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1、基于现有分布系统的基于现有分布系统的 TD-SCDMA 地铁覆盖增强方案研究地铁覆盖增强方案研究阴启明，许剑萍，孟 忻 （中国移动通信集团上海有限公司 上海 200060）摘要 本文针对 TD-SCDMA 技术在地下轨道交通环境下的业务弱覆盖问题，通过引 入多址单小区、多通道功率合路等网络设计和设备改造方面的创新技术，充分发挥了现有 室内分布系统的潜力，显著提高了地铁隧道内业务覆盖距离。 关键词 TD-SCDMA；多系统合路平台；地铁；室内分布系统；多通道合路；多址单 小区1 背景 地铁环境作为室内覆盖特殊环境之一，具有 TD-SCDMA（简称 TD）业务无缝覆盖需 求。然而，TD 技术特征决
2、定了简单沿用原有 2G 地铁室内覆盖系统很难满足 TD 的覆盖要 求，以上海为例，就有近 50%的地铁站点甚至无法完成隧道内语音业务的连续覆盖。 如果按常规设计方法对 TD 地铁覆盖进行改建，不得不对运营中的地铁站进行大规模 缆线改造，或者在隧道内添加有源的功率放大设备。缆线改造的投资成本很高，工程量大， 周期长；隧道内引入有源设备不利于日常维护和应急检修，排障时间很难保证。 由于业界还未专门在地铁实际环境下对 TD 系统的传播特性和覆盖能力进行过系统性、 规模化的测试论证，而仅停留在系统仿真和 2G 系统经验化设计阶段，因此本研究旨在基 于地铁实际环境，切合 TD 技术特点，寻求创新的 TD
3、 覆盖增强方法。 2 方案设计 2.1 现有分布系统构成 当前地铁车站均设有独立通信机房。机房内采用多系统合路平台（POI） ，将各家运营 商基站信号合路后，分上、下行（Tx 和 Rx）两路信号分配到站厅和隧道。站厅一般使用 室内全向天线覆盖（也有采用泄漏电缆覆盖车站间的换乘通道的情况） ，隧道则采用泄漏电 缆覆盖。 地铁车站拥有上行车行方向和下行车行方向的两条轨道，每个方向各布设两条泄漏电 缆对应上下行信号，如图 1 所示。隧道内走线，强电和弱电左右各走一侧，具有严格区分， 泄漏电缆架设在弱电侧。对于不同的车站，其与相邻车站的隧道区间长度具有较大差异。目前国内典型城市的 平均站距为 1.31
4、.4 km，长隧道（如横跨江隧道）则超过 2 km。 2.2 TD 弱覆盖问题定位 从技术角度分析，造成 TD 地铁环境弱覆盖的原因有： TD 信号源发射功率较 2G 系统小，有近 10 dB 的功率落差； TD 在泄漏电缆和射频电缆上的传输损耗较 2G 系统大，差值在 2.5 dB/100 m 左右； TD 智能天线技术无法在室内使用，使得其抗干扰能力将大幅下降。 从非技术角度分析，该环境下不利于 TD 业务覆盖的因素包括： 覆盖距离要求高，地下站平均站距为 1.32 km； 地铁隧道区间内日常维护受限，不宜安装有源设备； 旧地铁站使用的电缆陈旧，损耗较大； 旧地铁站工程改造难度高，工程量大
5、，时间紧； 地铁忙时人流量高，乘客密度大。 地铁站厅属于普通室内环境，现有分布系统能够满足覆盖要求，不是本文讨论的重点。 本文重点关注隧道区间内 TD 基本业务无法连续覆盖的问题，在尽量减小对现有分布系统 影响的前提下，寻求新的技术手段和方案。 2.3 多系统合路方式 新建的 TD 网络必须与现有网络共分布系统。结合地铁分布系统现状，目前可行的多 系统合路方法包括以下几种。 （1）前端合路方式 TD 信号经过环行器和单向器的收发分路后直接进入 POI，利用 POI 的输出端与射频 电缆相连，合路部分在 POI 内完成，如图 2（a）所示。（2） 后端合路分缆方式 TD 信号经过环行器和单向器的
