基于3GPP TR38.901传播模型的地铁内5G覆盖规划编程频道|福州电脑网

2024年2月23日发(作者：)

2020年第12期(总第 216 期）

信f、通信

INFORMATION & COMMUNICATIONS

2020(Sum. No 216)基于3GPP TR38.901传播模型的地铁内5G覆盖规划吴宇庆(湖北邮电规划设计有限公司，湖北武汉430022)摘要:为实现地铁内的5G网络菝盖，首先分析典型5G业务的需求，认为4T4R是室内重点区域的5G网络标准配置;研

究表明存量的无源室内分布系统和漏泄电缆不支持在3.5

GHz频段部署5G网络，同时综合考虑投入产出比、在2.6GHz

频段只能部署2T2R的5G网络;然后结合业务需求，基于3GPPTR38.卯1模型估算链路预算,规划了地铁内5G覆盖方

案。需要指出的是，通过尝试在地铁内5G规划时应用了

TR 38.901中两个室内场景模型，发现它们能适用在站台和站

厅、地铁人员工作区域等常规室内场景，但是它们不能适用于隧道这种特殊场景，本文的解决方法是采用射线跟嫁法分

段拟合得到电磁波传播路径损耗。关键词:5G;电磁波传播模型;链路预算；网络规划；室内覆盖中图分类号:TN929.5 文献标识码:B 文章编号:1673-1131( 2020 )12-0200-045G coverage planning in subway based on 3GPP TR38.901 propagation modelWu

Yuqiiig(Hubei

Post&TelecommunicatiQn

Planning&Desigii

Ltd.,

Wuhan,Hubei, 430022 )Abstract:

order

plan

the

network

coverage

the

subway,

iirst

analyze

the

service

requirements

and

believe

that 4T4R

typical

configuration

networks

important

indoor

areas.

Studies

have

shown

that

the

existing

passive

indoor

distribution

systems

and

leaky

cables

not

support

the

deployment

networks

the 3.5

GHz

frequency

band.

the

same

time,

considering

the

investment

value,

only 2T2R 5G

networks

can

deployed

the 2.6

GHz

frequency

band.

Then

combined

with

business

requirements,

estimated

the

radio

link

budget

based

the 3

GPP

TR 38.901

model,

and

planned

a 5G

coverage

plan

the

subway.

needs

emphasized

that

applying

the

two

indoor

scene

models

TR 38.901

the

planning

the

subway,

found

that

they

can

applied

conventional

indoor

scenes

such

platforms

and

halls,

subway

personnel

working

areas,

but

they

are

not

suitable

for

tunnels.

