5G公網(wǎng)覆蓋改造工程研究

趙一哲

（天津市郵電設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，天津 300384）

1 項(xiàng)目建設(shè)總體方案

地鐵中人流量較大，對于移動通信的語音以及數(shù)據(jù)接入需求較高，同時(shí)，由于地鐵的結(jié)構(gòu)特征，無法利用外部網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行覆蓋，因此需要在地鐵中建立相應(yīng)的信號基站從而滿足地鐵運(yùn)營以及地鐵用戶的通信需求。原來的宏基站覆蓋無法滿足當(dāng)前的地鐵通信需求，因此需要利用5G技術(shù)對沿線站臺、站廳以及雙向隧道內(nèi)室內(nèi)覆蓋分布系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用信源以及有源設(shè)備有效解決在地鐵站廳以及雙向隧道中的室內(nèi)信號覆蓋問題[1]。

2 無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

2.1 覆蓋目標(biāo)

在規(guī)劃無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋指標(biāo)時(shí)，需要首先根據(jù)各運(yùn)營商的具體要求進(jìn)行考慮，若運(yùn)營商未提出相關(guān)覆蓋目標(biāo)要求，則需要根據(jù)如表1所示的無線覆蓋指標(biāo)要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。一般而言，5G技術(shù)背景下地鐵運(yùn)營商的覆蓋目標(biāo)為基本消除地鐵內(nèi)用戶的通信盲區(qū)，確保在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)的98%位置中，在99%的時(shí)間內(nèi)用戶可通過移動智能設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，并且在覆蓋區(qū)范圍當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)具有呼叫正常、切換順暢、掉話率低等特征。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)要求

2.2 鏈路預(yù)算

在開展地鐵無線網(wǎng)絡(luò)中的鏈路預(yù)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾點(diǎn)要求。

隧道內(nèi)鏈路主要包括上行鏈路以及下行鏈路，其中下行鏈路指的是從基站至移動手機(jī)間的鏈路，上行鏈路則是指從移動手機(jī)至基站的鏈路，在進(jìn)行鏈路運(yùn)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)對各隧道內(nèi)影響下行鏈路以及上行鏈路的各項(xiàng)鏈路預(yù)算影響因子進(jìn)行詳細(xì)分析，判斷各鏈路影響因子的影響效力。

在明確最大允許空間路徑損耗后，需要以此為根據(jù)核算單天線的覆蓋能力，并且綜合考慮各系統(tǒng)的覆蓋需求，求出相應(yīng)的天線覆蓋半徑。

在開展鏈路預(yù)算時(shí)，需要綜合考慮頻段、輸出功率、接收靈敏度、噪聲容限等參數(shù)的影響，使得系統(tǒng)中各制式的上/下鏈路能夠在系統(tǒng)運(yùn)作過程中保持平衡，從而保證通信信號的穩(wěn)定性。

3 線路干擾分析

3.1 系統(tǒng)間干擾簡介以及解決方法

（1）雜散干擾。雜散干擾指當(dāng)干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中的非線性器件在其發(fā)射頻段以外較寬范圍內(nèi)產(chǎn)生雜散發(fā)射時(shí)，若此類雜散發(fā)射頻率正處于被干擾系統(tǒng)接收頻段當(dāng)中，則將提升接收機(jī)的噪底，從而降低其接收靈敏度。通常而言，可以通過降低發(fā)射電平來避免雜散干擾對信息傳遞的影響。

（2）互調(diào)干擾。在系統(tǒng)非線性的條件下，多個(gè)不同頻率干擾信號將合成出與有用信號相同或相似的頻率組合，當(dāng)其落入到相鄰系統(tǒng)的上行頻段時(shí)，所產(chǎn)生的干擾即為互調(diào)干擾。互調(diào)干擾可能會使接收機(jī)出現(xiàn)信噪比下降的現(xiàn)象。

（3）阻塞干擾。若對接收機(jī)端施加較強(qiáng)的功率信號，將導(dǎo)致接收機(jī)鏈路在非線性狀態(tài)出現(xiàn)飽和，從而出現(xiàn)非線性失真，并且在信號強(qiáng)度過大時(shí)，將出現(xiàn)振幅壓縮現(xiàn)象，使得接收機(jī)過載，此即為阻塞干擾，其干擾效果為接收機(jī)的增益下降。

系統(tǒng)間的最終干擾隔離度為以上三種干擾的最大值。此外，可以通過對系統(tǒng)端口進(jìn)行隔離從而有效解決雜散干擾以及阻塞干擾問題，由于互調(diào)干擾信號產(chǎn)生于無源器件，因此一般情況下可以通過使用高品質(zhì)的系統(tǒng)器件，從而達(dá)到減少互調(diào)干擾的目的，但也存在互調(diào)干擾過于嚴(yán)重而無法通過器件規(guī)避的情況[2]。

