一种地铁移动通信系统覆盖的解决方案

2015．09．23 中国移动通信集团设计院有限公司

第二十一届新技术论坛

一种地铁移动通信系统覆盖的解决方案

中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司周彪傅子维

【摘要】：现代都市规模的不断扩大、城市轨道交通的快速发展，使地铁客流量大幅增加。与此同时，人们对地铁中进行高质量通信服务的需求也日益强烈。本文以某市地铁11号线移动通信信号覆盖为设计目标，通过对地铁站台、隧道等场景特点的详细分析，并结合2G与TD-LTE技术特点，探索新的地铁移动通信系统覆盖的解决方案，对未来移动通信系统在地铁、隧道等场景的覆盖解决方案具有一定的借鉴意义。

【关键词】：地铁，TD-LTE，移动通信系统，信号覆盖

A Solution of Mobile Communication System Coverage for Metro

Biao Zhou, Ziwei Fu

China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Guangdong Branch

Abstract: The constant expansion of the modern city and the rapid development of urban rail transit make subway traffic increase significantly. 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 city’s Metro Line 11 mobile communication signal coverage for example. Through a detailed analysis of the characteristics of the scene subway stations, 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 communication system, signal coverage

1项目背景

随着移动互联网在中国的飞速发展，移动数据流量呈现爆炸式的增长，三大运营商纷纷加大对移动宽带网络发展的投入，并逐渐把经营模式从传统的语音经营转换到流量经营上。而TD-LTE[1]作为中国移动的主推的4G技术，拥有高峰值数据速率、高小区边缘速率、高频谱利用率等特点[2]，是中国移动四网协同发展的重要组成部分。因此，大力推进TD-LTE技术的发展，是中国移动面向未来实现可持续发展的重要战略举措，而打造TD-LTE精品网络对中国移动保持市场领先具有重大意义。

2地铁移动通信系统概述

2.1某市地铁11号线基本情况

某市地铁11号线南起福田，北至碧头，共18个站，全长51公里。该市11号线是整个城市的核心区与西部滨海地区的组团快线，同时身兼机场快线和城际轨道线路的双重任务。

图1某市地铁11号线全景

2.2地铁传播环境分析

一直以来，地铁场景都是运营商网络覆盖的重点和难点。人流密集、业务量大、通信服务质量要求高等特点，使地铁对TD-LTE网络全覆盖有较高要求。目前，某市大部分地铁站及线路都在地下，室外信号无法直接覆盖，所以必须建立室内分布系统，以保证地铁里的信号覆盖[3]。同时，地铁隧道狭长，当列车经过时，被列车填充后所剩余的空间很小，车体对于信号阻挡较为严重，所以必须采用沿隧道横截面的覆盖方式，以保证地铁里的信号质量。

隧道的长度对整个地铁室内分布系统的规划和建设有至关重要的影响[4]。某市地铁11号线站间距离有较大差异，整体平均站距离为2~3km，最长的有7km左右。某市地铁11号线拥有上行车行方向和下行车行方向的两条轨道，上下行轨道之间有隧道壁隔离，每个方向各布设两条泄漏电缆对应上下行信号。泄漏电缆架设在隧道的弱电侧。

2.3地铁移动通信系统现状

某市地铁11号线内现有分布系统是一个多运营商通过柜式POI接入天馈系统的复杂分布系统。天馈系统上下行分离，上下行均使用独立POI接入。站台站厅使用全向吸顶天线覆盖。隧道内使用13/8″泄漏电缆覆盖。某市移动TD-LTE系统使用BBU+RRU的形式建设，使用E频段开通。

3TD-LTE室内覆盖系统设计要求

3.1设计原则

（1）TD-LTE室内分布系统的建设应综合考虑业务需求、网络性能、改造难度、投资成本等因素，体现TD-LTE的性能特点并保证网络质量，且不影响现网系统的安全性和稳定性。

（2）室内分布系统使用双路建设方式能充分体现MIMO上下行容量增益。

对于新增室内覆盖的楼宇建设双路室分系统，对于已建设室内分布系统的楼宇优先采用单路室分系统改造，当不能满足业务需求时改造双路室分系统。

（3）TD-LTE室内分布系统建设应综合考虑GSM（DCS）、TD-SCDMA、WLAN和TD-LTE共用的需求，并按照相关要求促进室内分布系统的共建共享。多系统共存时系统间隔离度应满足要求，避免系统间的相互干扰。

（4）TD-LTE室内分布系统建设应坚持室内外协同覆盖的原则，控制好室内分布系统的信号外泄。

（5）TD-LTE室内分布系统建设应保证扩容的便利性，尽量做到在不改变分布系统架构的情况下，通过小区分裂、增加载波、空分复用等方式快速扩容，满足业务需求。

（6）TD-LTE室内分布系统原则上使用E频段组网，与室外宏基站采用异频组网方式，在无法进行E频段改造的场景可以使用F频段组网。室内小区间可以根据场景特点采用同频或异频组网。

