1、 20150923中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司 第二十一屆新技術(shù)論壇 一種地鐵移動通信系統(tǒng)覆蓋的解決方案中國移動通信集團(tuán)設(shè)計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，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號線移動通信信號覆蓋為設(shè)計目標(biāo)，通過對地鐵站臺、隧道等場景特點的詳細(xì)分析，并結(jié)合2G與TD-LTE技術(shù)特點，探索新的地鐵移動通信系統(tǒng)覆蓋的解決方案，對未來移動通信系統(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】：地鐵，TD-LTE，移動通信系統(tǒng)，信號覆蓋A Sol

2、ution 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 significantly. At the same time, p

3、eople 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 stations, tunnels, we combine

4、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 communication system, signal

5、coverage1 項目背景隨著移動互聯(lián)網(wǎng)在中國的飛速發(fā)展，移動數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆炸式的增長，三大運營商紛紛加大對移動寬帶網(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2，是中國移動四網(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，是中國移動面向未來實現(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)對中國移動保持市場領(lǐng)先具有重大意義。2 地鐵移動通信系統(tǒng)概述2.1 某市地鐵11號線基本情況某市地鐵11號線南起福田，北至碧頭，共18個站，全長51公里。該市11

6、號線是整個城市的核心區(qū)與西部濱海地區(qū)的組團(tuán)快線，同時身兼機(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，地鐵場景都是運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點和難點。人流密集、業(yè)務(wù)量大、通信服務(wù)質(zhì)量要求高等特點，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，地鐵隧道狹長，當(dāng)列車經(jīng)過時，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。隧道的長度對整個地鐵室內(nèi)分布系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)有至關(guān)重要的影響4

7、。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)是一個多運營商通過柜式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TD-LTE系統(tǒng)使用BBU+RRU的形式建設(shè)，使用E頻段開通。3 TD-LTE室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計要求3.1 設(shè)計原則（1） TD-

8、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)共存時系統(tǒng)間隔離度應(yīng)滿足要求，避免系統(tǒng)間的相互干擾。（4） TD-LTE室內(nèi)分

9、布系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)堅持室內(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)場景特點采用同頻或異頻組網(wǎng)。（7） TD-LTE與TD-SCDMA(E頻段)共存時，應(yīng)通過上下行子幀/時隙對齊方式規(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、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

10、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3.2 設(shè)計指標(biāo)（1）覆蓋指標(biāo)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點區(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)RSRP低10dB（當(dāng)建筑物距離道路不足10米時，以

11、道路靠建筑一側(cè)作為參考點）。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 地鐵隧道漏纜切割方案設(shè)計4.1 鏈路預(yù)算地鐵分布系統(tǒng)組網(wǎng)有兩種方式：

12、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：

13、-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+15+8)-105dBmTD-LTE計算得到P11dB

14、mGSM9006dBmDCS1800-13dBmTD-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-D*4.1-85dBmDCS180015.2-7-3

15、-3.3-1.8-D*5.39-105dBmTD-LTE計算得出D4.63GSM900 3.37DCS1800 1.67TD-LTE即三個系統(tǒng)GSM900/DCS1800/TD-LTE當(dāng)漏纜長度小于等于463/337/167米時，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人車體損耗（典型值）：15dB寬度因子及環(huán)境綜合損耗：8d

16、B95%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計算得到P11dBmGSM9006dBmDCS1800-13dBmTD-LTE即漏纜末端GSM900/DCS1800/TD-LTE輸出功率為11/6/

17、-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計算得出D8.43GSM9005.98DCS18003.83TD-LTE即三個系統(tǒng)GSM900/DCS1800/TD-LTE當(dāng)漏纜長度小于等于843/598/383

18、米時，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營商的多種制式信號共存，設(shè)計漏纜切割方案時，需要綜合考慮各信號的傳播特性。同時，各制式信號的切換時間不同，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)計時速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)切換時延（秒）列車時速（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)的配置來決定切換帶的劃分，該方案的優(yōu)點在于能盡量將每一

19、段漏纜切割的盡量長，減少設(shè)備的使用量，降低故障概率，同時也能減少租金。缺點在于根據(jù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵的發(fā)班頻次與乘客增多時，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，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)備之間最大距離為1353/862/732m。DCS1800與T

20、D-LTE使用的頻段均比較高，切割最大長度也相近。如果為每個系統(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，但實際上每個切割點都會帶來信號的損耗，實際上的覆蓋距離將遠(yuǎn)達(dá)不到以上計算出的最大覆蓋距離，同時POI的采購量會大量增加。因此，在實際切割時一般采用DCS1800與TD-LTE公用切割點的方式。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行，除了在車輛段外，是沒有與公網(wǎng)切換的可能。車輛段由于只能允許地鐵司機(jī)或是工

21、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，采用基站信號直接饋入漏纜進(jìn)行覆蓋；對站間距較大的隧道，則采用RRU射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)，將附近站臺的信

22、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)計方案和設(shè)計原則，本項目分析了地鐵移動通信系統(tǒng)和地鐵傳播環(huán)境的特點，結(jié)合對某市地鐵11號線的實際覆蓋場景的研究，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J.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，39(1)：109-113.4 汪穎.TD-LTE室內(nèi)覆蓋系