車高峰期網(wǎng)絡(luò)接入需求巨大。然而，由于受墻體遮蔽、障礙物和干擾源眾多等因素影響，外部的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)難以進(jìn)入此區(qū)域，因此需要通過在站廳站臺(tái)設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)施以實(shí)施無線通信。

目前，站廳站臺(tái)通常采用傳統(tǒng)的多系統(tǒng)合路平臺(tái)（POI）、DAS與信源結(jié)合，即“POI+DAS+信源”的組網(wǎng)方式[7-8]，實(shí)現(xiàn)對(duì)站廳站臺(tái)的2G/3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 目前站廳站臺(tái)的無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 站廳站臺(tái)的 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)施方案

根據(jù)既有線路站廳站臺(tái)的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋現(xiàn)狀，將5G網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)協(xié)同組網(wǎng)，可避免DAS的重復(fù)建設(shè)和投資。從技術(shù)可行性與建設(shè)經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，本文提出通過在站廳站臺(tái)內(nèi)新設(shè)5G皮基站的方式實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的方案。其優(yōu)點(diǎn)在于，無須對(duì)原有2G/3G/4G設(shè)備設(shè)施進(jìn)行改造，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無任何影響，僅根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需要增設(shè)5G皮基站。

此方案的主要特點(diǎn)是由三大運(yùn)營商新設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)信源，在既有基站點(diǎn)位新設(shè)5G皮基站。5G皮基站由集線器單元（RHub）、皮射頻拉遠(yuǎn)單元（pico RRU或pRRU）及基帶處理單元（BBU）組成。在同一5G皮基站范圍內(nèi)的多個(gè)pRRU被編為同一組，與同一個(gè)RHub連接，RHub通過光纜與設(shè)置在通信機(jī)房內(nèi)的BBU連接，如圖2所示。

圖2 5G皮基站示意圖

其中，pRRU在站廳站臺(tái)中的布設(shè)呈折線形（即pRRU在站廳站臺(tái)公共區(qū)兩側(cè)沿軌道方向交錯(cuò)布置，一側(cè)的序號(hào)為奇數(shù)，另一側(cè)為偶數(shù)，若按序號(hào)將其連接起來，其連線呈折線形），如圖3、圖4所示。這種布設(shè)方式可以保證5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋均勻無盲區(qū)。每個(gè)pRRU配備2組4發(fā)4收（4T4R）天線（即4根發(fā)射天線和4根接收天線），以保證5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。

圖3 站廳pRRU點(diǎn)位及分區(qū)設(shè)置

圖4 站臺(tái)pRRU點(diǎn)位及分區(qū)設(shè)置

3 隧道區(qū)間的 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

3.1 隧道區(qū)間無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋現(xiàn)狀

如何實(shí)現(xiàn)隧道區(qū)間的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋是將5G網(wǎng)絡(luò)引入既有城軌線路的另一難點(diǎn)，其原因在于：①與站廳站臺(tái)相比，城軌隧道區(qū)間的環(huán)境相對(duì)封閉，幾乎是各類通信信號(hào)的盲區(qū)；②列車在隧道內(nèi)運(yùn)行速度相對(duì)較快，影響信號(hào)的接收和傳輸；③車內(nèi)人員較為密集，網(wǎng)絡(luò)接入需求巨大；④列車車體、屏蔽門等均會(huì)對(duì)無線信號(hào)造成嚴(yán)重干擾。

既有城軌隧道區(qū)間通常采用射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）、POI及漏纜，即“RRU+POI+漏纜”的組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)2G/3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如圖5所示。RRU與pRRU類似，其區(qū)別在于RRU體積較大且承載量大，已在既有城軌線路中廣泛應(yīng)用，而pRRU體積較小。漏纜的工作原理是，通過在其同軸管外導(dǎo)體上開設(shè)一系列槽孔或隙縫，將電纜中傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟糠帜芰坑锌刂频匮鼐€路均勻輻射出去，從而使場強(qiáng)衰減均勻而無起伏，易為接收設(shè)備所接收。

