低成本地铁隧道5G覆盖方案研究

2022-03-17梁师铭中国联通广东分公司广东广州5060中国联通广州分公司广东广州5067中国联通深圳分公司广东深圳58048

邮电设计技术 2022年2期

何明，彭祷，梁师铭（.中国联通广东分公司，广东广州 5060；.中国联通广州分公司，广东广州 5067；.中国联通深圳分公司，广东深圳 58048）

1 概述

地铁是大城市的主要交通工具之一，人流密度大，是5G 部署的首发室内场景之一，截至2019 年底，广东地铁运营总里程已超过800 km，日均客运量超1 500 万人次，快速高效实现地铁5G 覆盖可以显著提升用户感知。

业内对如何实现地铁5G覆盖进行了深入的研究，地铁5G 覆盖的难点在于隧道覆盖。地铁隧道空间狭窄、存在一定弧度的弯道，当列车经过时隧道内剩余空间较小，对信号传播有较大影响。尽管公路隧道或高铁隧道中可考虑八木天线等特型天线覆盖方案［1-2］，但由于安装空间和天线尺寸受限，且地铁运营方出于安全角度考虑，地铁隧道覆盖方案大多采用泄漏电缆［3］。各运营商不同制式的系统合路时，尤其是当中国移动2.6 GHz 与中国电信和中国联通3.5 GHz 的5G频段接入后，互调分量会对现有系统的上行造成较大干扰，文献［4］对3家合路的干扰进行量化说明和隔离研究。重庆联通在轨道环线二期新建线路隧道采用5/4″泄漏电缆的覆盖方案实现多运营商接入，通过POI严格选型等措施控制互调干扰，最终设备间距设置为400 m［5］。浙江联通对比了不同型号的5/4″泄漏电缆的特性，并分析了3家2缆、中国电信和中国联通2缆、中国电信和中国联通5G 2缆和3家5G 2缆4种方案的优劣，设置验证场景进行试点论证［6］。山东移动在济南R3 线隧道采用2 条13/8″泄漏电缆单独实现全网覆盖的方式，实现了636 m的设备间距［7］。

已运行地铁的隧道内壁正对车窗的位置基本占满，没有预留位置给5G 网络部署新增泄漏电缆，现有研究成果中如何实现已运营地铁隧道的5G 覆盖的研究较少［8-9］。此外，现有研究中更多是研究如何实现地铁5G 覆盖［10-15］，对不影响用户感知的情况下如何低成本实现5G覆盖考虑较少。本文结合广东联通的5G地铁部署，研究上述2个问题的解决方案。

2 低成本地铁隧道5G覆盖方案

2.1 泄漏电缆选型分析

目前业内有5/4″全频段漏缆、5/4″高性能中高频漏缆和5/4″专用5G 漏缆。其中5/4″全频段漏缆支持800～3 600 MHz 频段，漏缆整体综合考虑各频段，性能平均，3.5 GHz 频段综合损耗较大；5/4″高性能中高频漏缆支持1 700～3 600 MHz 频段，可支持中频和5G 频段接入，3.5 GHz 频段综合损耗明显改善；5/4″专用5G漏缆支持2 600～3 700 MHz 频段，不支持2G/3G/4G 的中低频段，但3.5 GHz频段综合损耗最小。

以某厂家提供的5/4″高性能中高频漏缆为例，电气性能如表1所示。

表1 5/4″高性能中高频漏缆电气性能（单位：dB，公差：±3dB）

在地铁隧道中不同制式允许的最大综合损耗如式（1）所示，设备间距设置如式（2）所示：

对于5/4″全频段漏缆和5/4″高性能中高频漏缆，中国电信和中国联通5G 设备对应的设备间距对比表如表2所示。

从表2 可以看出，以覆盖边缘场强-105 dBm 为覆盖标准，漏缆入口功率为9.38 dBm，那么泄漏电缆允许的最大综合损耗为92.38 dB。考虑切换距离，如果使用5/4″高性能中高频漏缆，5G 设备理论间距可设置为646 m；如果使用5/4″全频段漏缆，5G 设备理论间距只可设置为406 m。

表2 2类泄漏电缆的设备间距测算表

2.2 隧道接入系统频段分析

对于新建地铁隧道，各运营商共提出15个系统需求，为便于后续互调干扰分析，将每个系统增加备注频段，如表3所示。

表3 各运营商地铁隧道网络需求

2.3 互调干扰分析

当多个系统合路到同一条泄漏电缆中时，由于传输信道中的非线性，2 个或多个信号会产生很多谐波和互调频率分量，如果这些互调分量落入使用系统的上行频段，就会造成互调干扰。通过对上述8 个频段互调分量进行计算分析，各个频段产生的2 阶、3 阶互调分量对中国联通中高频系统上行频段造成的干扰共有26种组合，具体如表4所示。

表4 互调干扰分析表

通过分析可以发现，如果泄漏电缆不引入频段1和频段2 的信号，即如果不引入中国电信CDMA800 和中国移动、中国联通GSM900 信号，对中国联通和中国电信中高频上行频段造成干扰的分量就大幅下降为12 种组合，且5G 频段不再受到互调干扰分量影响。优化后的互调干扰分析如表5所示。

