地铁民用通信覆盖方案研究

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【摘 要】以杭州地铁1号线为背景，分析了地铁场景的无线覆盖特点及业务需求，并研究了地铁民用通信覆盖方案，最后通过对移动系统网络的测试分析论证了覆盖方案的有效性。

【关键词】地铁 民用通信 POI 无线覆盖

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-08-0009-05

1 引言

近年来，地铁已经逐渐成为人们出行的重要交通工具，地铁内民用通信的覆盖显得尤为重要，各运营商也将地铁作为重要的覆盖场景之一，但其场景复杂、引入系统多样，给无线覆盖带来了挑战，如何更好的在地铁内部署无线网络，一直是值得研究与探讨的话题。为此本文结合杭州地铁1号线无线覆盖的实际工程案例，针对民用通信的覆盖设计方案进行了深入研究。

2 地铁覆盖特点及业务需求

2.1 地铁覆盖特点

地铁作为特殊场景，在无线覆盖方面较地面普通场景（楼宇、公共场所等）具有以下特点[1]：

（1）地铁的建筑结构一般分为站厅、站台和隧道区间三部分，覆盖区域复杂；

（2）人流量在高峰和闲时存在巨大差异，高峰瞬时话务量突出；

（3）地铁移动性强，涉及隧道内、站厅和站台、地铁和室外的切换；

（4）无线信号在隧道区间中传播时容易产生快衰落，并且穿透车体两侧屏蔽门产生较大的损耗；

（5）地铁一般采用多运营商共建共享的建设模式，多系统间存在干扰，有较高的工程复杂度。

2.2 地铁业务需求

为满足用户的语音和数据等业务需求，杭州地铁1号线各运营商引入的系统及频段如表1所示：

由表1可见，各运营商均引入了2G/3G系统，除移动引入LTE系统外，电信和联通均做预留。此外，考虑到WLAN信号频段与地铁专用通信系统频段冲突，为保证地铁正常的通信，WLAN系统尚未引入。

3 无线覆盖方案

3.1 总体方案

由于地铁覆盖存在接入系统较多、覆盖要求高、设备安装空间有限的问题，因此采用多频分合路器（POI）对各系统信号进行合路，合路后共用1套天馈进行覆盖的解决方案。其中，站厅、站台采用柜式POI；隧道区间采用壁挂式POI。

（1）站厅、站台区域覆盖

在车站的站厅、站台采用宽带全频段吸顶天线（上、下行各一副）进行覆盖，上、下行天线分开，间距为10～15m；并合理控制室内天线的出口功率，做到小信号均匀覆盖。站厅、站台区域覆盖原理图如图1所示。

（2）隧道区间区域覆盖

采用泄漏同轴电缆（上、下行各一根）实现隧道区间无线信号覆盖。根据泄漏电缆链路损耗，为保证足够的切换区域，原则上每隔400m左右设置区间多频分合路器和3G/4G信源；每隔800m左右设置区间多频分合路器和2G信源。隧道区间覆盖原理图如图2所示。

3.2 链路预算

（1）站厅、站台

由于各系统工作频段的差异，因此馈线对射频信号的衰减不同。根据自由空间链路损耗公式：

L=32.4+20lg（F）+20lg（D） （1）

可以计算得出各系统分别在10m和15m的空间损耗，如表2所示。

吸顶天线端口功率需要满足：

Po≥Pi+L1+L2+L3-L4

其中，Po为站厅天线端口电平；Pi为边缘场强电平；L1为15m空间损耗；L2为系统余量及快衰落余量；L3为人流密度损耗；L4为天线增益。

各系统的天线最小出口功率如表3所示。

以上数据仅为理论值，设计时还需考虑留有一定余量。由于地铁站厅、站台和隧道信号相对密闭，泄漏主要发生在出入口和隧道出地面的洞口附近。同时，为了减少地铁天线信号对地面的移动用户影响，在天线布置上按照“高密度、低功率”的思路结合现场勘查和模测结果设计，最后再根据实际测试的数据调整天线的出口功率。

（2）隧道区间

根据隧道区间的链路损耗可以计算出各系统通过漏缆的单边传输距离，结果如表4所示。

其中，LTE输入功率43dBm，每子载波功率为：43-10lg（1200）=12dBm。

3.3 小区规划

由于隧道内封闭性好，电磁环境相对比较纯净，且信号强度变化规律，因此将切换带设置在隧道区间内。目前杭州地铁1号线将站厅划分为一个小区、站台与两侧隧道设置为同一小区；在隧道区间较长的情况下，可将隧道内中间部分单独划分为一个小区。