（7）TD-LTE与TD-SCDMA(E频段)共存时，应通过上下行子帧/时隙对齐方式规避系统间干扰。

（8）TD-LTE室内分布系统应按照“多天线、小功率”的原则进行建设，电磁辐射必须满足国家和通信行业相关标准。

3.2设计指标

（1）覆盖指标

数据业务热点区域室内有效覆盖指标：在建设有室内分布系统的室内目标覆盖区域内公共参考信号接收功率（RSRP）≥-105dBm且RS-SINR ≥6dB的概率达到95％。营业厅（旗舰店）、会议室、重要办公区等业务需求高的区域要建设双路室分系统。目标覆盖区域内公共参考信号接收功率RSRP ≥-95dBm且公共参考信号信干噪比RS-SINR ≥9dB的概率达到95%。

（2）室内分布系统信号的外泄要求

室内覆盖信号应尽可能少地泄漏到室外，要求室外10米处应满足RSRP≤-110dBm或室内小区外泄的RSRP比室外主小区RSRP低10dB（当建筑物距离道路不足10米时，以道路靠建筑一侧作为参考点）。

3.3站型配置

室内覆盖系统原则上单小区配置为O1，载波带宽为20MHz。对于单小区无法满足覆盖及容量需求的场景，可以配置多个小区。

3.4工作频段

根据国家相关部门批复的频率资源及TD-SCDMA网络频率使用情况，TD-LTE工作频段建议为：

（1）F频段：1880-1900MHz，覆盖室外，在特殊需求的场景可用于室内，主要用于广州、深圳和杭州；

（2）D频段：2575－2615MHz，覆盖室外，主要用于除广州、深圳和杭州外的其他城市；

（3）E频段：2330-2370MHz，覆盖室内，全部城市均使用。

4地铁隧道漏缆切割方案设计

4.1链路预算

地铁分布系统组网有两种方式：前合路与后合路。后合路主要应用在现有分布系统改造上，由于加入了一级合路器，损耗增加，因此覆盖范围会减小。后合路主要应用在新建分布系统一级通过前合路方式改造不能达标的情况。

图2后合路

图3前合路

根据上图中可以看出，射频单元输出的信号主要有两种不同的衰减路径到达泄漏电缆，因此，链路预算需要分别计算这两种场景。

（1）场景一：覆盖站台与靠近站台的隧道。信号由射频单元输出后，经过耦合器，耦合端信号覆盖站台，直通端信号馈入泄漏电缆。

计算前提：以距漏缆5米处的边缘场强GSM900/DCS1800/TD-LTE不小于-85/-85/-105dBm为前提GSM900/DCS1800/TD-LTE边缘场强要求大于：-85/-85/-105dBm

人车体损耗（典型值）：15dB

宽度因子及环境综合损耗：8dB

95%覆盖率下距离漏缆5米处GSM900/DCS1800/TD-LTE最小耦合损耗分别为73/68/66dB

POI损耗：7dB

GSM900/DCS1800/TD-LTE100米线损：2.33/4.1/5.39dB

零星损耗3dB

功分器损耗：3.3dB

耦合器插损：1.8dB

假设1：泄漏电缆末端输出的功率为P时边缘场强正好达标，那么有如下的方程式成立：

计算得到

即漏缆末端GSM900/DCS1800/TD-LTE输出功率为11/6/-13dBm，则能满足地铁列车车厢内的覆盖要求。

假设2：泄漏电缆长度为D。GSM900/DCS1800/TD-LTE系统的输出功率为41/41/15.2 dBm，POI 损耗7dB，漏缆百米线损2.33/4.1/5.39 dB，零星损耗约3dB，功分损耗3.3dB，耦合器插损1.8dB。泄露电缆的覆盖距离有如下等式成立：

计算得出

即三个系统GSM900/DCS1800/TD-LTE当漏缆长度小于等于463/337/167米时，覆盖区域内的边

缘场强均能达标。

（2）场景二：覆盖隧道。信号由射频单元输出后，直接经过POI馈入泄漏电缆。

计算前提：以距漏缆5米处的边缘场强GSM900/DCS1800/TD-LTE不小于-85/-85/-105dBm为前提GSM900/DCS1800/TD-LTE边缘场强要求大于：-85/-85/-105dBm

人车体损耗（典型值）：15dB

宽度因子及环境综合损耗：8dB

95%覆盖率下距离漏缆5米处GSM900/DCS1800/TD-LTE最小耦合损耗分别为73/68/66dB

POI损耗：7dB

GSM900/DCS1800/TD-LTE 100米线损：2.33/4.1/5.39dB

零星损耗3dB

假设1：泄漏电缆末端输出的功率为P时边缘场强正好达标，那么有如下的方程式成立：

计算得到

即漏缆末端GSM900/DCS1800/TD-LTE输出功率为11/6/-13dBm，则能满足地铁列车车厢内的覆盖要求。

假设2：泄漏电缆长度为D。GSM900/DCS1800/TD-LTE系统的输出功率为41/41/15.2 dBm，POI 损耗7dB，漏缆百米线损2.33/4.1/5.39 dB，零星损耗约3dB。泄露电缆的覆盖距离有如下等式成立：

