基于5G的地铁覆盖技术

高松，苏雷，程永明

（1.中国移动通信集团山东有限公司，山东 济南 250001；2.中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，山东 济南 250100）

0 引言

地铁人群规模大、乘客乘坐时间长、流动频繁的情况以及地铁本身信息化建设的需求，使5G 通信需求日益迫切。济南地铁R3 线贯穿济南东部南北方向，全程设立13 座车站，在2019 年率先实现5G 网络全线覆盖，全程下载速率达到1 Gbps，为全国地铁首例，打造成为泉城“智慧交通”新名片。本文将对上述济南地铁5G 网络覆盖实施过程中的技术难点进行回顾分析，以总结值得归纳的经验，供同行参考和研究。

1 覆盖规划及解决方案

济南R3 地铁采用创新的覆盖解决方案，其中站厅、站台采用分布式皮站进行覆盖，隧道区域RRU+POI+泄漏电缆，全线支持中国移动所有频段，实现2G/4G/5G 全覆盖，覆盖方案如图1 所示。目前中国移动3G 网络已陆续退网，相关频段逐步重耕为4G 网络使用。

图1 站台、站厅、隧道覆盖方案示意图

1.1 站台、站厅覆盖方案

通过实际勘测及需求评估，济南R3 地铁13 座车站均为地下车站。站厅、站台采用pRRU 覆盖，在多扇区的情况下利用物理阻挡方式划分小区。采用ITU-R P.1238 室内传播模型进行覆盖评估：

该模型把传播场景分为NLOS（Non Line of Sight，非视距）和LOS（Line of Sight，视距）。对于NLOS，模型所用的公式为：

其中Lf(n)为墙体穿透损耗系数。Xδ为慢衰落余量，其取值与覆盖概率要求和室内慢衰落标准差有关。

对于LOS，模型所用的公式为：

根据测算，站厅层开放区域pRRU 间距为20 m，站台层开放区域pRRU 间距为20 m，站厅层、站台层半开放区域pRRU 间距为15～20 m，不同站台可根据房间布局调整pRRU 位置。如图2 所示。

图2 站台、站厅pRRU位置设计图

1.2 隧道覆盖方案

济南R3 地铁线隧道采用RRU+POI+泄漏电缆方式进行覆盖，泄漏电缆型号为13/8，支持频段范围为8 00—2 700 MHz，可以实现全线移动网络无缝覆盖。

根据泄漏电缆损耗指标S（每百米损耗值），即可计算出满足覆盖目标下的最远覆盖距离D=PLmax/S。

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

各参数说明如下：

PRRU：RRU 的输出功率；

LPOI：POI 系统的插损，一般设计要求POI 插损小于6 dB，此处取5 dB；

Pdes：接收端的覆盖电平要求；

L1：泄漏电缆的耦合损耗；

L2：人体损耗，取3 dB；

L3：宽度因子，L3=10lg(d/2)，d 为移动台距离漏缆的距离，宽度因子为3 dB；

L4：车体损耗。

为实现最佳覆盖效果，上、下行泄漏电缆安装高度应正好位于列车车窗范围内，如图3 所示。为充分发挥出LTE MIMO 的效果，同时考虑到隧道的高度，双缆间距建议为600 mm。综上，下方漏缆挂高为2 100 mm，上方漏缆挂高为2 700 mm。此外，为保证各系统的稳定性并抑制多系统合路干扰，全系统三阶互调指标要求≤ -150 dBc。

区间隧道无线链路预算如表1 所示，由于LTE-D 频段的频率最高，理论覆盖距离最短，综合考虑各系统测算结果，隧道断点间距设置为636 m。

2 容量规划及解决方案

地铁的功能场景相对单一，主要分为站厅、站台和隧道。站厅及站台区域相对人流聚集，涉及到地面的出入口、到地面的电梯及扶梯、到站台的电梯及扶梯、商铺，工作人员的办公区、机房等区域，涉及覆盖区域广，在解决覆盖需求的同时，还需要考虑后期容量需求的增长。综合考虑济南R3 地铁各站厅、站台实际需求，采用分布式皮站解决方案，即一套系统同时支持2G/4G/5G。该方案可充分利用分布式皮站多频多模易部署、组网灵活等特点，解决不同场景下的无线覆盖需求，同时，pRRU 体积小重量轻、容量大，可与宏网共监控、小区合并分裂方便，适合站台、站厅等高流量的热点区域覆盖使用。相比于站台、站厅场景，隧道区域的覆盖要求相对单一，主要通过RRU+POI+泄漏电缆等方式进行覆盖，并视具体容量和扇区划分情况合理设置切换带。

图3 隧道漏缆位置设计图

表1 区间隧道链路预算

5G 初期以eMBB 场景为主，重点关注单用户速率、小区速率及时延方面的要求，地铁场景的容量估算方法与其他场景的容量估算方法一致，但同一线路不同站点的客流情况大不相同，必须根据每个地铁站点的情况，准确估算地铁场景忙时的客流/用户，建立准确的业务模型：