6、收发分路后，在 POI 的后端通过滤波器与 POI 输出信 号合路，如图 2（b）所示。 （3） 后端合路合缆方式 TD 信号不经过上下行信号分离，直接在 POI 的后端通过滤波器与 POI Tx 输出信号或 Rx 输入信号合路，如图 2（c）所示。（4） 后端多通道方式 利用 TD 智能天线的多通道特性，将多路输出通过后端合路的方式合入 Tx 和 Rx 两条 泄漏电缆，以达到增强信号的目的，如图 2（d）所示。该方式可以选择采用上下行合缆或 分缆。 将以上多系统合路方式的优缺点进行比较，见表 1。因此，应依据现场环境条件，优先采用后端上行合缆方式，其次考虑采用后端分缆方 式和后端下行合缆方式
7、。多通道方式作为信号补偿的可选方式，可根据实际站间距需求选 择采用。 2.4 隧道内切换区要求 隧道一般以中心为界，分为不同小区，因此隧道内存在小区间的切换过程，且此时列 车通常运行在最高速度。为满足切换的时延需求，应预留足够的重叠覆盖区。 重叠区长度主要由切换时延及触发条件时延组成。切换时延由测量周期、迟滞时间、 切换执行时间组成。 测量周期：根据规范 3GPP TS25.123 规定，异频测量周期是 480 ms。 迟滞时间：6401 280 ms（可调） 。 切换执行时间：0.51 s。 因此总的切换时延约为 1.53 s。按地铁目前峰值车速 60 km/h 计算，切换时延将形成 255
8、0 m 的切换距离。 2a 事件触发异频接力切换门限一般设为 3 dB。以泄漏电缆5 dB/100 m 损耗计算，为 形成3 dB 电平落差需要 60 m 的切换距离。综合切换时延及触发条件时延所需的重叠区 要求，隧道内理论上至少设置 110 m 的切换带，如图 3 所示。隧道内的实测证明 AMR 12.2 kbit/s、CS 64 kbit/s 业务的最大切换带在 120 m 以内。 实际情况下，由于快衰落的作用，当两小区电平相当时很容易触发 2a 事件，且地铁峰 值速度持续时间很短，低于测试中的 60 km/h 车速，因此，为满足切换要求而预留的重叠 覆盖区长度为 200240 m（双向）
9、 。 2.5 TD 信号补偿方案 当直接使用当前 GSM 地铁覆盖方案不能满足 TD 业务覆盖需求时，需要考虑采用延长 TD 业务覆盖距离的增强型补偿方案。以下将分析 5 种补偿方案的优缺点和所能达到的增 强效果。 2.5.1 泄漏电缆接力补偿方式 接力补偿指利用射频电缆传输损耗小于泄漏电缆的特性，从机房多设一路缆线，将射 频电缆铺设至泄漏电缆信号不佳处，以接力的方式，转接泄漏电缆，从而延伸覆盖，如图 4 所示。该方式优点在于系统结构简单，补偿距离长（理论计算得出使用 15/8射频电缆接力 将增加近 400 m 的单向覆盖距离） ，上行方向具有增益。但 15/8“射频电缆需依靠进口，订 货周期
10、长，系统建设成本很高，对于已投入运营的地铁站来说改造难度大。 2.5.2 更换泄漏电缆补偿方式 更换缆型补偿方式指通过全部更换或部分更换泄漏电缆的型号，减小链路损耗，分为两种具体方式。一种是将旧站所使用的没有经过 2 GHz 信号频段优化的缆线替换为对 2 GHz 信号衰减较小的新型缆线。虽然该方式补偿效果明显但改造工程量大，成本高，工期 长。另一种更换方式是在普通泄漏电缆信号衰减殆尽的末端，将一段普通泄漏电缆替换成 一种低耦合损耗、高传输损耗的特殊泄漏电缆。该方式结构简单，对旧站改造难度较低。 但对于新建车站，该方式不易确定边缘电平值，链路预算的误差、信号电平的抖动，都影 响换缆点的确定，反
11、而可能会因计算出现误差增加额外的链路损耗。 2.5.3 定向天线补偿方式 定向天线补偿方式指：利用高增益定向天线代替泄漏电缆补偿覆盖。由于受串行车体 穿透损耗和隧道弯曲程度的影响，根据实际测试结果，即使在较直隧道内，也只能够有效 覆盖大约 100 m 的距离。因此，定向天线接力用于地铁覆盖作用十分有限。 2.5.4 多通道合路补偿方式 虽然 RRU 基带输出能保证各个通道的相位一致，但在射频输出口不能保证相位一致， 因为从基带输出到射频口会经过很多模拟器件，这些器件对相位的影响是不一致的，而且 相位差会随着温度和湿度的变化呈非线性变化。若不加校准，增益会在 0 到 20lgN 之间不 稳定地变
