一種地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋的解決方案

1、 中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第二十一屆新技術(shù)論壇 20150923中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 第二十一屆新技術(shù)論壇 一種地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋的解決方案中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司 周彪 傅子維【摘 要】：現(xiàn)代都市規(guī)模的不斷擴(kuò)大、城市軌道交通的快速發(fā)展，使地鐵客流量大幅增加。與此同時(shí)，人們對地鐵中進(jìn)行高質(zhì)量通信服務(wù)的需求也日益強(qiáng)烈。本文以某市地鐵11號線移動(dòng)通信信號覆蓋為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過對地鐵站臺、隧道等場景特點(diǎn)的詳細(xì)分析，并結(jié)合2G與TD-LTE技術(shù)特點(diǎn)，探索新的地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋的解決方案，對未來移動(dòng)通信系統(tǒng)在地鐵、隧道等場景的覆蓋解決方案具有一定的借鑒意義?！娟P(guān)鍵詞】：

2、地鐵，TD-LTE，移動(dòng)通信系統(tǒng)，信號覆蓋A Solution of Mobile Communication System Coverage for MetroBiao Zhou, Ziwei Fu China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Guangdong BranchAbstract: The constant expansion of the modern city and the rapid development of urban rail transit make subway traffic increase signific

3、antly. At the same time, people on the subway for high-quality communications services increasingly strong demand. In this paper, we take the design for a citys Metro Line 11 mobile communication signal coverage for example. Through a detailed analysis of the characteristics of the scene subway stat

4、ions, tunnels, we combine 2G and TD-LTE technology features to explore a new mobile communication systems covering metro solution, which is certain significances for the future of mobile communication system coverage solutions in subway, tunnels and other scenarios.Keywords:Metro; TD-LTE, mobile com

5、munication system, signal coverage1 項(xiàng)目背景隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在中國的飛速發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆炸式的增長，三大運(yùn)營商紛紛加大對移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的投入，并逐漸把經(jīng)營模式從傳統(tǒng)的語音經(jīng)營轉(zhuǎn)換到流量經(jīng)營上。而TD-LTE1作為中國移動(dòng)的主推的4G技術(shù)，擁有高峰值數(shù)據(jù)速率、高小區(qū)邊緣速率、高頻譜利用率等特點(diǎn)2，是中國移動(dòng)四網(wǎng)協(xié)同發(fā)展的重要組成部分。因此，大力推進(jìn)TD-LTE技術(shù)的發(fā)展，是中國移動(dòng)面向未來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措，而打造TD-LTE精品網(wǎng)絡(luò)對中國移動(dòng)保持市場領(lǐng)先具有重大意義。2 地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)概述2.1 某市地鐵11號線基本情況某市地鐵11號線南

6、起福田，北至碧頭，共18個(gè)站，全長51公里。該市11號線是整個(gè)城市的核心區(qū)與西部濱海地區(qū)的組團(tuán)快線，同時(shí)身兼機(jī)場快線和城際軌道線路的雙重任務(wù)。圖1某市地鐵11號線全景2.2 地鐵傳播環(huán)境分析一直以來，地鐵場景都是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點(diǎn)和難點(diǎn)。人流密集、業(yè)務(wù)量大、通信服務(wù)質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，使地鐵對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)全覆蓋有較高要求。目前，某市大部分地鐵站及線路都在地下，室外信號無法直接覆蓋，所以必須建立室內(nèi)分布系統(tǒng)，以保證地鐵里的信號覆蓋3。同時(shí)，地鐵隧道狹長，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，被列車填充后所剩余的空間很小，車體對于信號阻擋較為嚴(yán)重，所以必須采用沿隧道橫截面的覆蓋方式，以保證地鐵里的信號質(zhì)量。隧道的長度

