TDDLTE 地铁设计与规划指导.docx
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TDDLTE地铁设计与规划指导
地铁设计与规划指导书
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Date
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Author
2013-12-06
V0.5
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Suyefei,Connor.Zheng,Gaoliyuan,Lijian
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1简介
TD-LTE网络的地铁覆盖主要包括3个方面,地铁站厅的覆盖,站台的覆盖和地铁隧道的覆盖。
地铁的客流量随着城市立体交通的发展不断增加,在未来的城市交通中将占有越来越重要的地位。
对于TD-LTE系统,未来的地铁覆盖也是全网覆盖的重要组成部分,各省公司应充分重视地铁的覆盖。
因此本文从覆盖,容量,参数,测试内容,干扰分析等5个方面进行讲述地铁设计与规划内容,以便优化人员进一步了解地铁内部环境与需注意的地方,减少人员在地铁优化所遇到的困难。
2地铁规划设计
地铁作为一种高效、快捷和安全的交通方式越来越被大众接受。
在城市地铁中,日均客流量以百万次来计算。
但地铁的特殊结构容易成为移动通信信号的覆盖盲区。
Ø场景特点:
地铁多为封闭式环境,轨道交通站台站厅、区间隧道内各种无线信号几乎均为盲区;无线信号在隧道场景中容易产生快衰落。
列车车体,站台两侧安全屏蔽门会对无线信号产生严重屏蔽。
Ø话务特点:
人流量大,高峰期具有高的突发话务量。
用户以语音业务为主,少量用户有数据业务的需求。
2.1地铁覆盖设计
2.1.1覆盖网络规划原则
1.TD-LTE地铁及隧道覆盖建设主要通过改造现有TD-SCDMA/GSM网络,实现2G/3G/4G共用的方式进行。
新建地铁的覆盖应综合考虑多种系统的共用,包括GSM、TD-SCDMA、WLAN、WCDMA等。
2.地铁及隧道覆盖应遵循内外一体化原则,综合考虑地铁及隧道内外的网络情况,控制无线信号,避免相互干扰。
3.TD-LTE地铁及隧道系统改造应确保原有TD-SCDMA/GSM网络正常运行,并为后续优化设计留有余地。
4.地铁及隧道系统工程的建设必须满足国家和通信行业相关标准,电磁辐射值应满足国家标准。
2.1.2覆盖建设方案
TD-LTE地铁及隧道覆盖方式主要有微蜂窝覆盖方式、BBU+RRU+泄漏电缆方式、BBU+RRU+定向天线方式。
对于超过覆盖距离的地铁,需要在两个站台中间另外增加RRU解决连续覆盖问题。
Ø目前进行覆盖地铁的方案:
Ø同轴馈电分布式天线覆盖方案
Ø光纤馈电有源分布式天线覆盖方案
Ø泄露电缆覆盖方案
ØBBU+RRU设备进行级联合并的覆盖方案
地铁室分系统往往由独立运营单位建设,以租赁的形式为各大运营商使用,各家运营商基站信号通过POI合路后分配到站厅和隧道。
站厅一般使用室内全向天线覆盖,隧道则采用泄漏电缆覆盖。
地铁覆盖的三要素
Figure1地铁覆盖的三要素
城市轨道交通覆盖最突出的特点是接入系统多,覆盖面广,覆盖要求高,安装环境要求高。
采用多网合路系统(POI)对信号进行合路,多系统共用天馈对覆盖区进行覆盖。
在隧道中采用光纤分布系统+泄漏电缆覆盖方式,站厅、侧式站台采用天线阵覆盖方式,岛式站台采用泄漏电缆加天线阵相结合的覆盖方式。
隧道覆盖方案
隧道无源方案
对于隧道较短的车站,单靠两侧的基站信号源的能量能对此段隧道漏缆进行覆盖,无需干放
隧道有源方案
对于较长隧道区间,单靠两侧的基站信号不能进行覆盖,需在隧道区间加有源放大设备(干放),系统在隧道区间需要几个干放,由隧道长度、干放、基站功率及漏缆损耗而定。
站台覆盖方案
岛式站台
Ø站台在中间,轨道在两边
Ø当站台较窄,可以与隧道共用漏缆,覆盖半径2-6米
Ø当站台宽度较宽,中间部分加布室内天线
侧式站台
Ø轨道在中间,站台在两边
Ø站台无法安装漏缆,站台室分天线对站台和列车进行覆盖
Ø考虑车体和屏蔽门的穿透损耗,天线覆盖半径比岛式小
站厅覆盖方案
站厅为空旷区域,采用天线阵进行信号覆盖,覆盖半径比站台大,布放点为各个站厅、站厅出入口,办公场所,设备机房等处,具体情况依据站厅格局和链路预算
2.1.3地铁覆盖链路计算模型
将会在第3章节中进行详细说明
2.2地铁切换区设计
Figure2地铁切换区域设计
Ø地铁进出口、大厅、换乘站上下层采用分布系统的方式进行覆盖。