For

special

scenarios,

the

solution

tried

use

the

ray

tracing

method

segmentally

fit

the

electromagnetic

wave

propagation

path

ds:SG;Radio

propagation

model;Link

budget;Network

planning;Indoor

coverage0引言近年来中国城市轨道交通进入快速发展新时期，截止

2019年末，国内共40个城市开通城市轨道交通线路并投入

运营，运营线路长度6730公里,其中地铁运营里程为5187公

里，占比百分之七十七。预计2021年起，地铁内5G网络将

会成为四大通信运营商提升品牌效益和客户黏合度的竞争

主战场，而且还有可能成为地铁内行业专网升级改造的极佳

平台。5G使能数字化，覆盖是前提,网络规划是保障覆盖性能和

精细化投资的关键，5G网络规划的流程与4G相似，包括需求

分析、链路预算、组网设计、无线参数规划等内容。类(如:智能制造、远程医疗、智慧仓储)、采麟(如:视频监控、

智能家居、远程抄表)等七大类[«。目前5G+高清视频流媒体的融合应用已进入成熟期，2020

年9月21日，国务院印发的国办发[2020]32号文《关于以新业

态新模式引领新型消费加快发展的意见》，要求“培育打造5G

条件下更高技术格式、更新应用场景、更美视听体验的高新视

频新业态作为最典型的5G业务，表1描述了高清视频流

媒体业务对5G网络的需求。表1高清视频流媒体业务的5G网络需求业务分辨率编码速率(Mbps)讲宽需求(Mbps)标准4K4K/60

i^/lObit25-35>508K视频SK/120 帧

1地铁内5G业务需求地铁内5G业务需求较以前2G、3G和4G网络提出更高

要求，具有业务类型多样化、网络指标需求差异化的特征。按照服务对象、业务特点和性能指标要求不同,5G室内业

务可分为消息类、交互类（如:増强现实AR、云桌面、在线游

戏)、会话类(如:高清视频会议、虚拟现实VR、全景直播)、传

输类(如:云存储)、髙清视频流媒体类(如:4K、8K、3D)、控制/12bit50-80>1005G时代运营商除了依旧需要确保消费端的基础收入，另

一方面还需依托5G技术创新所带来的新能力，助力政企客户

引领数字经济。通常地铁内除公网移动通信系统外，还存在收稿日期:202〜1(K20作者简介:吴宇庆(1973-),男，本科，高级工程师，毕业于北京邮电大学，任职于湖北邮电删设计有限公司，主要研究无线通信技术。200

信息通信警用350MHz对讲机系统、800MHz政务数字集群通信系统、

列车控制系统和城市公益Wifi等专用通信系统。这些行业专

网规模相对较小且较为分散，研发投入不足,高安全、高稳定、

低成本等特点均限制了现有行业专网的更新换代速度。由于

5G具有大带宽、低时延、大连接、自主知识产权等优势，采用

“5G公网专用”解决方案来升级地铁内行业专网，将有效促进

城市数字化的进程。表2描述了远程控制对5G网络的需求,

表3描述了交互类增强现实(Augmented

Reality)远程协助对

5G网络的需求。表2远程控制对于5G网络的需求典型应用通信速率平均时延应用范围图像/视频流上

远程控制图像InJ传上行>50Mbps (8K)<20ms传控制指令下达下行 >50kbps<10ms控制指令下达表3交互类AR远程协助对于5G网络的需求典型应用通信速率平均时延应用范ffl上行 >20Mbps

维修指导下行 >50Mbps<20ms设备维保辅助装配下行 >50Mbps<10ms设备辅助装配于远程协助国办发[2020]32号文要求进一步加大5G网络等新型基

础设施建设力度，优先覆盖重要交通枢纽，打造低时延、高可

靠、广覆盖的新一代通信网络，促进城市基础设施数字化。地

铁内环境复杂，红线内一般包含站厅和站台、地铁人员工作

区域、区间隧道三种覆盖场景，站厅和站台、区间隧道是高容

量高价值场景的重点区域：不仅要满足覆盖的需求，还要满

足不同场景下的个性化业务的容量需求,因此普遍认为4T4R

是5G网络在室内重点区域的标准配置，所谓4T4R技术相

较于被普遍采用的2T2R,理论上将把数据传输速度和容量

提升两倍。2地铁内5G覆盖传统方式的局限性

2.1传统2G/3G/4G覆盖方式简介传统2G/3G/4G网络对于覆盖地铁站站厅和站台，以及地

铁人员工作区域一般采用RRU+无源单路室内分布系统或有

源室内分布系统的覆盖方式：无源室内分布系统是通过耦合

器、功率分配器、合路器等无源器件对射频信号进行分路传输，

经馈线将信号尽可能平均分配至分散安装在建筑物不同区域

的小天线上。覆盖地铁隧道部分一般采用_+POI+双路漏泄电缆组

网方式，地铁列车车体由金属材料组成，玻璃车窗是损耗相对

较小的位置，漏泄电缆布放在车厢车窗高度位置，开孔方向朝

向列车车窗,有利于电磁波穿透车窗对用户进行覆盖。2.2部署在2.6GHz频段的5G为了保护既有投资，对于现网中的室内分布系统和漏泄

电缆资源，经过评估可以支持2.6GHz频段的则可进行利旧，

只需直接合路2.6GHz

NR的2T2R信源。地铁站厅和站台、区间隧道是高容量高价值场景，5G建设

应该以配备4T4R能力的系统为宜。为了满足4T4R的需求，201吴宇庆:基于3GPP TR38.901传播模型的地铁内5G覆盖规划无源室内分布系统和漏泄电缆改造方案需要在现有系统上増