计算得出

即三个系统GSM900/DCS1800/TD-LTE当漏缆长度小于等于843/598/383米时，覆盖区域内的边缘场强均能达标。

4.2切割原则

地铁漏缆中有多家运营商的多种制式信号共存，设计漏缆切割方案时，需要综合考虑各信号的传播特性。同时，各制式信号的切换时间不同，方案中必须考虑各制式信号的合理组网问题。

某市地铁11号线设计时速120km/h，速度超出普通地铁50%，由此带来2G和LTE的切换带设计值均要提高50%。根据各系统的特性，切换区间长度如表1所示。

表1 多系统切换距离预算表

序号系统

切换时延

（秒）列车时速

（km/h）

切换区

（m）

最

小

最

大

1GSM/DCS10120333

2TD-LTE112033地铁漏缆切割中，需要根据小区的配置来决定切换带的划分，该方案的优点在于能尽量将每一段漏缆切割的尽量长，减少设备的使用量，降低故障概率，同时也能减少租金。缺点在于根据经济的发展，地铁的发班频次与乘客增多时，由于漏缆已铺设，无法新增切换带，当出现小区容量不够时，无法通过增加新的小区来扩充容量。因此，在本方案设计中，通过在任何两台POI之间为需要的系统保留切换带，以备后期分裂新的小区。

综合4.1与表1的要求，为方便后期扩容的原则，组网时将任意相邻两台RRU/RRUS之间均保留切换区间，因此，GSM900/DCS1800/TD-LTE在靠近站台的隧道内两台设备之间最大距离为973/602/517m，在隧道内，两台相邻的设备之间最大距离为1353/862/732m。

DCS1800与TD-LTE使用的频段均比较高，切割最大长度也相近。如果为每个系统都做最大距离切割，理论上能够减少设备的使用数量，但实际上每个切割点都会带来信号的损耗，实际上的覆盖距离将远达不到以上计算出的最大覆盖距离，同时POI的采购量会大量增加。因此，在实际切割时一般采用DCS1800与TD-LTE公用切割点的方式。

4.3切割方案

根据4.2节中确认的最大切割距离及原则，结合某市地铁11号线里程表，隧道内的漏缆切割方案如附录所列（部分）。

地铁中除了考虑隧道内及站台间的切换，还要考虑是否存在与公网切换的可能。常规的地铁由于始终在地下运行，除了在车辆段外，是没有与公网切换的可能。车辆段由于只能允许地铁司机或是工作人员通行，话务量太低，一般不考虑覆盖。唯一一种情况便是车辆在部分路段在高架桥上运行，在该种情况下，需要在隧道出入口处设置外放天线，保证车辆进出隧道时不产生掉话。下图为11号线中隧道进出口的覆盖方案：

图4地铁11号线隧道口覆盖方案

5总结

在地铁覆盖中，TD-LTE无线覆盖使用多系统接入平台（POI）及泄漏电缆、射频电缆、功分器、耦合器、电桥、合路器和天线等组成的信号分布系统。地铁上、下行区别隧道采用泄漏电缆覆盖，地下车站及出入口通道通过天线阵覆盖。而在隧道内，在站间距较短泄漏电缆的传输距离满足要求时，采用基站信号直接馈入漏缆进行覆盖；对站间距较大的隧道，则采用RRU射频拉远技术，将附近站台的信源信号，拉远到隧道中间，再通过多系统合路器，从两侧接入到漏缆中。

依据以上基本设计方案和设计原则，本项目分析了地铁移动通信系统和地铁传播环境的特点，结合对某市地铁11号线的实际覆盖场景的研究，形成了新的完整的TD-LTE系统地铁覆盖解决方案。该方案用于指导实际网络的建设，取得了良好成果，对以后TD-LTE 在地铁、隧道等场景的覆盖具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 沈嘉，索世强，全海洋，等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电

出版社，2008.

[2] 王映文，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3] 张玉华，彭宏，郑冕，等.基于GSM射频拉远系统的CIC滤波器的设计[J].浙江工业大学学报，

2012，39(1)：109-113.

[4] 汪颖.TD-LTE室内覆盖系统规划思路和建设方案[R].北京：中国移动通信集团设计院，2012.

附录

YDK8+5

高

频切割

点

3………………………………

作者简介

傅子维：工程师，2014年毕业于华南理工大学通信与信息系统专业，工学硕士，现于中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司工作。

周彪：工程师，2014年毕业于北京邮电大学通信与系统专业，工学硕士，现于中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司工作。