7、對整個(gè)地鐵室內(nèi)分布系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)有至關(guān)重要的影響4。某市地鐵11號線站間距離有較大差異，整體平均站距離為23km，最長的有7km左右。某市地鐵11號線擁有上行車行方向和下行車行方向的兩條軌道，上下行軌道之間有隧道壁隔離，每個(gè)方向各布設(shè)兩條泄漏電纜對應(yīng)上下行信號。泄漏電纜架設(shè)在隧道的弱電側(cè)。2.3 地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)現(xiàn)狀某市地鐵11號線內(nèi)現(xiàn)有分布系統(tǒng)是一個(gè)多運(yùn)營商通過柜式POI接入天饋系統(tǒng)的復(fù)雜分布系統(tǒng)。天饋系統(tǒng)上下行分離，上下行均使用獨(dú)立POI接入。站臺站廳使用全向吸頂天線覆蓋。隧道內(nèi)使用13/8泄漏電纜覆蓋。某市移動(dòng)TD-LTE系統(tǒng)使用BBU+RRU的形式建設(shè)，使用E頻段開通。3 TD-LT

8、E室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求3.1 設(shè)計(jì)原則（1） TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)綜合考慮業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)性能、改造難度、投資成本等因素，體現(xiàn)TD-LTE的性能特點(diǎn)并保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，且不影響現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。（2） 室內(nèi)分布系統(tǒng)使用雙路建設(shè)方式能充分體現(xiàn)MIMO上下行容量增益。對于新增室內(nèi)覆蓋的樓宇建設(shè)雙路室分系統(tǒng)，對于已建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)的樓宇優(yōu)先采用單路室分系統(tǒng)改造，當(dāng)不能滿足業(yè)務(wù)需求時(shí)改造雙路室分系統(tǒng)。（3） TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)綜合考慮GSM（DCS）、TD-SCDMA、WLAN和TD-LTE共用的需求，并按照相關(guān)要求促進(jìn)室內(nèi)分布系統(tǒng)的共建共享。多系統(tǒng)共存時(shí)系統(tǒng)間隔離度應(yīng)滿足要

9、求，避免系統(tǒng)間的相互干擾。（4） TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持室內(nèi)外協(xié)同覆蓋的原則，控制好室內(nèi)分布系統(tǒng)的信號外泄。（5） TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)保證擴(kuò)容的便利性，盡量做到在不改變分布系統(tǒng)架構(gòu)的情況下，通過小區(qū)分裂、增加載波、空分復(fù)用等方式快速擴(kuò)容，滿足業(yè)務(wù)需求。（6） TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)原則上使用E頻段組網(wǎng)，與室外宏基站采用異頻組網(wǎng)方式，在無法進(jìn)行E頻段改造的場景可以使用F頻段組網(wǎng)。室內(nèi)小區(qū)間可以根據(jù)場景特點(diǎn)采用同頻或異頻組網(wǎng)。（7） TD-LTE與TD-SCDMA(E頻段)共存時(shí)，應(yīng)通過上下行子幀/時(shí)隙對齊方式規(guī)避系統(tǒng)間干擾。（8） TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)應(yīng)按照“多天線

10、、小功率”的原則進(jìn)行建設(shè)，電磁輻射必須滿足國家和通信行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)（1）覆蓋指標(biāo)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域室內(nèi)有效覆蓋指標(biāo)：在建設(shè)有室內(nèi)分布系統(tǒng)的室內(nèi)目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)公共參考信號接收功率（RSRP）-105dBm且 RS-SINR 6dB的概率達(dá)到95。營業(yè)廳（旗艦店）、會(huì)議室、重要辦公區(qū)等業(yè)務(wù)需求高的區(qū)域要建設(shè)雙路室分系統(tǒng)。目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)公共參考信號接收功率RSRP -95dBm且公共參考信號信干噪比 RS-SINR 9dB的概率達(dá)到95%。（2）室內(nèi)分布系統(tǒng)信號的外泄要求室內(nèi)覆蓋信號應(yīng)盡可能少地泄漏到室外，要求室外10米處應(yīng)滿足RSRP-110dBm或室內(nèi)小區(qū)外泄的RSRP比室外主小區(qū)