加更多通道来实现，然而实际建设过程中，首先新增两路通道

都会带来成本及工程建设量的成倍增加；其次需在隧道中并

排布设4根漏缆，为了确保MIMO性能，要求各漏缆距离宜不

小于0.5米，需要协调大量的布线通道，不仅物业沟通非常困

难,技术实现难度也非同寻常。综上所述,综合考虑投入产出比,2.6GHz频段若利旧既有

无源室内分布系统和漏泄电缆系统只能实现2T2R，难以通过

多路改造来实现4T4R。2.3部署在3.5

GHz频段的5G根据工业和信息化部安排中国电信、中国联通、中国广电

三家企业需要共同使用3300-3400MHZ频段频率用于5G室

内覆盖。现网中的室内分布系统的功分器、耦合器、合路器、

天线等无源器件工作频段为800M-2.7GHZ,完全不支持部署

3.5

GHz频段的5G网络。研究表明传统的13/8漏泄电缆无

法传输3.5

GHz频段的5G信号。5/4漏缆传输损耗的传输

损耗系数与频率成正比，频率越高传输损耗越大，在3.5

GHz

频段的百米传输损耗达2.6GHz频段的1.65倍，净增

4.4dB/100

m。若目标覆盖长度为400

m,则相同输入信号强

度的3.5

GHz信号及2.6GHz信号在最远点的接收信号强度

相差约17.6

dB,很明显无法实现隧道的3.5

GHz信号连续覆

盖。综上所述，现网中的无源室内分布系统和漏泄电缆资源

很难支持部署3.5

GHz频段的5G网络。3站台和站厅、地铁人员工作区域的5G覆盖解决方案

3.1链路预算研宄表明，对于使用1T1R或1T2R终端、业务的上行边

缘速率1

Mbit/s且下行边缘速率10

Mbit/s情况,5G网络覆盖

范围上行受限，且主要受终端功率受限影响，因而链路预算受

限于上行物理共享信道(Physical

Uplink

Shared

Channel)信道'

PUSCH同时传送控制信息和上行业务数据;在频域上PUSCH

处于频带的中间，占据绝大部分资源。3.2传播模型3GPP的TR38.901“用于0.5-6GHZ以上频谱的信道模型

研宄”文档中的信道模型适用于0.5-100

GHz的频率范围，该

研宄的目的是帮助无线工作组使用适当的信道模型对移动设

备和接入网的物理层进行正确的建模和评估。站台和站厅应

用该文档中室内热点_办公区_视距场景传播模型(InH_Office_

LOS),如式(1)所描述。地铁人员工作区域应用该文档中室内

热点_办公区_非视距场景传播模型OnH_Office_NLOS),如式(2)所描述。^^inH-ios ~32.4 +17.3Logl0(d)D)+ 20Logl0[fc) (1)P^h-mos =

nA + 3.9LogJd,D)+ 20Log]0(fc)⑵式(1)和式(2)的参数定义如下^为工作频率(GHz);

rf3D

为基站天线与移动台天线直线距离(m)。站台和站厅、地铁人员工作区域3.5GHz频段和2.6GHz

频段上，基于TR 38.9015G估算的小区半径极值结果详见

表4。

信息通信表4站台和站厅、地铁人员工作区域5G上

行物理共享信道链路预算结果场联类型站台和站厅地铁人员工作区域发射机M大发射功率/dBm23232323每RE发射功率/dBm-5.5-5.5-5.5-5.5天线增益/dBi0000发射机端馈线损耗/dB0000接收机接收机灵敏度/dBm-95.6-95.6-95.6-95.6接收天线增益/dBi0011接收机端馈线与接头损耗/dB0033穿透损耗/dB002016覆盖概率/%99999595阴影衰落标准差/dB338.298.29阴影衰落余ft/dB6.76.710.510.5最大允许路径损耗/dB83.483.457.661.6传播棋型InH一Office 一

LOSInH 一

Office一NLOS频率/GHz3.52.63.52.6eNodeB天线高度/m4444UE天线高度/m1.51.51.51.55G小区半径极值/m20929535链路配罝上行信道配型PUSCH系统带宽/MHz100MIMO类型1

