地铁移动通信无线网络建设研究

黄艳福 ，戚喜成 ，姚赛彬 ，高修远 （.中讯邮电咨询设计院有限公司，上海00050；.中国联通上海分公司，上海00080）

1 地铁无线覆盖技术要点

1.1 地铁无线覆盖的特点及思路

1.1.1 地铁无线覆盖的特点

地铁无线覆盖分为地上和地下2个部分。地上部分通常指地面站和高架站，一般都是由室外的宏站进行网络覆盖，有些运营商会在一些话务量高的地面站和高架站建设街道站或分布系统天线阵来吸收话务量。地下部分指地铁的地下站，通常所说的地铁无线覆盖都是指地下部分。

与室外宏站、普通楼宇的覆盖方式相比，地铁无线覆盖有如下特点。

a）地铁站由站厅层、站台层、隧道区间3个部分组成，覆盖场景复杂。

b）地铁人流量在高峰与闲时有巨大差异，高峰的瞬时话务量高。

c）地铁一般采用多运营商合建的覆盖系统，系统间干扰大，工程复杂度较高。

d）地下部分基本都是信号盲区，无室外信号可用。

e）隧道长度不固定，因此建设方案也不尽相同。

1.1.2 地铁无线覆盖方式

地铁无线覆盖的方式通常有以下几种。

a）各运营商分别建设一套自己的分布系统来进行无线覆盖。

b）各运营商共建一套分布系统，满足全部的无线系统接入。

c）由第三方建设分布系统，各电信及传媒运营商根据自己需要来租用。

目前主流的建设方式是由第三方建设集约化的分布系统，各运营商根据自己需要租用的方式。集约化建设方式示意图如图1所示。

1.1.3 地铁无线覆盖思路

a）考虑地铁隧道空间受限，以及从节约成本的角度出发，设计时各运营商共用1套分布系统。

b）在地铁隧道无线覆盖设计时，尽量设计为纯无源系统。在隧道区间增加有源设备后，系统稳定性差，地铁运营后，隧道区间的维护检修时间比较短，应急处理能力差。

c）多运营商的合路覆盖，会造成各系统间的干扰，通过分布系统的收发分缆，以及引入多系统合路平台（POI），抑制系统间的干扰、提高相互间的隔离度。

d）为保证各地铁站通信的稳定性，建议各站设置独立的微蜂窝系统，尽量避免光纤直放站拉远的建设方式。

e）根据已开通地铁站的使用情况，地铁机房位置及面积应规划得更加合理，机房尽量安排在站台上，并为以后基站扩容预留一定的机房面积。

1.2 网络接入需求

图1 集约化建设方式示意图

公共接入系统主要指电信及传媒运营商在地铁中能正常给用户提供业务所需要接入的网络，目前主要是移动通信网及数字电视等。

早期的地铁覆盖只有各运营商建设的2G网路，随着3G的正式商用，各运营商在地铁无线覆盖中均要求实现2G、3G网络覆盖。表1示出的是地铁无线覆盖接入系统及频率汇总。

由于GSM900M的线路损耗比GSM1800M要小很多，因此地铁无线覆盖时运营商不会采用GSM1800M接入系统，当然设计时可以为GSM1800M留有信源接入端口。

1.3 地铁公共无线系统间的干扰分析

随着各运营商3G网络建设的日益完善，对于地铁无线覆盖而言，将面临多系统制式共存的问题，如何解决好多制式间在无线频带内的相互干扰，是目前关注的焦点。

通常主要存在的干扰有阻塞干扰、杂散干扰和互调干扰。

在无多系统合路覆盖中，互调干扰和杂散干扰对系统的正常工作危害最大，解决此类干扰的根本方法是提高系统间的抑制比或隔离度，在工程设计中一般可采用如下解决方法。

表1 地铁无线覆盖接入系统及频率汇总

a）地铁站厅、站台、隧道区间的分布系统采用上下行收发分缆的方式提高下行信号与上行信号的隔离度（包括空间耦合隔离度和上下行的链路损耗）。

b）选取具有较高互调抑制度的器件，如多系统合路平台。

c）在隧道区间内有源设备馈入点增加带外抑制比大的合路器。

2 地铁无线覆盖解决方案

2.1 新建分布系统的设计思路

地铁站一般是由站厅层、站台层、双向隧道区间组成。站厅设有乘客进出的通道、扶梯、进出检票闸机、地铁管控中心。站台是乘客候车、上下车的区域。地铁站站台结构有岛式站和侧式站之分。岛式站的站台在中间，轨道在两侧；侧式站的轨道在中间，站台在两侧。

地铁站厅、站台、隧道区间的分布系统设计思路：a）隧道区间采用泄漏电缆进行覆盖。

b）岛式站的站台层采用天线阵和泄漏电缆相结合的方式进行覆盖。

c）侧式站的站台层采用天线阵进行覆盖。

d）站厅层及出入口通道和设备层采用天线阵进行覆盖。

e）换乘站的换乘通道使用天线阵进行覆盖。

2.1.1 地铁站厅的无线覆盖设计

地铁的站厅一般比较空旷，面积为3 000~6 000 m2，人流比较密集，但移动速度比较慢，站厅的无线覆盖可以采用常规楼宇的天线阵来进行，一般站厅只需要1套POI设备即可满足覆盖需求。

自由空间传播损耗计算公式为

式中：

Ls——电磁波在自由空间传播时的传输损耗（dB）

d——传输距离（m）

f——电波频率（Hz）

c——光速（m/s），c=3×108m/s

上式的对数表示式为

表2示出的是各系统空间链路损耗。

表2 各系统空间链路损耗

天线点位间距一般为20~30 m，半径为10~15 m，建议采用多天线小功率来覆盖站厅，考虑到人流密度、系统储备余量，根据工程经验建议天线半径为10 m左右。

从表3可知，设计时天线入口功率均有较大余量，各系统无线信号可以进行无缝覆盖。站厅分布系统设计时，需综合考虑室内外切换、站厅与站台层的切换，以确保用户从室外进出站厅、从站厅进出站台层时通话信号的平稳切换。