11、RSRP低10dB（當(dāng)建筑物距離道路不足10米時(shí)，以道路靠建筑一側(cè)作為參考點(diǎn)）。3.3 站型配置室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)原則上單小區(qū)配置為O1，載波帶寬為20MHz。對于單小區(qū)無法滿足覆蓋及容量需求的場景，可以配置多個(gè)小區(qū)。3.4 工作頻段根據(jù)國家相關(guān)部門批復(fù)的頻率資源及TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)頻率使用情況，TD-LTE工作頻段建議為：（1）F頻段：1880-1900MHz，覆蓋室外，在特殊需求的場景可用于室內(nèi)，主要用于廣州、深圳和杭州；（2）D頻段：25752615MHz，覆蓋室外，主要用于除廣州、深圳和杭州外的其他城市；（3）E頻段：2330-2370MHz，覆蓋室內(nèi)，全部城市均使用。4 地鐵隧道漏纜切割

12、方案設(shè)計(jì)4.1 鏈路預(yù)算地鐵分布系統(tǒng)組網(wǎng)有兩種方式：前合路與后合路。后合路主要應(yīng)用在現(xiàn)有分布系統(tǒng)改造上，由于加入了一級合路器，損耗增加，因此覆蓋范圍會(huì)減小。后合路主要應(yīng)用在新建分布系統(tǒng)一級通過前合路方式改造不能達(dá)標(biāo)的情況。圖2后合路圖3前合路根據(jù)上圖中可以看出，射頻單元輸出的信號主要有兩種不同的衰減路徑到達(dá)泄漏電纜，因此，鏈路預(yù)算需要分別計(jì)算這兩種場景。（1）場景一：覆蓋站臺與靠近站臺的隧道。信號由射頻單元輸出后，經(jīng)過耦合器，耦合端信號覆蓋站臺，直通端信號饋入泄漏電纜。計(jì)算前提：以距漏纜5米處的邊緣場強(qiáng)GSM900/DCS1800/TD-LTE不小于-85/-85/-105dBm為前提GSM9

13、00/DCS1800/TD-LTE邊緣場強(qiáng)要求大于：-85/-85/-105dBm人車體損耗（典型值）：15dB寬度因子及環(huán)境綜合損耗：8dB95%覆蓋率下距離漏纜5米處GSM900/DCS1800/TD-LTE最小耦合損耗分別為73/68/66dBPOI損耗：7dBGSM900/DCS1800/TD-LTE100米線損：2.33/4.1/5.39dB零星損耗3dB功分器損耗：3.3dB耦合器插損：1.8dB假設(shè)1：泄漏電纜末端輸出的功率為P時(shí)邊緣場強(qiáng)正好達(dá)標(biāo)，那么有如下的方程式成立：P-(73+15+8)-85dBmGSM900P-(68+15+8)-85dBmDCS1800 P-(66+1

14、5+8)-105dBmTD-LTE計(jì)算得到P11dBmGSM9006dBmDCS1800-13dBmTD-LTE即漏纜末端GSM900/DCS1800/TD-LTE輸出功率為11/6/-13dBm，則能滿足地鐵列車車廂內(nèi)的覆蓋要求。假設(shè)2：泄漏電纜長度為D。GSM900/DCS1800/TD-LTE系統(tǒng)的輸出功率為41/41/15.2 dBm，POI損耗7dB，漏纜百米線損2.33/4.1/5.39 dB，零星損耗約3dB，功分損耗3.3dB，耦合器插損1.8dB。泄露電纜的覆蓋距離有如下等式成立：41-7-3-3.3-1.8-D*2.33-85dBmGSM90041-7-3-3.3-1.8-