表5 优化后互调干扰分析表

按照经验三阶互调干扰小于-107 dBm，如果系统互调抑制度可以保证-155 dBc@46 dBm 或-150 dBc@43 dBm，互调干扰将不会影响系统性能。如果系统只引入频段8 中国移动2.6 GHz 和频段9 中国电信和中国联通3.5 GHz，则不会产生影响自身系统的互调分量。

2.4 低成本隧道覆盖方案分析

在当前共建共享的基础上，基于2T2R 主要有3 种解决方案。

方案1：3家2G/3G/4G 和中国移动5G 接入13/8″低频漏缆，中国联通和中国电信5G接入5/4″高频漏缆。

方案2：3家2G/3G/4G 接入13/8″低频漏缆，3家5G接入5/4″高频漏缆。

方案3：安装位置受限，3家均接入5/4″全频漏缆。

在方案1中，中国联通和中国电信要分摊2条5/4″高频漏缆成本，中国联通和中国电信难以接受；方案2中国移动要比方案1 多分摊2 条5/4″高频漏缆，且在2.6 GHz 上5/4″漏缆性能低于13/8″低频漏缆，中国移动为满足覆盖还需额外新增5G设备，中国移动难以接受。方案3存在较大干扰；且因3.5 GHz频段覆盖能力受限，设备断点设置较密，建设成本高。

本文提出一种优化接入信号频段组合的漏缆方案：3家只引入1 700 MHz～3.6 GHz的信号，使用5/4″高性能中高频漏缆。该方案有以下优点。

a）由于不引入频段1 和频段2 可以大幅降低干扰互调分量（根据2.3 节分析），可以保证4G/5G 网络质量。

b）5/4″高性能中高频漏缆在3.5 GHz 频段性能要明显优于5/4″全频段漏缆，综合损耗小可以提高设备设计间距，减少覆盖隧道的设备数量，从而降低建设成本。

c）3 家运营商总共只使用2 条漏缆，分布系统的建设成本大幅下降，若中国铁塔承建而支付租金也会明显低于上述4条漏缆方案的方案1和方案2。

d）从地铁的业务模型来看，隧道场景业务量低，放弃低频段也不会对用户感知造成影响。

因此推荐该方案为新建地铁线路隧道覆盖方案，采用该方案建设的地铁隧道设备间距测试如表6 所示。

从表6 可以看出，各频段受限于中国移动NR2.6 GHz，如果部署2 条漏缆3 家接入，断点设置应以中国移动NR2.6 GHz 覆盖能力为标准，即单边覆盖距离为289.31 m，理论测算隧道RRU间距为570 m左右。

表6 低成本泄漏电缆接入方案对比表

以此方案进行建设成本对比，由于设备间距是5/4″全频段漏缆的1.4 倍，以5G 全线覆盖的深圳地铁10号线进行测算，隧道建设成本可节省30%以上。

3 已运营地铁隧道5G覆盖方案

已运营地铁的运营商通信系统为2G/3G/4G，已部署的泄露电缆基本为13/8″泄漏电缆，截止频率低于3 GHz，无法支撑中国电信和中国联通3.5 GHz的5G频段。在隧道内壁已部署包含地铁专用通信系统在内多条泄漏电缆，且为保证隔离度，每2条泄漏电缆之间的设计距离在20 cm 以上，隧道内壁正对车窗的位置基本占满，没有预留位置给5G网络，如图1所示。

图1 地铁隧道内环境示意图

本文提出一种泄漏电缆斜射覆盖方案，假设新增2 条5G 泄漏电缆部署在地铁隧道内壁已安装泄漏电缆的斜上方处，通过一定的入射角覆盖车厢内部。泄漏电缆开口位置指向地铁车厢内中心线用户高度处，确保车厢内超过一半的空间可满足LOS视线传输。

如果新增2 条5G 泄漏电缆可保持到车厢内部的LOS 传输，那么可以认为2 条泄漏电缆的传输模型基本一致，通过在适当的距离安装5G基站设备并控制泄漏电缆传输损耗，不但可以满足车厢内部覆盖的信号强度需求，而且可以使2 路信号在车厢内信号强度差距保持在3 dB 内，实现较好的MIMO 效果。新增泄漏电缆位置如图2所示。

图2 新增泄漏电缆位置示意图

假设车身宽度为W，列车车窗上沿与洞壁水平距离为d，车窗上沿玻璃距离平台高度为H，远离车窗侧站立用户手持手机高度为h，隧道内壁新增泄漏电缆安装高度，距离车窗上沿的垂直距离为X。那么根据几何原理，则有：

即新增泄漏电缆安装位置到车窗上沿的垂直高度X可表示为：

通过新增2条泄漏电缆来解决已运行地铁隧道的5G 覆盖时，若2 条泄漏电缆安装位置X均不高于2d×（H-h）/W，并且开孔方向指向地铁车厢内中心线用户高度时，尽管2条泄漏电缆不是传统平行于车窗覆盖，但仍可有效覆盖车厢内部并实现较好MIMO效果。

4 测试验证

4.1 低成本5G覆盖方案验证

深圳十号线实现了5G 全线覆盖，关闭低频段信号，方案效果与2.4 节提出的低成本覆盖方案近似。深圳十号线全线隧道测试结果：SS-RSRP≥-105 dBm覆盖率达到99.9%，SS-SINR≥0 dBm 质量达标率为99.8%。远超SS-RSRP≥-105 dBm 且SS-SINR≥0 dBm采样点占比≥90%的室内场景验收标准。