-Stream边缘速率/

Mbit/s13.3站台和站厅5G网络覆盖组网方式如前面第二部分所述,5G典型业务具有高带宽、低时延、

高可靠的特点，因而对于诸如换乘站的站台和站厅等高人流

区域需要结合更高的小区分裂数达到4T4R相同的系统总体

峰值速率，无论3.5GHz频段还是2.6GHz频段，直接新建4T4R

有源室内分布系统的综合性价比更优：有源室分采用基带单

元、汇聚单元、远端射频单元三级架构，基带单元实现各种无

线制式的协议栈，汇聚单元通过通用公共无线电接口接口与

基带单元连接，同时将数据分发至远端射频单元，并对远端射

频单元进行远程馈电;射频单元一般与天线集成在一起、靠近

用户安装。站厅层为购票安检区域，连接地面及站台层，一般会有多

个出入口连接地面;站台层为旅客候车区，一般有侧式站台和

岛式站台两类;从表4链路预算结果看,电磁波的传播在空间

上不受限于距离而受限于阻挡，需要确保实现站厅及站台视

距覆盖不存在死角。出于满足业务容量需求而小区分裂出的吴宇庆:基于3GPP TR38.901传播模型的地铁内5G覆盖规划多个内置全向吸顶天线的远端射频单元，应根据站厅及站台

的结构情况交叉布放。3.4地铁人员工作区域5G网络覆盖组网方式如果没有明确的行业专网AR、VR的需求，地铁人员工作

区域的5G网络容量需求低;同时地铁人员工作区域内部隔断

多，从表4链路预算结果看覆盖难度大，对部署成本敏感，因

此考虑采用无源室内分布系统方式实现2T2R:即将4T4R射

频单元的4个通道通过馈线、耦合器、合路器等连接多个吸顶

天线，并分布到走廊的不同区域或直接安装在各个办公室内，

用来克服隔断衰减，减少射频单元的数量;大部分供应商针对

单路室内分布系统，能通过软件升级来实现单路室内分布系

统双流:利用相邻支路重叠覆盖区域组成支持2T2R网络，测

试资料表明下行路测速率增益15%-23%、下行定点速率增益

22%-36%、RANK 增益 52%-59%。4隧道的5G网络覆盖解决方案地铁区间隧道中，目前2G、3G、4G网络采用RRU+泄漏

同轴电缆的方式覆盖，参考3.2节的分析，经过评估可以支持

2_lGHz和2.6GHz频段的漏泄电缆资源则直接合路2_lGHz

或2.6GHz的2T2R信源实现5G覆盖，这个方案已经有不少

工程实践，本文将不作赘述。本章探讨如何利用“RRU+特型

天线”方式实现5G 4T4R覆盖。4.1传播模型由于3GPPTR38.901文档提供的8个场景传播模型中不

包括隧道场景。研宄表明5G网络3.5GHz频段链路预算受限

于上行PUSCH信道，下面我们应用射线跟踪法，分成“用户终

端到列车窗户外”、“隧道内即车窗外到RRU天线”这两段来

拟合电磁波从用户终端到RRU的传播路径损耗：(1) 用户终端到列车窗户外这一段电磁波传播，这些在布

设漏泄电缆系统时已经有较深入研究和工程验证：需要考虑

人体阻挡衰落以及与车厢宽度因子相关的大尺度损耗、车厢

内电磁波传播阴影衰落余量、穿透车窗损耗等因素。(2) 隧道内车窗外到RRU天线这段，2.6-3.5GHZ频段的

电磁波波长在1分米左右，在險道侧壁与列车车体之间以及

隧道内的多径传播，受波导效应影响故传播相当于一般视距

传播,可应用3GPPTR38.901微蜂窝_街道_峡谷_视距场景传

播模型(Umi_Street_Canyon)，如式(3)所描述。PZ. = 32.4-9.5Z.〇g,0((l3.33^yr/J+(V-/>OT)2)⑶+ 4〇i〇g|〇(

d3D为基

站天线与移动台天线直线距离(m);

hBS为基站天线高度(m);为移动台天线高度(m)。公式（3)估算的是场强中值，对于隧道内多径传播引起

信号非平稳随机波动，需要额外预留阴影衰落余量来克服小

尺度衰落，阴影衰落标准差值暂使用TR38.901

Umi_Street_

Canyon模型的推荐值=4dB,建议在工程中能测试校正这个

参数。4.2链路预算地铁隧道内3.5GHz频段和2.6GHz频段上链路预算和单

个5G小区覆盖距离极值的估算结果详见表5。202

信息通信______________________________________表5隧道5G上行物理共享信道链路预算结果链路配S上行上行频率/GHz3.52.6信道配型PUSCH系统带宽/MHz100MIMO类型1-Stream边缘速率/