表3 各系统边缘场强以及设计余量

2.1.2 站台设计

一般地下站岛式站比较普遍，高架站侧式站偏多，但地铁的换乘、地质的结构、车站出入口位置的选择均会影响到地铁站台的设计方式。

侧式站的站台层通常采用天线阵进行覆盖，而岛式站的站台层常采用天线阵和泄漏电缆相结合的方式进行覆盖。泄漏电缆从站台侧壁中轴线附近开始向两侧敷设，各运营商的基站信源在通信机房内接入POI，各信号经过POI合路后通过馈线跳接到泄漏电缆上，进行隧道区间无线覆盖，在跳接之前一般耦合一路信号来覆盖站台的天线点阵，因此，站台和隧道区间均在同一个小区内。表4示出的是站台各系统边缘场强以及设计余量。

2.1.3 隧道区间的覆盖设计

隧道区间的无线覆盖都是通过泄漏电缆来进行的，目前主要使用的泄漏电缆是安弗施和安德鲁2家国外厂商的1-5/8″泄漏电缆，国内生产泄漏电缆的厂商有亨鑫和汉通。现以安德鲁RCT7-CPUS-3A-AX型泄漏电缆为例，计算各系统在隧道内的覆盖距离（见表5）。

通过计算可以得出：2站隧道区间距离在1 500 m时，CDMA网、GSM网都可以良好地覆盖隧道区间，达到边缘场强-85 dB的设计指标，只有超过1 500 m才需要在隧道区间增加2G有源设备来增强覆盖信号。但从链路计算中得出：各家运营商从基站输出的3G信号在泄漏电缆上输出310 m后就无法覆盖隧道了，必须在隧道区间内断开泄漏电缆来增加有源设备。

表4 站台各系统边缘场强以及设计余量

表5 各系统隧道区间覆盖范围计算表

由图2和图3可以看到，为了兼顾2G、3G以及WLAN各系统的覆盖需求，2个地铁站之间每隔500~600 m就需要断开一次，增加有源设备馈入点。表6示出的是目前各地地铁建设的实际情况。

表6 隧道开断次数建议表

此外，断点的数量与机房内POI设备的插损以及机房至隧道泄漏电缆间的馈线长度有很大关系。

2.2 现有集约化分布系统的3G改造

鉴于部分地铁建设之初已做过了2G网络的无线覆盖，随着3G发展的迫切需求，现今需要对已有的分布系统进行改造，支持各运营商3G网络的接入。

2.2.1 站厅、站台使用的合路器

地铁通信机房内使用合路器主要是考虑到3G信号经过POI设备后插损过大，只让CDMA、GSM进入POI设备，而各运营商的3G信号跳过POI，在POI后级增加多频段合路器，把各自的3G信号合路在分布系统中。一般后级合路器插损可以控制在2 dB以内，明显低于POI的6 dB插损。

对于3G网络的站厅、站台覆盖可以考虑在已有POI设备后级增加合路点进行改造（见图4和图5）。

覆盖站厅层、站台层的上行合路器信号一致，下行合路器略有区别，考虑到地铁隧道区间需要有数字电视信号，因此，站台层的下行合路器需要有DTV端口，站厅层的下行合路器就无需DTV端口了。

2.2.2 隧道区间使用的合路器

由于机房内的各系统的信号经过POI设备输出后，覆盖隧道区间的范围都有限，需要在隧道内开断增加有源设备来延伸覆盖，在隧道区间内再增加POI设备显然不合适，隧道空间有限，也不便维护，因此选用一些可以替代这些POI设备的合路器是最佳的选择。

由于各运营商的接入端口需求不同，造成合路器的端口数目不同，目前上海地铁中需要的隧道区间合路器主要分为6种（见表7）。

由于有了这些灵活多变的合路器，解决了许多临时新增系统的接入，杜绝了重复建设，节省了投资。

在灵活使用合路器时，需要注意如下事项。

a）尽量选择插损小而带外抑制比大的合路器。

图2 隧道区间开断一处示意图

图3 隧道区间开断两处示意图

图4 POI上行原理图

图5 下行POI原理图

表7 隧道区间多频段合路器

b）合路器的带内波动、驻波比、功率容量、三阶互调等重要指标应符合设计要求。

c）隧道区间环境条件差，不利检修，设备需满足IP65标准。

合路器指标越高，投资成本也越大，成本的制约是合路器指标设计需要重点考虑的环节。

隧道区间的覆盖方式通常是断开泄漏电缆，增加多频段合路器，因此提供3G信源接入点，即可达到3G改造要求。

2.3 分区方式

目前各运营商基本都能满足地铁乘客对网络的容量需求，但网络的质量有待提高。因此，各站需要有独立的微蜂窝配置，并且考虑到以后的扩容和维护的便利，参考上海已运营的多条线路的分区配置经验，可采用表8所示的分区方式。

表8 地铁站分区表

3 结束语

本文对地铁无线覆盖技术、设计思路进行了分析和总结，主要包含地铁无线覆盖特点、接入系统及设计指标、系统间的干扰分析、2G/3G地铁无线覆盖方式、分区方式以及后期问题改进与新技术展望。由于地铁建设在我国正如火如荼地展开，对于地铁的无线覆盖建设，希望本文能为广大电信工程技术人员提供参考和借鉴，同时本文总结的一些工程实施问题和经验，也希望能为其他类似的工程设计提供前车之鉴，避免走弯路。

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