15、D*4.1-85dBmDCS180015.2-7-3-3.3-1.8-D*5.39-105dBmTD-LTE計(jì)算得出D4.63GSM900 3.37DCS1800 1.67TD-LTE即三個(gè)系統(tǒng)GSM900/DCS1800/TD-LTE當(dāng)漏纜長度小于等于463/337/167米時(shí)，覆蓋區(qū)域內(nèi)的邊緣場強(qiáng)均能達(dá)標(biāo)。（2）場景二：覆蓋隧道。信號由射頻單元輸出后，直接經(jīng)過POI饋入泄漏電纜。計(jì)算前提：以距漏纜5米處的邊緣場強(qiáng)GSM900/DCS1800/TD-LTE不小于-85/-85/-105dBm為前提GSM900/DCS1800/TD-LTE邊緣場強(qiáng)要求大于：-85/-85/-105dBm人車體

16、損耗（典型值）：15dB寬度因子及環(huán)境綜合損耗：8dB95%覆蓋率下距離漏纜5米處GSM900/DCS1800/TD-LTE最小耦合損耗分別為73/68/66dBPOI損耗：7dBGSM900/DCS1800/TD-LTE 100米線損：2.33/4.1/5.39dB零星損耗3dB假設(shè)1：泄漏電纜末端輸出的功率為P時(shí)邊緣場強(qiáng)正好達(dá)標(biāo)，那么有如下的方程式成立：P-(73+15+8)-85dBmGSM900P-(68+15+8)-85dBmDCS1800P-(66+15+8)-105dBmTD-LTE計(jì)算得到P11dBmGSM9006dBmDCS1800-13dBmTD-LTE即漏纜末端GSM90

17、0/DCS1800/TD-LTE輸出功率為11/6/-13dBm，則能滿足地鐵列車車廂內(nèi)的覆蓋要求。假設(shè)2：泄漏電纜長度為D。GSM900/DCS1800/TD-LTE系統(tǒng)的輸出功率為41/41/15.2 dBm，POI損耗7dB，漏纜百米線損2.33/4.1/5.39 dB，零星損耗約3dB。泄露電纜的覆蓋距離有如下等式成立： 41-7-3-D*2.33-85dBmGSM90041-7-3-D*4.1-85dBmDCS180015.2-7-3-D*5.39-105dBmTD-LTE計(jì)算得出D8.43GSM9005.98DCS18003.83TD-LTE即三個(gè)系統(tǒng)GSM900/DCS1800/

18、TD-LTE當(dāng)漏纜長度小于等于843/598/383米時(shí)，覆蓋區(qū)域內(nèi)的邊緣場強(qiáng)均能達(dá)標(biāo)。4.2 切割原則地鐵漏纜中有多家運(yùn)營商的多種制式信號共存，設(shè)計(jì)漏纜切割方案時(shí)，需要綜合考慮各信號的傳播特性。同時(shí)，各制式信號的切換時(shí)間不同，方案中必須考慮各制式信號的合理組網(wǎng)問題。某市地鐵11號線設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h，速度超出普通地鐵50%，由此帶來2G和LTE的切換帶設(shè)計(jì)值均要提高50%。根據(jù)各系統(tǒng)的特性，切換區(qū)間長度如表1所示。表1 多系統(tǒng)切換距離預(yù)算表序號系統(tǒng)切換時(shí)延（秒）列車時(shí)速（km/h）切換區(qū)（m）最小最大1GSM/DCS101203332TD-LTE112033地鐵漏纜切割中，需要根據(jù)小區(qū)的

