地铁无线覆盖网络构架和关键技术研究

张 涛，杨 新，吴晓乐（中讯邮电咨询设计院有限公司，河南郑州450007）

0 前言

全国各地开始大规模建设城市轨道交通，地铁方便快捷、票价便宜，已成为上班族和进城务工人员出行的首选。对于移动通信运营商而言，为地铁中的用户提供优质的无线网络接入服务，对其业务发展、市场竞争以及自身品牌的提升有着重要的意义。

地铁无线覆盖与传统室内外无线覆盖相比有其自身特点。

a）地铁通常由站厅、站台、区间隧道组成，站厅和站台为面覆盖，区间隧道为线覆盖，覆盖场景复杂。

b）地铁无线覆盖多采用运营商共建共享的方式，各系统间干扰、损耗大。

c）移动用户进出地铁口以及列车在隧道中高速运行时，用户小区切换频繁。

本文针对地铁无线网络覆盖中的难点，提出地铁无线覆盖的网络构架，对各种场景覆盖策略、小区划分、切换策略、POI和泄漏电缆的应用等关键问题进行深入的研究，并将研究成果应用到某运营商地铁线路的网络建设中，达到了良好的覆盖效果，为后续的地铁无线网络设计提供较好的参考价值。

1 地铁覆盖网络构架

图1 地铁无线覆盖综合网络构架

受地铁施工条件和投资的限制，在地铁的网络覆盖建设中，各运营商多采用共建共享的模式。地铁覆盖网络构架涉及无线、电源、传输3 个部分，网络架构如图1所示。

无线：为避免多系统间的干扰，3家运营商的无线主设备利用POI或多频分合路器进行上、下行合路后，通过室内分布系统、泄漏电缆对地铁站厅、站台、区间隧道进行网络覆盖。

电源：根据无线主设备安装位置，可以采用2种方式供电。利用组合开关电源对机房内的无线、传输设备供电；利用直流远供技术对机房外（弱电井、区间隧道开断点）的无线设备供电。

传输：从机房到每个无线主设备开断点贯通布放48 芯光缆（3 家运营商共用，每家平均分配16 芯）供BBU 和RRU、RRU 和RRU 之间进行级联和小区划分。地铁站通信机房之间贯通144芯光缆（3家运营商共用、每家48芯）供传输和数据使用。

2 地铁无线覆盖的关键技术

地铁无线覆盖中一般涉及多家运营商的多个通信系统，无线系统需要考虑更宽的频段、更好的干扰控制，以应对更复杂的覆盖场景和恶劣的施工条件。对于地铁覆盖来说，无线覆盖策略、小区切换和划分、POI 和泄漏电缆的应用是影响地铁覆盖效果的关键，需要在规划和设计中重点关注。

2.1 地铁无线覆盖策略

地铁覆盖场景主要包括站厅、站台、区间隧道等场景。

2.1.1 站厅、站台覆盖策略

地铁车站由站厅和站台2 层组成，站厅层供乘客检票和进出车站，站台供乘客候车使用。站厅、站台覆盖方式为面覆盖，可以采用天线阵方式覆盖策略，各系统要求边缘场强大于或等于-80 dBm。

各系统POI 合路后通过上、下行分布系统（上、下行天线隔离度大于0.5 m）进行网络覆盖。覆盖半径按15 m 考虑，传播模型采用自由空间传播损耗模型（L=32.4+20lg d+20lg f，d 为距离，单位为km，f 为频率，单位为MHz），各种频段下站厅、站台天线入口最小功率需求如表1所示。

表1 站厅、站台各种频段下天线入口最小功率需求

对于2G 系统，理论上天线最小入口功率要求较低，但实际设计中，考虑到分布系统天线口功率的均衡性，建议各个系统天线口输出功率均大于0 dBm。

2.1.2 区间隧道网络覆盖

区间隧道是地铁车辆运行线路的主要构成部分，隧道中有大量的乘客，是地铁无线网络覆盖需要关注的重点，可采用泄漏电缆方式进行覆盖，要求各系统边缘场强大于或等于-85 dBm。

根据泄漏电缆和室分器件的技术指标，结合运营商各个系统RRU的输出功率，可以计算出各个系统泄漏电缆的覆盖距离，如表2所示。通过计算，可以看出TD-SCDMA 系统信源输出功率较低，且其E 频段在泄漏电缆中的传输损耗及空间链路耦合损耗都较高，导致其单边覆盖距离最短。在设置泄漏电缆开断点时应主要参考TD-SCDMA系统，其他系统以此为基础进行信源设置。

图2 为某运营商地铁线区间隧道下行设备连接图。从图2 中可以看到，各系统RRU 信号通过6 频分合路器馈入泄漏电缆，由于3G 系统频率较高，覆盖距离较短，故在每个区间隧道开断点都需要设置3G RRU，3G 2 个开断点间距600～650 m。2G 系统覆盖距离较长，可每2 个开断点设置1 个2G RRU，2G 2 个开断点间距1 200～1 300 m。

