地铁民用通信系统工程的设计

吴斌

摘要：本文结合杭州地铁1号线民用通信系统工程的建设经验，简析了民用通信系统在引入地铁的工程设计中的设计要点，提出了作者的见解。

关键词：地铁 民用通信 4G

中图分类号：U231文献标识码： A

1.概述

民用移动通信引入地铁，实现地上、地下的“全覆盖”，是广大用户的迫切需求，也是提高地铁运营部门服务质量的一个重要环节，同时也是各家运营商重点的覆盖场景。随着4G时代的来临，对传统的地铁通信系统覆盖提出了新的需求和挑战。

民用移动通信系统引入地铁是一项实践性很强，同时也要随着其它技术不断发展而不断完善的技术，需要我们在工程实践中不断摸索、总结和优化。

2.主要系统要求

我国现有的公共移动通信网络有GSM、DCS等2G系统、也有TD-SCDMA、WCDMA、CDMA等3G系统，以及即将部署的LTE第四代移动通信。为了在地铁里提供如同室外一样的移动通讯服务，我们一方面要考虑当前和今后的各种移动通信信号引入地下，同时也要考虑使用一套引入系统，通过公共移动引入系统可以很好的解决目前面临的问题。

目前，地铁民用通信系统一般采用宽频组网的方式，频率宽度基本在800MHz~2700MHz内。

序号 接入系统 工作频段

1 中国移动GSM900 上行：889MHz～909MHz

下行：934MHz～954MHz

中国移动DCS1800 上行：1710～1735MHz

下行：1805～1830MHz

中国移动TD-SCDMA-A/F 2010～2025MHz/1880~1900MHz

TD-LTE-D/E 2320-2370/2575～2635MHz

2 中国联通GSM900 上行：909MHz～915MHz

下行：954MHz～960MHz

中国联通DCS1800 上行：1735～1755MHz

下行：1830～1850MHz

中国联通WCDMA 上行：1940～1955MHz

下行：2130～2145MHz

LTE 2300～2320MHz

2555～2575MHz

3 中国电信CDMA800 上行：825MHz～835MHz

下行：870MHz～880MHz

中国电信CDMA2000 上行：1920～1935MHz

下行：2110～2125MHz

LTE 2370～2390MHz

2635～2655MHz

覆盖范围，满足包括站台层、站厅层、商业区间、和所有地下隧道区间的覆盖；保证整个地铁空间、各个站台、站厅与隧道区间，室内与室外基站之间的可靠切换。

3.覆盖方式

地铁系统的覆盖方式可以分为两类：地下隧道区间为第一类；站台，站厅层和商业层为第二类。前者适合采用泄漏电缆方式进行覆盖；而后者则可采用吸顶天线方式进行覆盖，典型的地铁覆盖系统原理图如图1。

4.场强的计算

在地铁移动通信覆盖系统的设计中，可分下列2种不同场景进行场强计算，分别为隧道区间内的场景，与站台/站厅内的场景。由于站台与站厅内的场景与普通的室内交通枢纽场景一致，本文不再展开，下面具体讨论隧道区间内的覆盖场强的计算：

以距漏缆4 米处的列车内边缘场强不小于-85dBm 为前提，计算出各个系统的信号在泄露电缆末端的信号电平值，并根据信源输出的最大功率值，计算出各个系统信源的信号在泄露电缆内传播的最大距离，并确定各个系统的信源的最大覆盖距离。

系 统 CDMA800 GSM900 DCS1800 TD-SCDMA WCDMA LTE

频率（MHz） 880 960 1850 2025 2145 2600

1-5/8〞漏缆耦合损耗(2m处)（dB） 72 68 70 66 66 66

大于2米漏缆附加损耗（dB） 4 4 4 4 4 4

车体/车厢屏蔽损耗（dB） 5 5 5 5 5 5

人体损耗（dB） 5 5 5 5 5 5

系统余量及快衰落余量（dB） 6 6 6 6 6 6

边缘场强（dBm） -85 -85 -85 -85 -85 -85

漏缆末端最小功率（dBm） 7 3 5 1 1 1

基站输出功率（dBm/ch） 36 36 36 33 36 33

3db电桥插入损耗 3

移动联通合并插入损耗 3

POI插入损耗（dB） 6 6 6 6 6 6

分配系统插入损耗（dB） 4 4 4 4 4 4

1/2馈线电缆接入损耗（20m） 1.66 1.73 2.47 2.7 2.77 3.2

1-5/8〞漏缆传输损耗（dB/100m） 2.3 2.41 4.53 5.35 5.79 6.12

单向传输距离（m） 754 634 409 361 384 307

最大双向传输距离（m） 1508 1268 818 722 768 614

由此得出隧道区间内，在典型的设备配置下，CDMA800的覆盖距离约为1.5km，GSM900的覆盖距离约为1.2km，LTE2.6频段的覆盖距离约为0.6km。由此，各系统的覆盖距离决定了漏泄电缆的长度，由漏泄电缆的长度决定整个隧道区间内的系统的设计。

5.切换分析

移动切换是移动通信系统的基础，切换是指在无线移动通信系统中，通话中的移动用户从一个信道或基站切换到另一个信道或基站时，网络信号自动地转换处理过程。这种切换操作过程不仅要识别新基站，还要将正在进行的话音和信令信号延伸到新基站的信道上。在切换过程中，必须保证信号质量，平衡小区之间的业务量和恢复出现故障的控制信道。

地铁内的移动切换主要有以下三种场景：

1

2

3

4

5.1隧道区间越区切换

地铁两个车站的越区切换基本上在隧道区间的中部，地铁车辆在该部位的车速最高，处理地铁隧道间的越区切换是实现地铁移动通信信号覆盖的难点。

GSM/DCS系统：切换区应满足12秒的最差要求，考虑列车运行设计时速为80km/h，则场强重叠区的最大值为：S=V×T=(80×103/3600) ×12＝266 m