Ø进出口和换乘站覆盖需要考虑话务量分担,以及分小区切换问题。
一般设置切换带需保证两个小区用户有足够的切换时间
2.2.1地铁出入口
Figure3地铁出入口切换
乘客出入地铁的过程,自动扶梯运动产生瑞利衰落、人群拥挤而产生的信号衰落,导致手机信号强度锐减,造成信号重叠区域(切换区)不够,应保证两小区重叠区边缘场强在-95dBm以上。
2.2.2地铁内部
Figure4地铁站厅与站台
Ø确保站厅一个小区,站台与轨道是一个小区这样可有效的解决容量问题(详见第4章节容量规划内容)
Ø站厅前往站台会有自动扶梯和楼梯,且站台与站厅都很空旷没有太多东西遮挡,因此需适当调整相关覆盖2个切换区域天线,来制造切换带以便用户能平滑进行切换
2.2.3地铁隧道内
Figure5地铁隧道内小区间切换带
Ø由于两站之间的隧道分属于两个小区覆盖,因此隧道存在小区间的切换和小区重选过程。
Ø隧道内列车通常运行在高速,为满足切换和小区重选过程的时延需求,在地铁规划中应预留足够的重叠覆盖区。
Ø决定切换所需的重叠覆盖区长度因素主要是切换时延及满足触发切换条件的时延。
决定切换时延的主要因素主要是包括测量周期、迟滞时间、切换执行。
2.2.4切换距离设计
TD-LTE车载设备在经过两个不同小区的重叠覆盖区时,需要进行小区切换。
切换的时延影响重叠覆盖区的设计:
Ø切换时延即:
从TD-LTE车载设备测量到目标小区信号强度高于服务小区信号强度某个门限开始,到切换完成所需时间
Figure6A3事件设置
Ø根据速度和距离的关系,可以大致获得运动速度与每次切换列车前进距离的对应关系
速度(km/h)
60
80
100
切换距离(m)
9
12
14
2.2.5重叠覆盖切换小区
Figure7重叠覆盖切换小区
切换重叠区域规划需要考虑三个因素:
过渡区域B:
邻小区信号强度达到切换门限所需要的距离
切换距离A:
完成切换所需要的距离;
保护距离C:
切换测量开始后,防止由于信号波动需重新测量而影响切换的距离余量;
设地铁运行速度60km/h,根据以下条件
TD-LTE切换门限(2dB)、切换时延(500ms)、漏缆传输损耗(5.52dB/100m)、余量2dB得到:
过渡区域B为40米,切换距离A为9米,保护距离C为40米,切换重叠覆盖区域规划为:
小区重叠覆盖区长度=(40+9+40)×2=178m
2.3地铁多系统合路设计
2.3.1泄漏电缆
13/8”泄漏电缆技术指标:
漏缆厂家
(RCT7-CPUS-4A-RNA)
(RLKU158-50JFNAE)
(RMC50MF-158L-1)
(RFX2X15/8"-50)
ANDREW
RFS
亨鑫
安凯
传输衰减
800MHz
1.9
2.1
1.9
(dB/100m,
900MHz
2.2
2.25
2.2
2.9
标称值)
1800MHz
5.2
3.85
5.2
4.9
2000MHz
4.8
4.29
2200MHz
4.6
4.87
4.6
6
2400MHz
4.6
5.52
4.6
6.4
耦合损耗(dB)
800MHz
65/68
67/70
65/68
(50%/95%、
900MHz
61/63
67/71
61/63
70/76
2m距离,
1800MHz
53/55
62/66
53/55
71/78
标称值)
2000MHz
55/57
62/66
2400MHz
60/70
60/65
60/70
73/81
Ø漏缆按类型分为耦合型、辐射型,不同漏缆厂家之间产品指标存在差异。
Ø地铁隧道覆盖采用13/8’耦合型漏缆,取应用较为广泛的RFS厂家漏缆指标,百米传输损耗5.52dB,95%2m耦合损耗65dB
ØTD-LTE与2/3G通信系统共用两路商用泄露电缆。
Ø两路漏缆分别连接LTERRU两个射频输出端口,组成2X2MIMO系统,两路漏缆间距建议10个波长左右。
ØTD-LTE建议复用商用漏缆而不使用警用或专用漏缆,可以体现MIMO性能优势并避免对警务和铁路信号的影响。
Ø不同RRU的泄漏电缆之间可以采用1/2’软馈线连接。
2.3.2POI
POI为POINTOFINTERFACE的缩写,即是多系统合路平台
主要用于地铁、会展中心、展览馆、机场等大型建筑室内覆盖。
该系统运用频率合路器与电桥合路器对多个运营商、多种制式的移动信号合路后引入天馈分布系统,达到充分利用资源、节省投资的目的。
为避免干扰,POI分为上、下行两个平台,分别将上行和下行链路信号分开传输。
POI作为连接无线通信施主信号与分布覆盖信号(泄漏电缆和天线阵等)的桥梁,其主要功能是对各运营商的上行及下行射频信号分别进行合路及分路,并滤除各频带间的干扰成分。