圖5 目前隧道區(qū)間無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋示意圖

3.2 隧道區(qū)間 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)施方案

對(duì)于隧道區(qū)間，本文提出仍采用漏纜進(jìn)行5G通信的方案。該方案與傳統(tǒng)方案的原理相同，但需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行更換，使其滿足5G網(wǎng)絡(luò)的要求。根據(jù)中華人民共和國工業(yè)和信息化部于2018年12月6日向三大運(yùn)營商發(fā)布的“全國范圍5G中低頻段試驗(yàn)頻率”使用許可，三大運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)頻段如表 1所示。

表1 三大運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)頻段 MHz

由于中國移動(dòng)的4 800～4 900 MHz 5G頻段具有頻率較高、傳播損耗較大的特點(diǎn)，因此主要規(guī)劃用于高熱點(diǎn)、高價(jià)值地區(qū)或垂直行業(yè)，未應(yīng)用到城軌建設(shè)中。故本文對(duì)該頻段不做探討，只考慮中國移動(dòng)已應(yīng)用于城軌的2 515～2 675 MHz 5G頻段。

為將5G網(wǎng)絡(luò)引入隧道區(qū)間，本方案需將POI更換為可饋入5G NR 2×100 W信源且與4G信號(hào)合路的型號(hào)，并采用分布式宏基站的5G-RRU。漏纜型號(hào)需根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)頻率進(jìn)行選取。由于目前城軌項(xiàng)目中常用的13/8漏纜最多可支持頻率為2 800 MHz的5G網(wǎng)絡(luò)，無法滿足頻率高于3 400 MHz的5G網(wǎng)絡(luò)需求。因此，對(duì)于三大運(yùn)營商，中國移動(dòng)可繼續(xù)使用13/8漏纜進(jìn)行5G信號(hào)傳輸，5G網(wǎng)絡(luò)可與2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)共用該型漏纜；中國聯(lián)通和中國電信則需單獨(dú)架設(shè)5/4漏纜以支持頻率在 3 400 MHz以上的5G網(wǎng)絡(luò)。其具體布設(shè)如圖6所示。

圖6 隧道區(qū)間5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋示意圖

本方案需對(duì)隧道區(qū)間中的既有硬件進(jìn)行改造，并重新敷設(shè)5/4漏纜以支持3 400 MHz以上頻率，施工難度相對(duì)較高。

3.3 鏈路預(yù)算驗(yàn)證

為驗(yàn)證13/8漏纜實(shí)現(xiàn)5G與2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的能力，現(xiàn)根據(jù)已開通城軌線路中三大運(yùn)營商各種2G/3G/4G/5G系統(tǒng)制式的現(xiàn)場信號(hào)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算中相關(guān)參數(shù)的取值如表2所示[9]。

漏纜兩端都有信源接入的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離L（單位：m）可通過公式（1）計(jì)算得到：

式（1）中各符號(hào)意義見表2。

表2 鏈路損耗因子取值表

通過式（1）計(jì)算得到各系統(tǒng)制式鏈路預(yù)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，中國移動(dòng)5G（2.6 GHZ）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍與相近頻段的中國移動(dòng)LTE-D與LTE-E 4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)果接近，略低于中國電信和中國聯(lián)通LTE 4G網(wǎng)絡(luò)。其根本原因在于中國電信和中國聯(lián)通LTE 4G 網(wǎng)絡(luò)頻率較低，損耗較小，故覆蓋半徑較長。由此可知，在相同頻段的條件下，隧道區(qū)間采用13/8漏纜傳輸5G信號(hào)，其覆蓋能力基本與4G網(wǎng)絡(luò)持平。

表3 鏈路預(yù)算結(jié)果匯總表 m

4 結(jié)論

本文依據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)以及城軌場景特性，分別提出在既有城軌站廳站臺(tái)和隧道區(qū)間引入5G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)方案。對(duì)于站廳站臺(tái)，建議采用新設(shè)5G皮基站的方式，在不影響現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)的條件下完成5G獨(dú)立組網(wǎng)；隧道中，建議采用13/8和5/4漏纜協(xié)同覆蓋的方式，以適應(yīng)三大運(yùn)營商不同5G網(wǎng)絡(luò)頻率的要求。該方案對(duì)實(shí)現(xiàn)既有城軌線路5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋有指導(dǎo)和借鑒意義。