3.4 组网原则

杭州地铁1号线全程独立组网，采用单独的BSC/RNC以及LAC。这种组网方式既避免突发性的登记，降低了接入信道的负荷，又方便后期数据维护，保证了性能指标的最优化。

3.5 切换区域分析

（1）地铁出入口切换

乘客在出入地铁过程中会产生地下和地面的小区切换，考虑到自动扶梯的瑞利衰落和人群对信号的衰落导致手机信号锐减，造成信号重叠区（切换区）不够[2]，因此在地铁出入口位置布放天线，使站厅与站外信号的交叠区尽量在出入口通道附近，形成12m以上的重叠区[3]，并且将边缘场强控制在-85dBm以上，以确保信号的平滑切换。

（2）站厅、站台切换

由于站厅单独作为一个小区，站厅和站台之间会存在切换，因此可以在站厅和站台的电梯附近分别布放天线，保证信号重叠区-85dBm以上的边缘场强，以满足切换要求。

（3）隧道内切换

为实现隧道内顺利切换，需要在隧道区间设置一定长度的重叠区。以TD-LTE系统为例，信源间距约为400m，通过链路损耗计算可得出TD-LTE的单向传输距离为322m，因此小区切换带约有244m，足以满足系统的切换要求。其他系统同理可以论证其切换带满足切换要求。

（4）隧道口、地面切换

列车出/入隧道的过程中，为保证列车出入隧道口与室外小区有足够的切换时间，采用从隧道内向隧道外延伸足够长度的漏缆，与室外小区形成重叠覆盖区，从而保证了通信的可靠性及连续性。

3.6 多系统间干扰分析

联通CDMA、WCDMA、联通GSM的三阶互调产物落在TD-SCDMA的2020～2025MHz频段内造成三阶互调干扰[4]。

如果TD-SCDMA系统馈入下行电缆，则其发射信号不会对其他系统的接收造成干扰，但使用2020～2025MHz时其他系统则对其造成干扰；如果TD-SCDMA系统馈入上行电缆，则在2010～2025MHz时其他系统都对其无影响，但TD-SCDMA对其他系统产生杂散干扰。

为避免以上干扰问题，可采用高品质无源器件、高隔离度POI，同时采用收发分缆的覆盖方式。

4 测试分析

4.1 站厅、站台测试

本文以杭州地铁1号线的普通站点――打铁关站的站厅、站台为例进行测试分析。对覆盖、质量和数据业务三个性能指标的测试结果如表5所示。

通过表5可以看出，站厅、站台各系统网络正常，GSM网络覆盖电平为-61～-70dBm，RxQul0-3级占比达到100%，数据下载速率保持在200kbps以上；TD-SCDMA网络覆盖电平为-58～-68dBm，C/I≥3占比达到100%，数据下载速率保持在1.5Mbps；TD-LTE网路覆盖电平为-60～-72dBm，SINR保持在25以上，下载速率保持在45Mbps。

4.2 隧道区间测试

本文对杭州地铁1号线湘湖站―文泽路站隧道区间进行测试分析。三个性能指标的测试结果如表6所示：

其中，LTE网络的具体测试情况如图3所示。

通过表6可以看出，隧道区间各系统网络的每项指标均正常。图3数据显示整体RSRP、SINR、速率良好，平均下载速率在45.7Mbps。由于隧道内LTE网络与TD-SCDMA网络共RRU，带宽受到限制，并且采用单通道的覆盖方式，LTE本身的MIMO技术优势未得到体现，因此在速率上还有待提高。

5 总结

本文主要从链路损耗、小区规划、切换区域、多系统干扰等方面对地铁覆盖方案进行了研究，并对国内部署的首个地铁TD-LTE网络进行测试分析，测试数据表明各指标均正常，充分有效地论证了覆盖方案的合理性，对于后期地铁民用通信的覆盖提供实用参考。

参考文献：

[1] 黄艳福，戚喜成，姚赛彬，等. 地铁移动通信无线网络建设研究[J]. 邮电设计技术， 2011（1）： 23-28.

[2] 朱春生. 地铁覆盖方案浅析[J]. 数据通信， 2012（2）： 52-54.

[3] 吴浦升，陈爱丽，耿杰. 3G移动通信简介及其在地铁中的信号覆盖[J]. 城市轨道交通研究， 2011（5）： 99-101.

[4] 王健. 北京地铁1、2号线无线通信系统设计[D]. 北京： 北京交通大学， 2008.