Mbit/s1场费类型隧逬PRB分配数S59发射机最大发射功率/dBm2323功率抬升/dB00每RE发射功率/dBm-5,5-5,5天线增益AJBi00UE天线高度/m1.31.3每

EIRP/dBm-5.5-5.5车厢内传播传播梭型经验模型车厢内传掄损耗/dB44人体损耗/dB55穿透损耗/dB1615车厢内袞落余虽/dB33隧道内传播传描模型3GPP

UMi

Street

Canyon_L〇S[3]SINR/dB-3-3接收机噪声系数/dB33每子载波热噪声/dBm-129.23-129.23接收机灵敏度/dBm•12923-129,23接收天线增益/dBi1414接收机端馈线与接头损耗/dB11概盖概率/%9595阴影衰落标准差/昍44隧边内阴影袞落余量/dB6.26.2最大允许路径损耗/dB102.6103.6eNodeB天线高度/m11单个5C小区涅盖极值/m213228列车经过两个小区交会处时会发生信号切换，应设置足

够的重叠覆盖区保证切换顺利进行。5G切换时延约为1秒，

若地铁列车设计最大时速为90km/h(25m/s)，则单向切换距离

为25m，3.5GHz频段两个小区的设计间距为213-25+213M01

m。

4.3注意事项203吴宇庆:基于3GPP TR38.卯1传播模型的地铁内5G覆盖规划表5只考虑了与链路预算相关的用户终端和RRU的天

线髙度等问题，简化如天线方向图等性能指标要求，简单取定

14dBi增益。对于覆盖隧道的特性天线可考虑波束赋形天线，

文献[10]提出5G技术支持波束时分扫描，该天线设计为水平/

垂直30°的窄波束天线，天线増益彡14

dBi。天线关键性能指

标除方向图和增益外，天线的尺寸、外型、安装条件、安全性以

及稳定性要求、以及列车在隧道中的风压、电磁辖射防护等因

素也都需考虑。虽然特型天线施工简单、投资较低，但是方案有一定风险，

主要是因为电磁波在列车顶部与隧道顶部之间传播的波导效

应，下行链路的越站干扰十分严重。隧道高度一般约5米，地

铁列车根据体宽可分为A、B、C三个型号，髙均为3.8米，车厢

地板距轨道地面高度近0.9米，站台平面与车厢地板一般近似

等髙;特型天线底部距站台平面1米，此时天线底部在列车车

窗下沿;注意天线顶部应低于列车车厢顶部，这有利于利用列

车车体阻挡电磁波在隧道内传播，将越站干扰影响控制到最

小。5结语3GPPTR 38.901文档是帮助无线工作组使用适当的无线

传播的信道模型进行正确地建模，业内在5G室外覆盖规划设

计中己经应用。本文尝试将其应用于5G室内覆盖规划设计，

3GPP所推荐的两个室内场景模型InH_Office_LOS和InH_

Office_：NLOS分别在站台和站厅、地铁;C员工ff区域等常规i

内场€得到应用;但是它们不适用隧道这些特殊场景,于是尝

试采用射线跟踪法分段拟合得到电磁波传播路径损耗，希望

该解决方法能为TR 38.卯1不能适用的其它特殊场景提供一

个思路。参考文献：[1]

Study

channel

model

for &equ«icies

from 0.5

to 100

GHz(3GPP

TR 38.901

version 14.0.0

Release 14):ETSI

138 901

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on 3D

channel

model

for

LTE(Release 12):3GPP

36.873

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信,2011，(02):21-25.[10] 苏凤轩，等.5G各类场景的天线覆盖解决方案[J].邮电设计

技术,2020，(08):53-59.[11] 杨义皞张建敗3E海宁.5G网络架构[M].中国工信出版集团.[12] 中国电信集团.中国电信5G技术白皮书[SK2018-06).[13] 中国移动通信集团.中国5G通信行业专网技术白皮书[S].

(2020-07).

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