地铁项目TD-LTE覆盖解决方案研究

地铁项目TD-LTE覆盖解决方案研究

曹建明

广东省电信规划设计院有限公司广东广州510000

摘要：结合地铁覆盖的实际场景，从覆盖方式选择、小区划分、切换、链路损耗、等方面研究了TD-LTE在地铁民用通信系统中的覆盖方案，并通过对不同厂家的漏缆覆盖指标进行分析对比，提出了选型建议。

关键词：TD-LTE地铁收发分缆收发合缆覆盖场强

地铁主要是指城市地下轨道交通的场景，包括城市轻轨的地下部分。地铁是当前大型城市的首选公共交通工具，环境非常复杂，人流量非常密集。

地铁一般包含站厅、站台、地下区间隧道等区域。

地铁站厅连接地面及站台层，一般一个站会有多个出入口连接地面，站厅层为购票区域；站台层为旅客候车区，一般有侧式站台（分为单线轨道和双线轨道式）和岛式站台两类。

地铁隧道分为上、下行两条线路，一般情况下，两条线路为单洞单轨隧道，隧道宽度约4.5米，高度约5米。地铁站与站之间的距离在500米至3公里不等，市区的站间距较小，郊区的站间距较大。地铁列车车厢宽度一般在3米左右，车厢玻璃车窗距离轨面的高度约为2.5米。

1、地铁站台、站厅覆盖解决方案

地铁站一般包括站厅层及站台层，根据站厅层的结构情况，在站厅层公共区域及出入通道口使用全向吸顶天线交叉布放的方式进行覆盖，天线覆盖范围20-30米。

1.1小区划分

对于不同类型的地铁站，应采用不同的分区策略：

（1）对于郊区非换乘站，高峰人流量不大，站台、站厅及隧道宜规划为同一个小区。

（2）对于城区非换乘站，高峰人流量较大，站台与隧道宜规划为同一小区，站厅单独规划为一个小区。

（3）对于换乘站，每条地铁的隧道及相应站台宜各规划为一个独立小区，站厅单独规划为一个小区，同时要考虑多个小区间切换问题。

1.2小区切换

地铁场景小区信号切换主要发生在以下几个位置。

（1）乘客出入地铁站的切换；

（2）站厅与站台两小区之间的切换；

（3）隧道区间两小区之间的切换；

（4）列车出入隧道口时与室外小区的切换。

乘客出入地铁站的切换

乘客出入地铁站会产生室外宏基站信号和地铁站厅信号之间的切换，可以在扶梯中间位置的顶部加装全向吸顶天线保证足够的重叠覆盖。

站厅与站台两小区之间的切换

一般在扶梯上下口位置布放全向天线保证切换顺利进行。

隧道两小区之间的切换

列车经过两个小区交会处时会发生信号切换，应设置足够的重叠覆盖区保证切换顺利进行。

以GSM系统为例：切换时间≤6s，地铁列车设计时速为80km/h（22.3m/s），完成单向切换需要的距离为：22.3*6=134m。

同理可得，各系统的切换距离如下表：

为保证各系统在隧道区间两小区之间正常切换，在设计时应以切换重叠区要求最高的系统为准预留满足切换距离的功率余量。

列车出入隧道时与室外小区的切换

列车出隧道的过程中，隧道内信号迅速减弱，隧道外信号迅速增强，两侧信号无足够的重叠覆盖区，需在隧道口漏泄电缆末端增加对数周期天线对隧道出口方向进行覆盖，与外部宏网基站形成足够的重叠区，达到顺利切换的目的。

重叠覆盖区的设置要考虑两个原则。

（1）重叠覆盖区的距离要能满足所有系统的切换要求。

（2）重叠覆盖区的距离不能太长，必须控制信号外泄，避免对隧道外室外宏站覆盖区造成干扰。

2、地铁隧道覆盖解决方案

对于地铁隧道部分一般采用漏泄电缆方式覆盖，原则上应和电信企业协商并达成一致，宜采用POI+双路漏泄电缆组网，支持LTEMIMO，2G/3G可灵活选用分缆或合缆方式。

