4G、5G地铁覆盖方案规划与实现研究

王晨 冯雷 陈稀瑶

【摘要】    随着近些年我国移动通信技术的快速发展，移动通信技术的应用场景也更加广泛。第五代移动通信技术的成功研发和应用进一步推动了我国移动通信行业的繁荣。4G/5G通信技术协同应用于地铁站点中，能够更好的保障地铁通信质量。基于此原因，本文就从地铁通信覆盖的特征入手，对地铁内部站厅站台覆盖方案、隧道覆盖方案等进行了简单的研究，仅供参考。

【关键词】    地铁基站覆盖     4G/5G通信技术    抗干扰

引言

伴随我国移动通信事业的不断进步，“5G”时代已经来临，由“互联网”到“物联网”的推进标志着“5G”时代的开端。目前，在全球范围内，我国作为通信5G网络开发的前沿地区，在5G技术开发、基站投资以及应用开发等领域拥有国际领先地位。高速、高效的覆盖性推广5G通信网络是我国赢得世界信息战胜利的关键。随着5G通信技术广泛应用与推广，在地铁覆盖5G信号也势在必行，5G技术具备的特点适用于地铁各项业务需求，并为未来业务预留较大发展空间，为了更好统筹推进地铁应用5G通信技术，一定要从源头做好“顶层设计”，并與原有4G技术及现有分布结合，达到事半功倍的效果。

一、地铁通信覆盖特点

我国移动终端设备的人均持有量不断增长，数据业务呈几何倍数提升，过去的第四代通信技术显然已经不再具有先进性，为了提升数据传输速度、丰富应用场景，我国率先确认推广第五代移动通信技术。

早在两年前，我国三大运营商就已经开始进行5G时代的基础设施布局，在产业合作方面取得了突破性进展，目前我国部分省份已经完成了5G广度覆盖，但地铁网络的深度覆盖仍然是一个难题。

地铁建筑结构比较特殊，一般可以分成站厅站台和隧道这两个部分，覆盖难度比较大，5G频段更高，信号传输过程中衰减更大，想要在地铁站内部覆盖5G网络具有一定的困难性。具体来说，地铁覆盖特征可以分成以下几个方面来理解：

第一，地铁人流量的高峰期非常明显，在非高峰期时人流量非常小，高峰期时人流量急剧增长，这给4G/5G网络均提出了一定的挑战。

第二，无线信号在隧道区间内进行传播的时候，衰落速度非常快，同时站台门和车体也会导致一定的信号损耗。

第三，地铁具有突出的移动性，站厅站台和隧道的场景十分复杂，使4G/5G网络的稳定性受到挑战。

第四，目前地铁的通信网络一般是运营商共建共享，但是在4G/5G时代下地铁中需要最多十四个系统同时运行，很可能导致系统干扰，影响信号稳定性。

最后，地铁内部除了通信网络之外还存在地铁的专用通信系统，建设4G/5G网络的时候需要考虑如何解决这两个系统的互相干扰。

二、通信5G技术地铁覆盖同4G技术对比

目前，4G网络地铁覆盖技术已经趋于成熟，而5G通信系统同4G通信系统在覆盖本质上区别不大，但是在频段区间上有所差异，因此在规建的方式上有所不同。

2.1 频段区间差异

5G通信系统的工作频段比4G系统要高得多，因此覆盖距离会有所减短。根据各运营商使用频段，4G网络的使用频段主要为1.8G、2.1G、2.3G、2.6G;5G网络的使用频段主要为2.6G、3.5G及4.9G。

由于5G频段较高，传播衰减较大，因此在覆盖过程中，5G基站与基站之间的距离不可过远。

2.2 网络规划与建设差异

5G通信系统同4G通信系统相比，因为电磁波频率与波长的关系，所以要求5G通信网络采用密集覆盖的方式进行建设，同时在施工开通过程中应该提升基站的功率，有效保障5G通信网络在传输过程中的连贯性，建立全面、有效的5G通信系统覆盖网。

三、地铁5G网络覆盖方案分析

5G通信技术作为现代化通信技术的领跑者，其在传输速率、传输带宽及高融合性等方面都优于传统4G网络，在地铁覆盖5G信号，主要分为车站和隧道两个区域。地铁站厅站台和隧道的位置不同，信号覆盖方式必然有一定的差异，在综合考虑覆盖效果、施工资金、施工便利性等因素以后可以发现，地铁站的站厅站台、办公区域等位置比较宽敞，利用吸顶天线往往更具有合理性;而隧道内的空间一般比较小且有许多弯道，列车通过的时候几乎没有剩余空间，这显然不利于信号的有效传播，并且隧道内有施工控制“红线”，因此在选择天线的时候需要综合考虑天线的尺寸和覆盖能力。

更重要的是，列车通过时会产生巨大的风压，如果安装外挂天线很可能导致侵限等严重的安全问题，因此选用泄漏电缆或者是一体化微站设备更能适应狭窄空间。具体来说，站厅站台及隧道覆盖方案如下：

3.1 站厅、站台覆盖方案

站台站厅覆盖方面目前常用的是传统室内分布解决策略，但是这种模式下的无源器件支持频段一般在2.7GHz左右，只能支持移动5G的2.6G频段，大于3.5GHz以上的频段无法使用，5G时代的高频段、大带宽特点必然会与之冲突，厂商为了应对这个问题，早在4G时代便已推出了新型数字化室内分布系统，比如说华为的lampsite、中兴的QCELL、爱立信的Radio DOT等都在此列。新型数字化室内分布系统的优势在于结构组网简单、数字信号传播能力强、十分隐蔽且施工难度低，使用光电复合缆能很好的解决线缆损耗问题，能够在高频段下正常使用。另外其还考虑了MIMO，目前很多设备都支持2T2R，并且可以利用软件控制升级到4T4R，厂家在4G设备的基础上推出了5G多模设备，是未来4G/5G覆盖的主要解决办法。

