5G地铁场景覆盖方案探讨

2021-04-20郭希蕊中国联通研究院北京100048

邮电设计技术 2021年3期

关键词：损耗频段电缆

郭希蕊，杨艳，张涛（中国联通研究院，北京 100048）

1 概述

地铁是当前大型城市的首选公共交通工具，环境复杂，人流量大，是运营商典型的室内数据热点场景，也是用户口碑评价和业务体验的关键场景，地铁将会成为5G初期网络覆盖的重点场景，需要及时制定解决方案。地铁场景具有如下特点。

a）城市轨道交通（地铁）多为封闭式环境，轨道交通站台站厅、区间隧道内各种无线信号几乎均为盲区。

b）无线信号在隧道场景中传播容易产生快衰落。

c）地铁列车车体、站台两侧安全屏蔽门会对无线信号产生严重的屏蔽。

目前，地铁隧道2G/3G/4G 网络的覆盖主要采用POI+13/8"漏缆方式，一般布放2条漏缆，可实现3家运营商4G 2T2R MIMO及2G/3G上下行分缆。但5G高频段的应用、高容量的需求、多MIMO 的部署及隧道环境的特殊性给网络的部署带来了新的挑战，本文主要针对地铁隧道覆盖方案进行深入研究。

2 5G地铁隧道覆盖的挑战

5G 地铁隧道覆盖将面临高频段漏缆支持能力、MIMO通道数、多系统干扰等问题。

2.1 高频段漏缆支持能力

泄漏电缆是一类特殊的同轴电缆，与同轴电缆具备一样的同轴结构，所以也受到同轴电缆截止频率的制约，只能传播频率在截止频率以下的TEM 波。同轴电缆的截止频率为：

式中：

c——光速，c=3×108m/s

εe——电缆的等效介电常数

D和d——外导体内径和内导体外径

按式（1）计算，13/8"的最高频段只能支持到2.7 GHz，不支持3.5 GHz 频段，但是5/4"及以下规格截止频率都超过3.6 GHz，传输损耗较大。不同型号泄露电缆在不同频段的百米损耗如表1所示。

表1 泄露电缆在不同频段的百米损耗（单位：dB/100 m）

从表1 可以看出，目前支持3.5 GHz 的泄露电缆中，5/4"漏缆的传输损耗最小，现网存量13/8"漏缆受到截止频率的限制不支持3.5 GHz频段。

泄漏电缆有2 个重要的指标：传输损耗和耦合损耗。传输损耗是指沿漏缆长度方向上信号的损耗。耦合损耗是指通过开槽外导体从电缆散发出的电磁波在漏泄同轴电缆和中国移动接收机之间的路径损耗或信号衰减，其计算公式为：

式中：

Lc——耦合损耗（dB）

Pt——漏泄电缆的发射功率（W）

Pr——标准测试天线的接收功率（W）

耦合损耗一般用αc95典型值来表征，指95%接收概率，即测得的局部耦合损耗95%小于该值。漏泄同轴电缆的综合损耗就是指传输衰减和耦合损耗的总和。表2 给出了不同厂家的5/4"漏缆在3.5 GHz 的综合损耗。

表2 不同厂家不同型号漏缆的综合损耗

从表2可以看出不同厂家生产的漏缆的传输损耗相差也较大，后续需统一标准。目前了解到的5/4"漏缆在3.6 GHz损耗最小值为：传输损耗为9.84 dB，耦合损耗为66 dB。其在250 m 处的综合损耗是91 dB。为减小漏缆的综合损耗，业界厂家开发出低损耗泄露电缆，经过测试发现其在250 m处的综合损耗为85 dB。

低损耗漏缆在定长区域内，通过在漏缆上开制连续的、变化的槽孔，使得从始端到末端，耦合损耗逐渐减少，传输损耗逐渐增加，靠近信源段能量辐射得少，更多的能量往远端传输，在末端辐射出来，使能量尽量均衡的分布在整条漏缆中。

低损耗漏泄电缆通信解决方案相比于传统漏缆覆盖方案有以下优点。

a）整体综合损耗降低6 dB，可增加覆盖半径。

b）保证末端功率强度，可提高末端信噪比。

c）加快末端信号衰耗程度，可缩短小区切换耗时。

d）均衡全线覆盖场强，可降低时延。

2.2 采用漏缆难以实现4×4 MIMO

考虑到5G 终端是4 收，为保障5G 系统大容量需求，基站侧最低要求是4×4 MIMO，隧道场景理论上通过部署4根漏缆可以实现4流，使用MIMO 技术时为避免漏缆之间的相互干扰，两根漏缆之间的空间隔离不能低于0.5 m。当前泄漏电缆敷设高度在（2.0 m，3.0 m）间，与地铁列车窗口中部齐高，此高度正好与地铁车窗平行，信号的穿透损耗最小；因此多通道MIMO 主要受到工程部署的限制（是否可以安装多根漏缆）。

2.3 多频段多制式带来系统干扰的挑战

室内分布系统使用的5G 工作频段根据国家无线电管理部门的相关规定。运营商分配的5G 工作频段如表3所示。

5G 与2G/3G/4G 制式合路，存在严重的干扰问题，连续大带宽产生的互调干扰带宽大，增加高频系统后二阶、三阶、组合互调复杂，干扰几率提升。虽然2.6GHz 和3.5 GHz 采用的帧结构不同，但是在下行还有5个时隙是重复的，导致2.6 GHz 频段160 MHz 带宽和3.5 GHz 频段300 MHz 带宽组合产生的三阶互调对1.8 GHz和2.1 GHz的上行产生了全带宽的互调干扰。

表3 运营商工作频段

3 5G地铁场景覆盖方案分析

地铁一般包含站厅、站台、地下区间隧道等区域。下面将对地铁不同场景的5G覆盖方案进行阐述。

3.1 站厅、站台以及地上部分覆盖方案

在4G时代，地铁站厅和站台大部分采用传统室分进行覆盖，由于现有无源器件不支持3.5 GHz 频段，地铁站站厅、站台以及地铁人员工作区域的覆盖方案将不能采用传统室分覆盖方案，建议采用数字化室分设备进行覆盖。

a）对于已部署4G DAS 系统场景，利旧DAS 系统新增5G 单模数字化室分设备或采用4G/5G 多模数字化室分设备替代原DAS系统。

b）对于已部署4G 数字化室分设备场景，新增5G数字化室分设备。

c）对于新建场景，新增4G/5G 多模数字化室分设备。

地上部分采用室外宏站覆盖，同时做好地上与地下部分的切换配置与干扰控制。

3.2 地铁隧道覆盖方案

根据前文所述，5/4"漏缆支持3.5 GHz 频段，漏缆在高频段的损耗有可能会增加RRU 信源的数量，在地铁隧道里车辆行驶速度最高80 km/h，隧道壁可安装设备，因此地铁隧道场景仍可采用漏缆方案进行覆盖，同时也可以考虑RRU 加贴壁天线覆盖方案，这种方案工程实施相对容易。表4 为某地铁隧道在3.5 GHz 频段采用低损耗漏缆和贴壁天线的测试数据。