收发分缆技术

图1地铁隧道LTEMIMO组网+2G/3G收发分缆

每个系统有一收一发两个输入端口，POI输出端口是两收两发四个端口，这种方式使用两套拓扑结构相同的分布系统分别传输上行和下行信号，上行和下行是物理上完全独立的两套系统，不同系统的下行信号接入到下行POI，再从POI到下行分布系统泄漏电缆，最后通过空间链路损耗传送到相应的移动台。不同系统的移动台发出的上行信号通过空间链路损耗，再通过接收漏缆上行POI，最后到相应系统的接收端。该组网方式的特点是系统间抗干扰能力强，通过分路系统提供额外的隔离度，对器件隔离度要求小。

收发合缆技术

收发合缆的上行和下行共用一套分布系统，不同系统的上下行信号接入到POI，在POI后端是收发共用的分布天馈系统，这种方式能有效节省投资成本。但由于上下行链路缺少约30dB的空间链路损耗，因此，对POI的端口隔离度要求达到120dB，同时需要接入系统加前置滤波器，以保证系统间的良好通信。

图2地铁隧道LTEMIMO组网+2G/3G收发合缆

随着通信技术的不断进步，高端口隔离度的POI产品将在不远的将来得以规模化应用，从而扩大基于收发合缆技术建设的应用范围，在保证良好通信的前提下，进一步降低工程建设工作量和投资成本。另外，集约化分布系统中的有源设备也可以朝着多端口共用的方向发展，同时解决多个频段、多个系统、多个载波的通信网络无线信号覆盖，节省网络建设和运维成本。

漏泄电缆覆盖效果及选型

漏泄电缆覆盖模型如下图所示，信号源从漏泄电缆的一端注入射频信号，经过一定距离的传输衰减，信号逐渐减弱，直到衰减到无法满足覆盖要求为止，该距离即为信号源的有效覆盖距离。

图3漏泄电缆覆盖模型示意图

估算假设按照如下方案进行：使用60W的GRRU，功分两路，泄漏电缆沿隧道双边铺设。

我们拟定给泄漏电缆注入的GSM功率为35dBm（GRRU远端总功率60W，折合48dBm，每小区8载波，平均每载波功率为39dB，功分及馈线接头损耗总计3+1=4dB，则功分后的注入功率为35dBm），注入4G网络的信号电平RSRP功率为12.2dBm（总功率20W，含1200个RE）根据场强估算公式：

列车上接收场强=漏缆辐射功率-耦合损耗-瑞利衰落-宽度因子-车体损耗

参数说明：

漏缆辐射功率：注入泄漏电缆的功率；

耦合损耗：距离漏缆2米处，被外界天线接收的能量与电缆中传输的能量之比；

瑞利衰落：由于列车高速移动带来的衰减余量；

宽度因子：损耗值：20lg（d/2），d为手机距离漏缆的距离；

车体损耗：与具体的车体类型有关，按照损耗值最高的类型来计算。

覆盖效果估算：

列车上的终端距泄漏电缆最远端距离为8米，宽度因子为20lg8/2=12dB

瑞利衰落：7dB

车体损耗：24dB

耦合损耗见下表：

表1泄漏电缆的耦合损耗指标对照表

根据上面的参数，可分别计算得三种漏缆在注入GSM信号功率为35dBm，注入4G网络的信号电平RSRP功率为12.2dBm，覆盖距离为250米隧道，最远处8米，泄漏电缆末端在列车上的覆盖场强。

RFS（凯信达），GSM900在250米末端的覆盖场强计算示例：

接收场强=漏缆辐射功率-耦合损耗-瑞利衰落-宽度因子-车体损耗

=（35-2.5*2.32）-70-7-12-24=-83.8dBm

最后计算得各型号的漏缆覆盖指标如下：

表2泄漏电缆在250米末端覆盖场强效果对比

从上述覆盖效果估算来看，ANDREW漏缆在低频区域的性能指标最优，而国产漏缆在高频段区域的性能指标目前已经优于RFS或ANDREW漏缆。

结束语：

对未来地铁网络覆盖工作而言，TD-LTE地铁覆盖规划起着重要的指导作用，通过精确的规划，进行合理的网络布局能够保证网络质量达到最优，满足网络用户的业务需求，提高用户对产品的满意度，提高运营商的企业品牌的价值。