TD-SCDMA系统：根据规范3GPP TS25.123规定，总切换时延1.5s~3s， 将形成33 ~66m的切换距离。TD-SCDMA系统中触发异频接力切换为2a 事件，门限一般设为3dB，形成3dB 落差需要60m。切换区间设置126m的切换带。

WCDMA系统：根据规范3GPP TS25.133规定，WCDMA总切换时间为1s~3s。切换时延将形成22 ~66m的切换距离。隧道内两个小区间应设置132m的切换带。

根据规范规定，CDMA总的切换时间为1s。切换时延将形成22m的切换距离。隧道内两个小区间应设置44m的切换带。

根据以上的分析，鉴于GSM/DCS的切换要求的时间最长，在隧道内切换带设置的时候，主要考虑满足GSM/DCS的系统要求。

隧道内切换带的设置

5.2地铁车站内外切换

乘客在进出地铁车站出入口时，由于步行和自动扶梯的运动使场强产生锐利衰落和人群拥挤而产生的信号衰落，而使手机信号强度锐减或剧烈起伏，造成了信号重叠区域（切换区）的信号强度不够，容易造成用户通话中断。

通过测试表明，从地面进入车站，在直行通过步梯或自动扶梯过程中，移动手机接收到的室外信号始终很强，直到拐弯数米后，室外信号才消失。说明地面基站的室外信号可以覆盖连接地面的步梯与自动扶梯。由于行人步行的速度较慢（5 km/h）,在靠近该步梯和自动扶梯的通道处设置吸顶天线，就能使得室内外切换可以顺利进行。

5.3隧道与地面切换

由于地铁隧道洞口狭长封闭的特殊结构，造成室外信号本身很难延伸到隧道内，当列车高速驶入隧道洞口时，在极短的时问内室外服务小区的信号电平急剧下降，使得移动台没有足够的时间完成整个切换过程，导致通话信号越区切换失败，掉话率升高。通常情况下，根据隧道洞口的位置结构及其周边电磁环境的特点，有4种方案来解决隧道洞口信号突然消失的问题。

a)泄漏同轴电缆末端加定向天线

为保证系统的成功切换时间，通常在各个隧道与地面交汇处，利用室外定向天线将隧道内信号沿隧道方向向室外延伸辐射，使地下隧道延伸至地面时，隧道内信号场强与隧道外信号场强保持平稳过渡状态，当列车驶出地面时，隧道内信号逐渐减弱，隧道外的信号逐渐增强，没有信号突然消失的情况，避免了移动台因为切换时间不足造成掉话。

b)将隧道外的信号通过无线直放站引入到隧道内

当隧道外信号环境比较好的时候，可以利用无线直放站将隧道外的信号放大后引入隧道内，使地下隧道近洞口区域隧道内信号场强与隧道外信号场强保持平稳过渡状态，当列车驶近隧道洞口时，隧道内信号逐渐减弱，隧道外的信号逐渐增强，没有信号突然消失的情况，避免了移动台因为切换时间不足造成掉话。

c)将隧道外的信号通过光纤引入到隧道内

当隧道外信号环境比较好的时候，可以利用光纤把信号源引入到泄漏电缆的最末端，使得地下隧道近洞口的区域内的隧道信号与室外信号属于同一小区，当列车驶近隧道洞口时，已经在隧道内完成了切换，从而避免了移动台因为切换时间不足导致的掉话。

d)泄漏同轴电缆延伸出隧道洞口

利用泄漏同轴电缆馈送射频信号的特性，将漏缆延伸出隧道洞口沿地面轨道继续铺设一定的距离，使地下隧道延伸至地面时隧道内信号场强与隧道外信号场强保持平稳过渡状态，当列车驶出地面时，隧道内信号逐渐减弱，隧道外的信号逐渐增强，没有信号突然消失的情况，避免了移动台因为切换时间不足造成掉话。

由以上分析可知，方案l和方案4信号都会对隧道外无线网络造成一定的影响，并且方案4的施工难度较大；而方案2，方案3能将切换区域很好的控制在隧道内，对周边室外无线网络的影响最小，但是实施起来相对较为复杂。

6.多系统接入平台(POI)的应用

POI为POINT OF INTERFACE的缩写，即是多系统合路平台,是整个地铁信号覆盖系统中的重要设备，位于基站信号源和分布系统之间.

POI作为连接无线通信施主信号与分布覆盖信号（泄漏电缆和天线阵等）的桥梁，其主要功能是对各运营商的上行及下行射频信号分别进行合路及分路，并滤除各频带间的干扰成分。为避免干扰，POI分为上、下行两个平台，分别将上行和下行链路信号分开传输。POI上行部分的主要功能是将不同制式的手机发出的信号经过天线的收集及馈线的传输至上行POI，经POI检出不同频段的信号后送往不同运营商的基站。POI下行部分的主要功能是将各运营商、不同频段的载波信号合成后送往覆盖区域的天馈分布系统。

POI的主要性能包括系统插入损耗、系统间隔离度、无源三阶互调以及是否具有监控功能等所决定。

以杭州地铁1号线所使用的POI为例，站台、站厅和隧道区间的实际安装空间条件有所限制，所以考虑两种样式的POI，一种是机柜式POI，一种是隧道内壁挂式POI。

POI上行单元原理图 POI下行单元原理图

7.结束语

随着4G时代的来临，民用通信无线系统的稳定与否直接影响到乘客的通信感受，本文以现有线路民用通信无线系统为例，理论结合实际，对该系统的各个环节进行了分析和介绍，也为以后新线民用通信无线系统的建设和完善提供参考依据。