上海地铁移动4G精品网络优化方案

上海地铁移动4G精品网络优化方案

1,吴永伯,2罗康其,3孙刚

1上海邮电设计咨询研究院有限公司

2中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司

3中国铁塔股份有限公司上海市分公司

摘要：上海地铁移动4G业务发展快速，尤其是数据业务，在地铁初期建设的4G网络已经远不能满足移动用户的需求。为了解决上海移动初期地铁4G网络的覆盖和容量的难题，本文通过对上海移动地铁4G网络初期建设存在的问题的分析，提出了移动4G网络小区优化方案、充分利用移动频段资源、增加4G覆盖方式、小区切换优化方案，并通过实际案例进行验证。

关键词：上海地铁；移动4G；小区优化；小区切换

Shanghai metro mobile 4G quality network optimization scheme

Abstract: Shanghai metro mobile 4G business is developing rapidly,especially in the data business,the 4G network built in the early days of the subway is far from enough to meet the needs of mobile users.In order to solve the problem of the coverage and capacity of the 4G network in Shanghai mobile,this paper analyzes the existing problems in the early construction of 4G network in Shanghai mobile subway,the cell optimization of mobile 4G network,the utilization of mobile spectrum resources,the increase of 4G coverage and the optimization scheme of cell switching are proposed, and the actual cases are verified

Key words: Shanghai metro ; mobile 4G; cell optimization; cell switching

1概述

1.1引言

上海地铁的飞速发展为移动通信的发展提供了广阔的市场，而随着无线数据应用的迅猛发展和智能手机的日益普及，尽快在用户极其密集的地铁交通部署4G网络已迫在眉睫。为响应市场用户需求，上海移动正在加紧地铁地下站的4G改造工程，目前已基本实现地下站点的4G网络覆盖。

移动公司为满足市场用户的需求，在初步完成4G网络覆盖的前提下，对地铁移动4G网络覆盖质量提出了更精细化的要求，不同场景采用多种覆盖方式相结合，对已有4G网络进行优化补充，把移动4G融入到上海地铁全线覆盖中，把上海移动4G网络做成上海地铁4G覆盖的精品网络。

1.2地铁覆盖特点

（1）高峰时段业务集中

地铁作为上海的重要交通工具，承担了大量的交通客流。尤其是在上下班的高峰时段，客流量达到了顶峰，在站台区域，形成极为拥挤的情况，对移动业务的需求提出了很高的要求。

（2）列车穿透损耗大

地铁列车车体由金属组成，对信号的穿透效果有很大影响。而为了提高乘客的舒服度，列车的材质在不断的改进，隔热性能越来越高，对信号的隔离效果也越来越大，列车的车体损耗能达到20dB以上。

（3）隧道效应明显

上海地铁分地面轨道运营和地下隧道运营，地下隧道部分对外界信号屏蔽效用较强，无法接收到外部的信号，隧道内的信号相对较为纯净。

（4）集约化共建

地铁资源紧张，为了节省资源，地铁网络覆盖采用集约化共建的模式。不仅包含了移动、电信、联通三家运营商各系统的接入，同时也包含了地铁DTV的接入。

24G网络覆盖现状和存在的问题

2.1覆盖现状

目前地铁现有线路已有移动4G覆盖。地下站为集约化上下行分缆的方式覆盖，地面站为移动单建分布系统的方式覆盖。 站厅使用天线阵列的覆盖方式，隧道使用泄露电缆的覆盖方式，站台使用天线阵列和泄露电缆共存的覆盖方式。地下站站厅使用E频段覆盖，站台及隧道使用F频段覆盖。由于存在E频段对地铁CBTC系统干扰的风险，目前隧道部分无法开通E频段。

表1 上海移动地铁4G覆盖情况表

2.2存在问题

2.2.1泄露电缆频段支持问题

测试仪器：安利扫频仪（Anritsu-S332E）一台，Rainbow多频信号发生器（700MHz-2700MHz）。

测试附件：全向天线一副（增益为3dBi），跳线2根，负载2个，轮式测距仪1台。

（1）传输损耗测试

在下线口处链连接信号源，在区间中央断点处连接频谱分析仪。

图1 传输损耗测试示意图

连接完成后开启射频信号发生器(20dB输出)，并调节到相应频段发射固定功率的信号，信号馈入泄漏电缆。在地铁隧道区间泄露电缆开断点处记录频谱分析仪接收到的信号电平。

表2 传输损耗测试情况表

（2）耦合损耗测试

在原有连接基础上，开启射频信号发生器(30dB输出)，并调节到相应的频段发射固定功率的信号，信号馈入泄漏电缆。在区间内随机采样取点测试天线的接收功率，并且记录该点与信源点之间的距离。

图2 耦合损耗测试示意图

表3 耦合损耗测试情况表

测试结果表明，较早建设的线路（地铁1号线和2号线部分区段），泄露电缆不支持2.3G以上频段，即不支持移动的TD-LTE的E频段和D频段。这很大程度上限制了移动4G的扩展。