3.2 公網(wǎng)通信系統(tǒng)和地鐵專網(wǎng)系統(tǒng)間干擾分析

兩個(gè)系統(tǒng)間的隔離度要求如表2所示，由此可知，在對公網(wǎng)系統(tǒng)對專網(wǎng)通信系統(tǒng)的干擾進(jìn)行分析時(shí)，主要需要考慮雜散隔離度，而通過對公網(wǎng)系統(tǒng)端口隔離度、公網(wǎng)漏纜與地鐵專用系統(tǒng)間的空間隔離度進(jìn)行綜合考慮和控制，能夠確保公網(wǎng)系統(tǒng)不會對專網(wǎng)系統(tǒng)造成干擾。同理，在分析專網(wǎng)系統(tǒng)對公網(wǎng)系統(tǒng)的干擾時(shí)，可以通過隔離度公式得出最大隔離度要求，并且再對二者的器件損耗、饋線損耗、漏纜耦合損耗等因素進(jìn)行綜合考慮，通過控制專網(wǎng)通信系統(tǒng)和公網(wǎng)漏纜的空間間隔、空間隔離度，從而避免專網(wǎng)各系統(tǒng)對公網(wǎng)系統(tǒng)造成干擾。

表2 系統(tǒng)間隔離要求

3.3 系統(tǒng)間干擾隔離原則

（1）雜散干擾規(guī)避準(zhǔn)則：應(yīng)當(dāng)保證被干擾基站所接收到的雜散輻射信號低于其接收機(jī)底噪7 dB。被干擾終端接收到的雜散輻射信號強(qiáng)度不應(yīng)當(dāng)高于其接收機(jī)底噪。

（2）互調(diào)干擾規(guī)避準(zhǔn)則：在被干擾基站生成的三階互調(diào)干擾電平比它的接收機(jī)底噪低7 dB。

（3）阻塞干擾規(guī)避準(zhǔn)則：被干擾基站從干擾基站接收到的總載波功率應(yīng)比接收機(jī)的1 dB壓縮點(diǎn)低5 dB。

若滿足以上規(guī)避準(zhǔn)則，則受干擾基站的靈敏度下降幅度將不高于0.8 dB，能夠有效滿足通信系統(tǒng)要求。

4 器件選型要求

在選擇POI設(shè)備、分布式系統(tǒng)器件時(shí)，其首要的考慮標(biāo)準(zhǔn)是各設(shè)備器件的工作頻率范圍、插入損耗、端口隔離度、功率容量、特性抗阻等參數(shù)，需要保障各設(shè)備器件滿足地鐵公網(wǎng)覆蓋指標(biāo)要求，從而有效保證通信性能，降低系統(tǒng)干擾。

在選擇漏纜型號時(shí)，由于安裝后漏纜的維修以及更換的成本較高，因此需要確保漏纜的使用壽命，使其能夠有效抵抗各項(xiàng)環(huán)境干擾。漏纜的選型首先需要關(guān)注其機(jī)械物理性能以及環(huán)境性能的指標(biāo)條件，其中包括漏纜的低溫彎曲能力，抗高、低溫沖擊能力，重復(fù)彎曲能力，耐燃燒性，抗壓性以及防震能力，應(yīng)當(dāng)根據(jù)各項(xiàng)通信設(shè)備安裝規(guī)范開展性能測驗(yàn)，確保其符合相應(yīng)的文件標(biāo)準(zhǔn)。

5 器件安裝要求

5.1 有源設(shè)備以及無源器件安裝要求

在進(jìn)行有源設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)將其盡可能安裝于機(jī)房內(nèi)部，同時(shí)選擇便于設(shè)備調(diào)測、維護(hù)、散熱的安裝位置。

在進(jìn)行無源器件的安裝時(shí)，需要盡量將其安裝于室內(nèi)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)禁止將其進(jìn)行懸空放置，若必須置于室外，則需要針對室外環(huán)境對其進(jìn)行防水和防雷保護(hù)。需要利用扎帶將在線槽中布放的無源器件進(jìn)行固定，同時(shí)盡量將功分器、耦合器、合路器安裝于樓層的弱電井中，同樣使用扎帶以及固定件進(jìn)行固定。在多網(wǎng)合路點(diǎn)上根據(jù)合路確定要求做好合路端口的預(yù)留開口，并且將其用轉(zhuǎn)接頭接好。

5.2 天線安裝要求

室內(nèi)天線在安裝時(shí)需要盡可能采用吊架固定的方式，其吊掛高度應(yīng)當(dāng)?shù)陀诎惭b場景中的障礙物，從而保障天線的輻射特性，同時(shí)天線吊架和支架應(yīng)當(dāng)保持垂直，在安裝時(shí)需要確保兩者整齊牢固且無傾斜現(xiàn)象。室外天線則需要在室內(nèi)天線安裝要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行防水以及防雷處理，其中防水可以通過在天線接頭上使用較多的防水膠帶來實(shí)現(xiàn)。

為達(dá)到MIMO技術(shù)的應(yīng)用效果，上/下行天線間距至少為1.2 m，當(dāng)現(xiàn)場安裝條件受限時(shí)，同一點(diǎn)位的兩天線間距最小值應(yīng)為0.6 m，若現(xiàn)場條件允許，上/下行天線間距應(yīng)達(dá)到1.5 m。