19、配置來決定切換帶的劃分，該方案的優(yōu)點(diǎn)在于能盡量將每一段漏纜切割的盡量長，減少設(shè)備的使用量，降低故障概率，同時(shí)也能減少租金。缺點(diǎn)在于根據(jù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵的發(fā)班頻次與乘客增多時(shí)，由于漏纜已鋪設(shè)，無法新增切換帶，當(dāng)出現(xiàn)小區(qū)容量不夠時(shí)，無法通過增加新的小區(qū)來擴(kuò)充容量。因此，在本方案設(shè)計(jì)中，通過在任何兩臺POI之間為需要的系統(tǒng)保留切換帶，以備后期分裂新的小區(qū)。綜合4.1與表1的要求，為方便后期擴(kuò)容的原則，組網(wǎng)時(shí)將任意相鄰兩臺RRU/RRUS之間均保留切換區(qū)間，因此，GSM900/DCS1800/TD-LTE在靠近站臺的隧道內(nèi)兩臺設(shè)備之間最大距離為973/602/517m，在隧道內(nèi)，兩臺相鄰的設(shè)備之間最大

20、距離為1353/862/732m。DCS1800與TD-LTE使用的頻段均比較高，切割最大長度也相近。如果為每個(gè)系統(tǒng)都做最大距離切割，理論上能夠減少設(shè)備的使用數(shù)量，但實(shí)際上每個(gè)切割點(diǎn)都會(huì)帶來信號的損耗，實(shí)際上的覆蓋距離將遠(yuǎn)達(dá)不到以上計(jì)算出的最大覆蓋距離，同時(shí)POI的采購量會(huì)大量增加。因此，在實(shí)際切割時(shí)一般采用DCS1800與TD-LTE公用切割點(diǎn)的方式。4.3 切割方案根據(jù)4.2節(jié)中確認(rèn)的最大切割距離及原則，結(jié)合某市地鐵11號線里程表，隧道內(nèi)的漏纜切割方案如附錄所列（部分）。地鐵中除了考慮隧道內(nèi)及站臺間的切換，還要考慮是否存在與公網(wǎng)切換的可能。常規(guī)的地鐵由于始終在地下運(yùn)行，除了在車輛段外，是沒

21、有與公網(wǎng)切換的可能。車輛段由于只能允許地鐵司機(jī)或是工作人員通行，話務(wù)量太低，一般不考慮覆蓋。唯一一種情況便是車輛在部分路段在高架橋上運(yùn)行，在該種情況下，需要在隧道出入口處設(shè)置外放天線，保證車輛進(jìn)出隧道時(shí)不產(chǎn)生掉話。下圖為11號線中隧道進(jìn)出口的覆蓋方案：圖4地鐵11號線隧道口覆蓋方案5 總結(jié)在地鐵覆蓋中，TD-LTE無線覆蓋使用多系統(tǒng)接入平臺（POI）及泄漏電纜、射頻電纜、功分器、耦合器、電橋、合路器和天線等組成的信號分布系統(tǒng)。地鐵上、下行區(qū)別隧道采用泄漏電纜覆蓋，地下車站及出入口通道通過天線陣覆蓋。而在隧道內(nèi)，在站間距較短泄漏電纜的傳輸距離滿足要求時(shí)，采用基站信號直接饋入漏纜進(jìn)行覆蓋；對站間距

22、較大的隧道，則采用RRU射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)，將附近站臺的信源信號，拉遠(yuǎn)到隧道中間，再通過多系統(tǒng)合路器，從兩側(cè)接入到漏纜中。依據(jù)以上基本設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)原則，本項(xiàng)目分析了地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)和地鐵傳播環(huán)境的特點(diǎn)，結(jié)合對某市地鐵11號線的實(shí)際覆蓋場景的研究，形成了新的完整的TD-LTE系統(tǒng)地鐵覆蓋解決方案。該方案用于指導(dǎo)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，取得了良好成果，對以后TD-LTE在地鐵、隧道等場景的覆蓋具有一定的借鑒意義。參考文獻(xiàn)1 沈嘉，索世強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：人民郵電出版社，2008.2 王映文，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：人民郵電出版社，2010.3 張玉華，彭宏，鄭冕，等.基于GSM射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的CIC濾波器的設(shè)計(jì)J.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，39(1)：109-113.4 汪穎.TD-LTE室內(nèi)覆蓋