2.2.2容量问题

上海地铁作为上海的主要交通工具，贯穿了整个上海地区。根据参考信息，上海地铁8节编组的车厢，定员320，高峰超载25%算，一节车400人。如果考虑在极端拥挤的情况下，以500人进行测算。则每列车8节编组载人4000人。站台部分考虑驻留人员数为两列车的30%，则人数约为2400人。当两列车同时进站，则站台上需要覆盖的人数约为4000+4000+2400=10400人。考虑上海移动市场占有率70%，则在极端情况下，站台驻留人员数为10400人，移动用户数7280人，隧道内驻留人员数4000人，移动用户数2800人。在早晚高峰，尤其在市区，客流量集中，移动数据业务需求大，难以满足移动用户需求。

图3 上海地铁用户数及日均流量

各线路日均流量分布

根据上海移动上海地铁用户数及日均流量数据统计，其线路日均流量呈急速上升态势，至2017年6月已经超过了16000GB。从线路分布上看，地铁2号线数据业务量最为集中，日均流量达到了3700GB以上。在业务不断发展，用户不断增加的情况下，其流量需求将成指数增长。这样的数据流量，对移动网络容量无疑是巨大的挑战。在信号覆盖质量提升的同时，网络的容量成为移动网络优化的重要研究方向。

2.2.3切换问题

地铁的切换主要有站厅出入口与地面的切换、站厅与站台的切换，站台中间的切换、隧道内的切换、隧道出入口与地面出隧道的切换。一般而言，在前三种情况下的切换由于移动台速度较缓慢，切换不会存在问题。而在隧道内的切换和隧道出入口与地面出隧道的切换则情况较为复杂，此时列车时速也达到了较高的状态，对于切换需要充分考虑切换带，尤其是后者，存在收到地面临近多个宏站信号的情况。这两种情况下的切换优化一直是优化的重点。

3移动精品网络优化方案

3.1小区优化方案

（1）移动4G建设初期分区方式

考虑到移动4G在隧道内切换的成功率，4G建设初期采用的分区方式参照了TD-SCDMA的分区方式。即通过RRU设备级联的方式，隧道内多个RRU设备统一合并为1个小区，隧道区间内不作切换，仅在站台中心线作一次切换，站厅为独立分区。

图4 4G建设初期分区方式示意图

（2）小区优化方案

由前文容量问题分析中的上海移动在地铁线路中的话无数据统计情况可以看出，上海移动在地铁的4G业务的发展远远超过预期，初期的4G分区方式虽然减少了切换，但很大幅的限制了移动4G容量的扩展。为了增加移动4G话务容量，在考虑切换带设置的情况下，改变4G的分区方式，在原有小区基础上进行小区分裂，以增加4G小区分方式来提升4G话务容量。

站厅小区不分裂，站台以站台中心线为分界点，左右各分一个小区，上行隧道和下行隧道分别设置1个小区。把单侧站台以及上行隧道和下行隧道分裂成单独的小区，即原有1个小区最大化分裂为4个小区，话务容量提升了4倍,大幅减轻了站台侧堆积的数据业务压力。

图5 4G小区分裂以后的分区示意图

3.2充分利用移动频段资源

（1）利用GSM1800频段提升4G容量

地铁内移动2G覆盖使用GSM900，GSM1800频段未使用。在地下部分，由于对地面信号有着很强的屏蔽，不会收到地面GSM1800频段的信号。可利用GSM1800频段承载移动4G信号，对地铁地下部分进行4G的补充覆盖，在靠近地面的区域不接入信号，这样即增加了站台和隧道的4G容量，又不会与隧道外宏站的GSM1800信号形成干扰。

另外，原先地铁4G改造时，POI没有预留GSM1800端口，因此，POI系统需要更改替换，使支持移动GSM1800频段。

（2）隧道E频段

目前地铁站厅都开了E频段，站台隧道由于存在与地铁CBTC之间的相互干扰，仅对设备接入作了硬件的预留，暂未开通。根据对泄漏电缆支持情况的测试，部分建设较早的隧道区段的泄漏电缆不支持E频段，需要替换泄漏电缆。

北京等地区目前已经协同地铁公司对E频段与CBTC系统的干扰进行了测试，测试结果显示没有影响，因此，北京等地区已经在地铁隧道区间内开启E频段。

E频段开启地区情况

目前上海移动公司也正在与地铁公司协调，针对于CBTC之间的干扰，采用第三方进行测试，如测试结果对CBTC没有干扰，则可直接开启。而此工作与替换泄漏电缆需要大量工作量，周期较长，需要逐步完善。适合逐步对移动4G网络的锦上添花。