3.2 隧道覆盖方案

3.2.1 漏缆覆盖方案

目前我国地铁隧道内4G普遍为两根泄漏同轴电缆，而在5G时代，为了达到4X4MIMO效果，地铁的每个隧道都需要敷设四根泄漏同轴电缆，三大运营商共用这四根泄漏同轴电缆。为了使信号覆盖效果最佳，电缆高度应该控制在车窗上下沿之间，安装的时候采取水平安装方式，每隔一米安装一个普通卡具，十米安装一个防火卡具。同时，上下行的泄漏电缆间距需要控制在半米以上，只有这样才能真正意义上实现4X4MIMO效果。最后，在安装泄漏同轴电缆、选定安装位置的时候，需要考虑到公网和地铁专网之间的干扰隔离问题。

3.2.2 一体化微站覆盖方案

地铁隧道内部的环境比较恶劣，列车通过时会形成巨大的风压，因此安装传统的大型天线设备并不合理，但利用一体化微站设备往往能取得理想效果，比如中兴的PADRRU、华为的BOOKRRU都是不错的选择。此类设备具有体积小、覆盖能力突出的特征，和传统的RRU比较起来更能够适应地铁隧道的覆盖要求。此类设备内部集成了天线，能更好适应隧道内部的特殊环境，安装的时候调整角度将其覆盖方向朝向隧道，保证覆盖效果的同时又不会影响到列车的正常运行。

3.3 4G/5G数字化室分建设规划

针对地铁站台4G/5G覆盖，可考虑单独建设4G/5G多模数字化室分或替换、升级原有4G数字化室分方案。4G/5G数字化系统PRRU部署布放密度，主要取决于满足边缘场强-105dBm要求的間距，若为多模设备，如2.1GHz与3.5GHz频段，在输出口功率及周围无线条件相同情况下，由于3.5G频段衰减大，应以3.5G室分覆盖链路预算为准。

5G时代，4×4 MIM0是5G室分系统建网的标准。4×4MIMO网络将会配置4个发射通道，发射的总功率相当于2天线的2倍，因此可以获得3dB的功率增益。另外，每个通道发射功率由100mW提升至250mW，将增加约7dB的发射功率。

由于5G网络频段升高，3.5G高频段空间传播损耗增加，以穿透一堵砖墙为例，穿透损耗增加约3dB。另外，由于5G高频段造成空间损耗增加、阴影衰落导致损耗增加，5G天线布点密度与2.1G双通道时布点密度相当，建议前期部署5G PRRU可按照与4G PRRU同点位1：l配置，综合考虑建筑物内部情况，结合试点测试情况进行效果验证，以持续优化4G/5G数字化室分覆盖地铁站台方案。

四、通信4G/5G技术对地铁干扰问题分析

4.1 电磁干扰的频段区分

地铁专用通信所使用的一般为低频设备，例如：沈阳地铁一号线的无线系统采用“800兆赫频段TETRA数字集群设备”，其通信线路使用小区制模式，控制中心设置单一交换机，因此在信号频段上不会与通信5G通信网络有交互，还有部分地铁使用1800兆赫、2400兆赫频段作为信号、PIDS、WLAN系统使用，但也与运营商5G频段有大间隔且物理距离较远，所以不需要担心“4G/5G”技术通信信号会对地铁通信网络有干扰。

4.2 地铁抗电磁干扰能力有效避免干扰

由于漏缆的使用以及信源基站的架设，尤其4G/5G网络建设的基站数量多、功率大，因此目前已运营地铁线路5G有使用4条漏缆的方案以作自身干扰隔离的技术方案，即原2、3、4G共用2条，5G独用2条，避免了各制式手机信号之间的干扰。

而对于对地铁系统的干扰，上述漏缆在敷设时应注意减小低频耦合的耦合量，通过强电弱电分离布置、增大电缆间距等方式进行架设，并采用物理间隔，同时依靠地铁车辆本身的电磁兼容性，可有效的避免干扰问题的产生。

五、结语

第五代移动通信技术的出现，使我国的通信技术迈入了新时代，给人们的生产生活带来了巨大的便利。但与此同时，如何在地铁这一类特殊场景下实现4G/5G覆盖，也成为了我们必须要研究的问题。随着地铁在我国交通领域中地位的进一步提升，4G/5G通信技术在地铁中的覆盖与普及迫在眉睫，地铁4G/5G系统的覆盖成为了这一项工作的重中之重，因此在建设过程中，应通过科学的计算和分析，保障4G/5G信号在地铁网络中能够全方位立体覆盖，避免出现弱覆盖现象，更应避免4G/5G信号对地铁运行的干扰和影响，使4G/5G信号覆盖在地铁场景中取得显著的经济价值和社会价值。在今后的工作中，我们仍需就本课题进行持续长远的探究，争取在不断的探索中找到更具合理性的覆盖方案。

参  考  文  献

[1]查昊，朱巧玉. 5G地铁覆盖解决方案探讨[J]. 电信快报：网络与通信，2019，000（005）：21-24.

[2]苏凤轩，赵汝桂，陈楚雄. 地铁隧道5G网络覆盖设计方案对比分析[J]. 移动信息，2020（1）：00001-00005.

[3]张旭，刘宇，崔晓蔷等. 地铁移动通信网络覆盖方案研究与实现[J]. 通讯世界，2020，027（003）：13-14.