地铁无线覆盖网络构架和关键技术研究.pdf

邮电设计技术/2015/07 收稿日期 2015-05-22 地铁无线覆盖网络构架 和关键技术研究 关键词 综合网络架构； 小区划分； 小区切换； POI； 泄漏电 缆 doi 10.16463/ki.issn1007-3043.2015.07.009 中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1007-3043 （2015） 07-0041-05 摘要 针对地铁无线网络覆盖中共建共享通信系统多、 系统间干扰损耗大、 覆盖场景 多样性、 小区间切换频繁等难点， 提出含基站、 电源、 传输3个模块的地铁无线 覆盖网络构架， 同时对各种场景下无线网络覆盖策略、 小区划分和切换策略， 以 及POI和泄漏电缆的应用等关键技术进行了深入的研究。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。该研究为后期地铁 无线网络设计提供了思路和建议。 Abstract For the difficulties existing in subway wireless network coverage, such as many sharing communication systems, high inter- system interference loss, diversity of covering scenario and frequently switching between cells, a network architecture of sub- way wireless network including base stations, power supply and transmission was proposed, and further study on the key techniques was pered, such as the strategy of covering various scenarios, the cell division, the cell switching, the applica- tion of POI and leakage cable. The application of the research results to the construction of subway route of a subway operator demonstrated that our proposed system achieves good coverage effect and it will provide feasible ideas and suggestions for the design of the later subway wireless network. Keywords Architecture of subway wireless network; Cell division; Cell switching; POI; Leakage cable 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 受地铁施工条件和投资的限制， 在地铁的网络覆 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） Zhang Tao， Yang Xin， Wu Xiaole（China Ination Technology Designing Consulting Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007， China） Study on the Architecture and Key Techniques of Subway Wireless Network Coverage 无线通信 Radio Communication 张涛， 杨新， 吴晓乐 地铁无线覆盖网络构架和关键技术研究 41 2015/07/DTPT 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 32.420lgd20lgf， 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。 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 图1地铁无线覆盖综合网络构架 系统 参考频率/MHz 室内吸顶天线增益/dB 覆盖距离/m 传播损耗/dB 人体阻挡/dB 墙体或屏蔽门阻挡/dB 系统余量及快衰落余量/dB 边缘场强/dBm 天线最小入口功率/dBm CDMA 880 2.1 15 54.8 5 12 3 -80 -7.3 GSM 960 2.1 15 55.6 5 12 3 -80 -6.5 TD-SCDMA 2 370 2.1 15 63.4 5 12 3 -80 1.3 WCDMA 2 145 2.1 15 62.6 5 12 3 -80 0.5 表1站厅、 站台各种频段下天线入口最小功率需求 RRU 天线泄露电缆 馈线 光缆电源线 光纤配线盒 分合 路器 上行 下行 区间隧道 站台/站厅 BBU 联通 电信 移动 开关 电源 POI ODF 直流远 供远端 机房1 机房2 BBU BBU RRU RRU BBU 联通 电信 移动 开关 电源 POI ODF 直流远 供远端 BBU BBU BRD BRD BRD 上行 下行 直流远供远端 RRU RRU RRU 无线通信 Radio Communication 张涛， 杨新， 吴晓乐 地铁无线覆盖网络构架和关键技术研究 42 邮电设计技术/2015/07 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600650 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 2001 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 项目 设备功率/dBm 功分器损耗/dB 合路器及连接电缆损耗/dB 泄漏电缆入口功率/dBm 泄漏电缆百米传输损耗/dB 泄漏电缆2 m处耦合损耗/dB 4 m处衰减因子 （20lgd） /dB 车体阻挡人体阻挡/dB 工程余量/dB 覆盖边缘场强/dBm 单边最远覆盖距离/m 有源设备两边覆盖距离/m 公式 a b c da-b-c e f g h i j k-100 （j-dfghi） /e l2k CDMA 33 3.5 2 27.5 2.1 70 6 12 3 -85 1 024 2 048 GSM 30 3.5 2 24.5 2.25 71 6 12 3 -85 778 1 556 WCDMA 33 3.5 3 26.5 4.9 66 6 12 3 -85 500 1 000 TD-SCDMA （F/A） 30 3.5 2 24.5 4.3 67 6 12 3 -85 500 1 000 TD-SCDMA （E） 30 3.5 2 24.5 5.5 65 6 12 3 -85 427 855 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 6 频 分 合 路 器 WCDMA CDMA2000 TD （E） TD （F/A） CDMA800 GSM 6 频 分 合 路 器 6 频 分 合 路 器 WCDMA CDMA2000 TD （E） TD （F/A） 6 频 分 合 路 器 6 频 分 合 路 器 WCDMA CDMA2000 TD （E） TD （F/A） CDMA800 GSM 6 频 分 合 路 器 600 m600 m 6 频 分 合 路 器 WCDMA CDMA2000 TD （E） TD （F/A） CDMA800 GSM 6 频 分 合 路 器 6 频 分 合 路 器 WCDMA CDMA2000 TD （E） TD （F/A） 6 频 分 合 路 器 6 频 分 合 路 器 WCDMA CDMA2000 TD （E） TD （F/A） CDMA800 GSM 6 频 分 合 路 器 600 m600 m 无线通信 Radio Communication 张涛， 杨新， 吴晓乐 地铁无线覆盖网络构架和关键技术研究 43 2015/07/DTPT 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。 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61.59 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。 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 LAC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。 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24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 POI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78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 POI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 8002 700 MHz） 、 插入损耗 （一般要求小于或等于56 dB） 、 端口隔离度 （一般要求大于或等于4090 dB） 、 带 外抑制 （一般要求大于或等于4090 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 对比项目 LAC区边界 位置更新时 长 用户位置更 新次数 方式一 LAC区边界在地铁出入口 步行速度慢， 位置更新时 间充裕 进入宏站区域进行位置 更新 方式二 LAC区边界在地铁线路中 列车行驶速度快， 位置更新 时间短 室外宏站LAC变化时进行 位置更新 表4不同LAC区划分方式对比 通信制式 GSM CDMA WCDMA TD-SCDMA 切换类型 硬切换 软切换 软切换 接力切换 切换时间/s ≤6 ≤1 ≤2 ≤2 列车速度/ （km/h） 80 单向切换距离要 求/m 134 23 45 45 表3区间隧道内各种制式切换距离 无线通信 Radio Communication 张涛， 杨新， 吴晓乐 地铁无线覆盖网络构架和关键技术研究 44 邮电设计技术/2015/07 耗。传输损耗为泄漏电缆每千米传输所损耗的功率， 一般在2070 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6070 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。 参考文献 ［1］ 张长钢， 孙保红， 李猛， 等. 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