新增频段接入示意图

3.3增加微站的覆盖方式

（1）高架站

地铁高架站为地铁地面部分，高架站一般由地铁沿线的宏站，构成对地铁沿线的专项覆盖网络。而对于移动4G业务而言，宏站的专项覆盖虽然能解决大部分覆盖问题，但仍然存在一定的覆盖盲区，且由于宏站频段资源有限，无法解决站台高峰时段高客流量的4G容量问题。增加微站方式覆盖可有效的对宏站4G覆盖和容量进行补充。

微站设置在站台的两侧，使用设备+定向天线一体化微站设备，分别往站台中央方向覆盖。考虑到专网宏站小区在部分区域存在弱覆盖的情况，在站台两侧再设置2台设备+定向天线一体化微站设备，往出站轨行区方向覆盖，最大限度补充靠近站台的轨行区的弱覆盖。设备安装在站台两侧，对站台美观的影响几乎可以忽略。

地面站微站分区示意图

（2）地下站

地下站的信号覆盖，都为集约化共建。由于布线系统建设的较早，建设初期未考虑D频段的引入，导致地下站的布线系统、合路平台都不支持D频段。而集约化共建的建设模式，也导致了单运营商无法对系统进行改造。增加D频段的接入，需要与各运营商协调，替换原有布线系统、合路系统。从建设成本上考虑，改造原有分布系统，其成本接近新建，且在不影响运营的前提下，建设难度会成倍增长。从协调角度考虑，由于电信、联通没有增加系统的需求，协调周期会很漫长。在数据压力如此庞大的情况下，移动将会处于很被动的状态。

而微站的建设方式为移动单独建设，不仅成本上有所节省，且不存在于电信、联通的协调问题。为了尽快对地下站站台移动4G容量进行扩展，微站的建设方式将是最佳的选择。

（3）微站优势

微站建设和组网灵活，施工简便，不受集约化建设的限制；目前上海地铁集约化不支持D频段接入，扩充4G话务容量，增加D频段是必然趋势；对于地面站，布线系统很难解决临近站台轨行区的覆盖，微站解决了这一难题，对临近站台区域的宏站盲区进行补充覆盖；对于地下站，微站的建设也大幅的均衡了站厅站台的4G数据压力。

（4）龙阳路微站试点情况

M2号线龙阳路站微站扩容完成后，日上行吞吐量增益达到554%左右，下行吞吐量增益达到561%左右，且上下行业务量均有大幅度增长。从龙阳路D频段微站试点的测试结果看，D频段微站覆盖效果良好，对站台流量分担效果显著。

站台覆盖测试对比图

表 D频段微站建设前后效果对比表

3.4切换优化方案

(1)站厅出入口和地面切换

站厅出入口相应位置安装板状天线，用于控制泄露和辅助切换。由于在此处移动台的速度极为缓慢，与地面大网的切换较为平滑。假设行人速度为3米/秒，LTE切换时间约1秒，考虑重叠区域则切换区域满足6米就能保证平滑切换，一般此处均能满足切换要求。

站厅出入口和地面示意图

(2)站厅与站台切换

站厅和站台之间的切换，与站厅出入口与地面之间的切换相仿，满足6米切换距离即可，且由于是在地铁内部，信号相对更为纯净，切换较站厅出入口和地面的切换成功率更高。

站厅站台切换区域示意图

(3)站台中心线的切换

站台采用天线阵列与泄漏电缆相结合的方式覆盖。由于列车出入站台时在站台中心线位置行驶的车速最低，因此，站台区域的切换设置在站台的中心线附近，能有效提高切换成功率。假设列车在隧道中心线附近车速为25公里/小时（即约7米/秒），考虑切换时间1秒，则切换重叠区域至少需要设置14米。

站台切换示意图

(4)隧道内切换

一般地铁列车时速不会超过100公里/小时（即28米/秒），而列车在隧道内速度达到最高，考虑LTE切换时间约为1秒，则切换区距离为28米，切换重叠区域至少需要设置为56米。

隧道内切换示意图

(5)隧道出入口切换

隧道出地面以后，为宏站覆盖，而隧道口附近有可能收到多个宏站的信号，如果将切换带设置在隧道内，则出隧道以后因列车无法立刻搜寻到主控基站信号，从而造成切换失败。因此，隧道出入口与地面的切换区域应尽可能往隧道外延伸，才能有充足的时间确定室外主控基站的信号，增加切换的成功率。一般在隧道外有条件安装泄漏电缆的情况下，隧道内泄漏电缆尽可能往隧道外延伸一段距离，在没有安装泄漏电缆条件的情况下，可采用隧道口安装定向天线，往隧道外辐射的方式。

隧道出入口切换示意图

5结论

通过对上海地铁特点的分析，传统的覆盖方式不能很好的解决移动4G业务的需求。本文针对上海地铁的场景特点以及在地铁4G覆盖建设中存在的问题的分析，提出了上海移动在地铁4G网络覆盖中通过切换的设置、多种灵活的组网方式，解决上海移动地铁4G网络建设中的切换问题和容量问题，打造上海地铁移动4G精品网络覆盖。

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