（1）忙时时间确定：

首先确定忙时，一般为早高峰（早上7 点到8 点）和晚高峰（晚上18 点到19 点）。

（2）忙时客流确定：

方法一：根据该站一天的客流量估算忙时同时在该站或隧道的客流数量；通常较容易获取一个站全天的客流量A，但对LTE 和5G 容量估算来说，需要估算最忙时同时在该站的客流量B；估算一个乘客从进入该站到离开该站需要Y 分钟，忙时的客流占全天的客流比为Z%；那么最忙时刻同时在该站的客流B=A*Z%*Y/60。

方法二：现场勘察估算忙时同一时刻在该站或隧道的乘客数；

①站厅站台：合理的人均占地面积不小于2 m2；特殊情况下，人均占地面积不小于0.65 m2。

②隧道：获取车辆类型，每节车厢最大载客量，列车最大几节车厢。

例如，A 型车单节车厢最大运客量310 人，车厢为6 节，则一趟列车客流为1 860 人，考虑双向隧道，客流则为3 720 人。如果高峰期列车发车间隔短，且该段隧道足够长，有可能在该段单向隧道内同时有两趟列车的情况发生，判断算法如下：列车在该段隧道运行的时长Y 分钟，在高峰时段列车的的发车间隔Z分钟。如果Y＞Z，则在该段单向隧道内同时有两趟列车的情况。

3 切换规划及干扰控制

3.1 站厅站台解决方案

应注意扇区划分边界的现场核实确认，在扇区规划阶段就应考虑切换及干扰控制，扇区边界避免规划在空旷区域及客流最大的地方，尽量利用物理建筑阻挡来规划扇区，尽量避免出现3 个及以上的扇区有相同的边界。如果有合适的物理阻挡，选择合适的天线安装位置，通常情况下仅用常用的全向吸顶天线就可保证切换及控制干扰。在容量特别大，仅靠物理建筑无法控制干扰的情况下，从天线选型上一定程度上控制干扰。适当采用一些定向吸顶天线或定向壁挂天线可一定程度上减小两扇区间的干扰。

3.2 隧道解决方案

隧道内切换规划需要综合考虑有源设备能安装的位置、两相邻站点分别安装的有源设备的输出功率、列车的运行速度、不同网络制式的切换时间要求，根据所有这些输入设置切换区域及切换距离。

切换区域设置如图4，隧道内无有源设备，如在漏缆两端的注入功率一致，切换区域将发生在隧道的正中间。

确定了切换区域后，还需要计算两扇区的重叠覆盖区域，确保足够的重叠区域来保证切换成功，同时不因为重叠覆盖区域过大造成两扇区干扰过多。

图4 单扇区地铁站点扇区规划示意图

3.3 站台小区与隧道小区解决方案

pRRU 信号不馈入漏缆，需要将pRRU 安装在隧道口，以保证站台pRRU 小区与隧道RRU 小区的正常切换，如图5 所示。

图5 站台pRRU小区与隧道RRU小区切换示意图

对于站台到隧道之间的切换，由于列车进出隧道口时，部分车厢瞬时速度（进站时第一节车厢和出站时最后一节车厢瞬时速度最高）能够达到30～40 km/h，因此需要考虑设计足够的站台与隧道小区之间的重叠覆盖区，以满足正常切换的要求。

3.4 隧道口解决方案

在地下站与地面站之间会有一个隧道口，列车从这里进出。需要考虑在隧道口增加半功率角小的定向天线来保证室内与室外小区的切换。

室外小区的重叠覆盖距离的计算与室内隧道小区间的切换计算方法一致，不同的是需要现场测量室外站在隧道口的信号，掌握了隧道口室外的信号情况之后，根据重叠覆盖距离要求，计算出天线的安装位置及天线口输出功率要求。通常建议天线安装于隧道口，利于隧道阻挡天线的旁瓣，同时保证隧道室内小区在小功率注入天线的情况下尽可能覆盖远，保证与室外小区的切换。

4 结束语

济南R3 线地铁网络开通后，经过测试，终端驻留5G 网络时间比例达到99.3% 以上，平均SINR 达到21 dB 以上，全程平均下载速率为1 Gbps 以上，平均上传速率达到85 Mbps 以上，成为全国首条5G精品地铁线路。本文从地铁场景的5G 网络规划设计方案入手，研究分析了无线信号覆盖、容量规划、小区切换、小区干扰等重点问题，根据济南R3 线实际建设和测试的情况，给出了新型室分与泄漏电缆结合的解决方案，实践证明该方案效果良好。总结发现，地铁场景的5G 覆盖需要特别留意站台、站厅及隧道的统筹规划因素。希望这些经验能够为其他地铁线路5G 覆盖提供些许参考。