12、化（N 为合路端口数） 。 该方式利用 TD 基站设备多通道独立功放的特点，采用多通道合路校准技术，增加下 行信号输出功率，实现功率补偿。该方式仅需对设备进行软件改动及外设无源器件，就能 实现下行功率补偿。同时在上行方向实现多路信号输入还具有合并增益。以 6 通道 TD 基 站设备为例，本研究中实践了 3 种多通道合路方式，即一路三合一（即三合一单通道方式） 、 二路三合一（即三合一双通道方式）以及一路六合一，如图 5 所示。根据实测结果，六合一方式补偿效果最好，单方向电平补偿距离近 200 m，其次为三 合一的单通道方式和双通道方式，均为 100150 m。从掉话距离判断，3 种方式没有明显
13、 区别，均在 800850 m 处掉话。 多通道合路方式的缺点在于需消耗额外的通道端口。对于同时具有中频处理和功放功 能的 RRU 来说，复用 6 个端口代价太大，成本太高，且增益较三合一方式不明显，相比 较之下三合一单通道方式性价相对较高，剩余的通道口能够用于站厅处的信号覆盖，节省 了单个车站 RRU 的配备数量。 2.6 技术创新与方案选择 2.6.1 受限因素电平折算法 根据 3G 系统码分多址、公共信道和业务信道分离、上下行受限因素复杂等技术特点， 本文提出了基于信道受限因素折算公共信道电平的设计方法，如图 6 所示，以取代 2G 系 统中仅以公共信道电平为惟一对象的设计方法。该方法能
14、够根据各地铁站点的客观条件 （如缆线类型、系统预期负荷、人流量特征等）发现系统覆盖受限原因，为有效改善覆盖 距离提供理论依据，所得到的电平指标更具说服力，因此是一种更科学合理、更精细化的 设计方法。2.6.2 设备集成化方案 由上文分析可知，多数情况下，上行受限距离仍大于使用大功率干放或多通道方式后 的覆盖距离，下行功率有进一步的扩展空间，因此建议可以进一步提高基站功率。建议推 动厂商和集成商基于地铁环境 6 W（或更大功率）干放、多通道合路方案进行集成化设备 开发和量产，以减小机房安装空间、安装难度，提高性价比。图 7 中列举了几种集成化设 备的设计方案。图 7（a）为集成化多通道方案合路器
15、，采用两路三合一多通道方案，将合路器集成在 一个箱体内。 图 7（b）为 6 W 干放多输出集成基站，采用干放方式，将干放和基站部分集成在一个 箱体内。 图 7（c）为 6 W RRU 多输出集成基站，是直接开发的 6 W 或 6 W 以上多路输出的立 柜式基站。 对比以上 3 种方式，方案（c）最为合理，但需要推动厂商予以研制，从开发到商用， 其所需时间较长；方案（a）开发最简单，可以满足紧迫的建设需要。 2.6.3 多址单小区组网隧道内采用两端小区信号对射，在隧道中央会出现小区交叠边界，因此需要消耗约 220 m 的覆盖距离作为覆盖重叠区以满足切换。 改变原 2G 系统覆盖思路，本文提出了
16、一种创新的“同多址 RRU 拉远小区合并方式” ， 如图 8 所示。该方式利用 3G 设备 RRU 特性，将共享同一基带的两个 RRU 分别布设在隧 道两头不同站址的机房内，中间用光纤相连。这两个 RRU 以同一小区基带信号发射，使 得隧道内为同一个小区。该方式仅需对基带处理单元稍作改动，就能在上行方向上实现最 大比值合并，提高上行接收机的灵敏度；且合理利用了隧道内已铺设的光纤资源，充分发 挥了 3G 系统 RRU 的作用，规避了取电不便的问题。该方式可以做到隧道内同小区连续覆盖，可以省去 220 m 的覆盖重叠区，对隧道覆盖 距离进行进一步提升。 该方式也存在以下不足。 其一，使用该方式后，无法使用原来普通的垂直分区方式，即利用隧道站台小区的 自然空间隔离以左右分裂方式进行扩容，而只能采取增加载波的方式扩容。但考虑到室内 外容量需求同时增长，当室外小区由于扩容压力获得新的频点后，由于地上、地下存在天 然空间隔离，隧道内可以复用新频点，因此其对容量的影响是有限的。 其二，该方式需要消耗额外的 RRU，提高了建