同时为保证主线区间隧道的良好覆盖效果，一般采用泄漏电缆上、下行分开的方式进行覆盖，且上、下行2 根泄漏电缆保持300 mm 的空间隔离度。根据地铁车窗高度，确定2 根泄漏电缆布放高度在车窗范围内，并保持覆盖方向正对车窗。

表2 无线系统泄漏电缆覆盖距离统计表

图2 某运营商地铁区间隧道设备下行连接图

2.2 无线网小区切换策略

地铁无线系统要达到良好的覆盖效果和用户感知，小区切换是必须考虑和解决的重要问题，以避免因切换而造成掉话。

2.2.1 乘客出入地铁站和站厅站台间的切换

乘客出入地铁站、从站厅到站台时会发生2 小区之间的切换。GSM 是硬切换系统，切换时间最长，以GSM用户出入地铁站厅为例进行分析：按照切换时间6 s 算（考虑部分冗余），乘客走动的速度约为1.5 m/s，需要的切换距离为6×1.5=9 m。在乘客扶梯位置的天花板上设计吸顶天线，可确保良好切换。对于CDMA和3G系统，其切换一般为软切换，切换时间短（小于2 s），在与GSM网络类似条件下更容易实现良好切换。

2.2.2 区间隧道小区之间的切换

隧道中列车上的移动终端在通过泄漏电缆辐射的不同小区信号的交会处时会发生切换。以GSM 系统为例：切换时间小于或等于6 s，地铁列车设计时速为80 km/h（22.3 m/s），完成单向切换需要的距离为22.3×6≈134 m。同理可得其他系统的切换距离（见表3）。为保证各系统在区间隧道2 小区之间的切换成功率，需在设置泄漏电缆开断点和信源时预留部分功率余量。

表3 区间隧道内各种制式切换距离

2.2.3 列车出入隧道口时与室外小区的切换

列车出入隧道的过程中，现网驻留小区信号会迅速减弱，切换小区信号迅速增强，会导致小区信号发生切换。为了保证隧道内外的切换，一般采用在隧道口泄漏电缆末端增加定向平板天线对隧道出口方向覆盖的方式，以确保与外部宏基站小区形成足够的重叠区。在双向隧道情况下，还需同时保证用于切换的2个隧道口天线隶属同一小区，以保证切换的效果。地铁列车的设计时速在80 km/h 左右，GSM 越区切换时间按双向12 s考虑，而各系统功率将RRU的输出接入定向平板天线，在边缘场强大于-85 dBm要求下，切换距离不小于268 m。

2.2.4 LA C 区切换策略

地铁无线LAC区划分可采用以下2种方式。

方式一，将地铁覆盖基站划至同一LAC 区中，即地铁覆盖基站的LAC 与所在区域的室外宏站可能隶属于不同的LAC区。

方式二，根据原有大网LAC 的管辖区域，将各地铁覆盖基站划至地铁所在区域的室外站LAC区中，即覆盖地铁基站分别隶属不同的LAC区。

上述2种LAC区划分方案各有优劣，表4给出了2种方式的对比，若地铁在地上地下交替穿梭，且穿过LAC 区较少，可采用方式二进行LAC 区划分；若地铁只在地下进行，且穿过LAC 区较多，可采用方式一进行LAC区划分。

表4 不同LAC区划分方式对比

2.3 无线网小区划分策略

根据上述小区切换策略，为适应远期容量要求，地铁无线系统一般按每站2～4个小区设计。小区1覆盖站厅和车站出入口；小区2覆盖站台和站台侧隧道；小区3和4覆盖部分较长的区间隧道。

2.4 PO I和泄漏电缆的应用

地铁无线覆盖一般采用多家运营商共建共享的模式，需要同时考虑7～8套无线通信系统接入，通常采用POI 将多个系统整合在一起，区间隧道的覆盖一般采用泄漏电缆覆盖，下面主要介绍POI、泄漏电缆的选型与应用。

2.4.1 PO I的选型与应用

POI 需关注的技术指标有频率范围（一般要求为800～2 700 MHz）、插入损耗（一般要求小于或等于5～6 dB）、端口隔离度（一般要求大于或等于40～90 dB）、带外抑制（一般要求大于或等于40～90 dB）。

2.4.2 泄漏电缆的选型与应用

区间隧道的网络覆盖一般采用13/8″泄漏电缆，对于泄漏电缆的技术参数，主要关注传输损耗和耦合损耗。传输损耗为泄漏电缆每千米传输所损耗的功率，一般在20～70 dB/km；耦合损耗为信号由泄漏电缆开口处到外部空间一定距离的空间损耗，一般采用距电缆2 m 空间为统计基准，耦合损耗值还分50%的点和90%的点2 个指标，一般采用90%的点耦合损耗指标作为链路预算依据，不同类型的泄漏电缆耦合损耗指标也不一样，一般在60～70 dB。

3 结束语

本文根据某运营商地铁无线网覆盖工程经验，提出了地铁无线覆盖的网络架构，对地铁无线网络覆盖策略、小区划分、切换策略、POI 和泄漏电缆的应用等地铁覆盖的关键技术进行了研究。相关研究成果在某运营商地铁线路的网络建设中已经得到应用，达到了良好的覆盖效果，为后续的地铁无线网络设计提供了思路和经验。

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