5.3 饋線布放要求

在實(shí)際安裝過程中，設(shè)計(jì)圖上的饋線長度要求僅可作為參考，其具體的饋線長度的剪切值則應(yīng)當(dāng)通過現(xiàn)場實(shí)量后確定。站廳、站臺、天花吊頂內(nèi)的饋線應(yīng)當(dāng)沿弱電線槽布放，若無弱電線槽，則需要套鍍鋅鋼管布放，使用鋼絞線將其棚頂固定。當(dāng)沿弱電井布放饋線時(shí)，每隔1 m設(shè)加固點(diǎn)，確保其安裝平直，盡量減少彎曲，若饋線必須彎曲，則應(yīng)當(dāng)確保饋線彎曲角圓滑。同時(shí)，為避免強(qiáng)電、強(qiáng)磁干擾，需要確保饋線在布放時(shí)遠(yuǎn)離此類設(shè)施。另外，在布放過程當(dāng)中，需要將電力線和信號線分開，將二者分孔洞敷設(shè)，若必須將電力線和信號線一同布設(shè)，則需要采取可靠的隔離措施，避免二者間出現(xiàn)干擾。

5.4 泄漏電纜布放要求

為保障通信信號在列車車廂的覆蓋效果，需要對泄漏電纜的高度進(jìn)行規(guī)劃，將其控制在列車車窗上沿和下沿之間，從而使得泄漏電纜的信號可以經(jīng)由列車的車窗輻射進(jìn)入列車。列車車窗高度通常在2～2.8 m之間，在選擇其具體高度時(shí)，還應(yīng)當(dāng)綜合考慮隧道壁中原設(shè)備的位置以及公網(wǎng)與專網(wǎng)的隔離要求，從而選定合適的布設(shè)位置。當(dāng)隧道內(nèi)無內(nèi)襯砌面時(shí)，需要使用鋼絲承力索吊掛漏纜，每隔1 m安裝吊掛卡具。

6 切換區(qū)域的控制及其優(yōu)化方案

當(dāng)移動用戶處于通話狀態(tài)時(shí)，若用戶從一小區(qū)移至另一小區(qū)，為確保通話的連續(xù)性，系統(tǒng)需要將該MS的連接控制進(jìn)行即時(shí)轉(zhuǎn)移，這種過程即為切換，其目的在于保證通信網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。通信切換的要點(diǎn)包括對新小區(qū)的識別以及新信道的分配。

6.1 乘客出入地鐵站的切換

如圖1所示，當(dāng)行人在出入地鐵站廳或換乘站廳、站臺時(shí)，通信信號在自動扶梯運(yùn)動期間將出現(xiàn)瑞利衰落，同時(shí)還伴隨著由于人群擁擠而出現(xiàn)的信號衰落，使得通信信號強(qiáng)度降低，甚至出現(xiàn)通話中斷現(xiàn)象。

圖1 乘客出入地鐵站切換示意圖

其原因在于信號重疊區(qū)域（切換區(qū)）不夠，因此可以通過在車站出入口附近設(shè)置天線方式，保證站廳信號和站外信號交疊區(qū)處于出入口通道附近。

6.2 站臺間切換

如圖2所示，在行人于地鐵站內(nèi)移動時(shí)，由于地鐵站內(nèi)空間小流量較大，因此不免會遭遇切換場景，為保證行人通話連續(xù)性，應(yīng)當(dāng)確保兩小區(qū)信號重疊區(qū)邊緣強(qiáng)度在指標(biāo)要求之內(nèi)，從而保證信號能夠進(jìn)行無間斷切換。

圖2 站廳與站臺切換示意圖

6.3 隧道區(qū)間兩小區(qū)之間的切換

當(dāng)信號在隧道區(qū)間兩小區(qū)之間進(jìn)行切換時(shí)，為保證信號的連續(xù)性，需要通過控制泄漏電路的輸出功率來保證乘客能夠獲得平滑的切換通信服務(wù)。其中需要確保兩小區(qū)空間內(nèi)整個(gè)隧道的漏纜保持接通狀態(tài)，其具體機(jī)制為當(dāng)列車經(jīng)過隧道中段時(shí)，原小區(qū)信號逐漸減弱，切入小區(qū)的信號逐漸增強(qiáng)，為切換預(yù)留出足夠的時(shí)間，從而避免移動終端因?yàn)榍袚Q時(shí)間不足造成掉話。

7 結(jié)束語

利用5G技術(shù)對地鐵公網(wǎng)進(jìn)行改造，可構(gòu)建更大容量以及更低時(shí)延的通信系統(tǒng)，解決當(dāng)前由于移動終端數(shù)量大幅增長所帶來的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)壓力，為用戶提供更為高效便捷的通信服務(wù)。同時(shí)，在進(jìn)行地鐵5G公網(wǎng)覆蓋改造時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合地鐵場景中的各項(xiàng)通信需求，在設(shè)計(jì)上進(jìn)行針對性調(diào)整，從而保障其通信質(zhì)量。