POI上行部分的主要功能是将不同制式的手机发出的信号经过天线的收集及馈线的传输至上行POI,经POI检出不同频段的信号后送往不同运营商的基站。
POI下行部分的主要功能是将各运营商、不同频段的载波信号合成后送往覆盖区域的天馈分布系统。
POI特点:
Ø模块化设计,扩容性好
Ø满足不同系统/频段的个性需求
Ø系统具有整体监控功能,维护方便
Ø信号合理损耗小
Ø功率容量大
Ø三阶互调性能好
Ø可以预留端口,方便升级
Figure8各系统合路示意图
Ø地铁进出口、大厅、换乘站上下层采用分布系统的方式进行覆盖
Ø进出口和换乘站覆盖需要考虑话务量分担,以及分小区切换问题。
一般设置切换带需保证两个小区用户有足够的切换时间
ØPOI实现多频段、多系统的信号共路传输
Ø采用合路损耗小、端口隔离度高、带外抑制度高、功率容量大、温度稳定性好,三阶互调低的POI进行多系统合路,避免系统间的相互干扰
ØTD-LTE系统两个通道分别接入上下行POI端口,实现TD-LTE与2|3G系统合路
ØPOI中TD-LTE与其他端口隔离度需要达到90dB以上
2.3.3多系统接入干扰分析
(详细请见第7章节干扰分析)
Figure9各系统频段区分区域
Figure10系统隔离度
POI满足多系统隔离指标要求情况下,TD-LTEF频段可以与异系统共存
3地铁覆盖规划
3.1链路预算模型
隧道内覆盖模型如下:
Figure11地铁隧道内覆盖模型
漏缆的覆盖距离(米)=(Pin–(P+L1+L2+L3+L4+L5))/S
Ø漏缆输入端注入功率:
Pin
Ø要求覆盖边缘场强:
P–一定边缘业务速率下的覆盖电平
Ø漏缆耦合损耗:
L1,漏缆指标
Ø人体衰落:
L2,(3dB)
Ø宽度因子:
L3=10lg(d/2),d为移动台距离漏缆的距离
Ø衰减余量:
L4,(3dB)——考虑到高峰时段的填充效应,取值3dB。
Ø车体损耗:
L5,与车体有关
Ø每米馈线损耗:
S,漏缆指标
综合考虑不同类型的穿透损耗,保障漏缆远端的覆盖场强
需说明:
由于各车站无法得知民用通信机房至隧道区间引入口的距离,目前各车站该段距离均按50M(7/8”射频缆)进行估算。
届时将以现场勘测的实际数据,对计算的结果进行修正。
3.2单站覆盖距离
●上下行平衡分析
UE功率23dBm,20M带宽,边缘6阶MCS,允许馈线损耗约36dB。
大于下行允许馈线损耗。
覆盖距离以下行为准。
●TD-LTE单RRU支持漏缆覆盖长度
漏缆的覆盖距离(米)=(Pin–(P+L1+L2+L3+L4+L5))/S
取值:
Ø输入功率43dBm,每子载波功率43-10log(1200)=12dBm(3151fa/3152fa每通道功率20W)
Ø边缘覆盖场强:
考虑业务速率要求,按-110dBm/子载波规划
Ø漏缆耦合损耗:
RFS厂家漏缆,取65dB
Ø人体衰落:
3dB
Ø宽度因子:
考虑车厢边缘距离漏缆4米,取3dB
Ø衰减余量:
取3dB
Ø车体损耗:
6dB
Ø馈线损耗:
RFS厂家漏缆,取5.52dB每百米
单站覆盖距离:
ØRRU直连漏缆:
(43-31-(-110+65+3+3+3+6))/5.52*100=760米
Ø通过2功分器:
(43-3-31-(-110+65+3+3+3+6))/5.52*100=706米
站间距覆盖距离分析•站间距=单扇区覆盖距离×2-切换重叠区宽度
从上表可以看出,相似条件下,TD-LTE较其他系统站间距小。
TDL与TDS站点间距相差不大,设计时需要小区切换时的TD-LTE站间距要求。
4地铁容量规划
4.1地铁承载人数
根据目前国家对地铁核载有标准,每平方米6人算是满员,到达每平方米9人就算是超员。
目前宁波地铁预计采取6节编组,一列车有6节车厢,车厢总面积大约为273平方米。
根据这个标准换算,宁波这边地铁的荷载是每列车2457人。
根据初期LTE用户的渗透率10%进行估算,则一列地铁内LTE的用户数约为250人。
4.2容量影响因素
TD-LTE系统的容量由很多因素决定,首先是固定的配置和算法的性能,包括单扇区频点带宽、时隙配置方式、天线技术、频率使用方式、小区间干扰消除技术、资源调度算法等;其次,实际网络整体的信道环境和链路质量会影响TD-LTE网络的资源分配和调制编码方式选择,因此网络结构对TD-LTE的容量也有着至关重要的影响。
(1)单扇区频点带宽:
TD-LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz带宽的灵活配置,显然采用更大的带宽,网络可用资源将更多,系统容量也将越大。
(2)时隙配置方式:
TD-LTE采取TDD(时分双工)的双工方式,可以根据某地区上下行业务的不同比例,灵活配置上下行时隙配比,目前协议中定义了7种上下行时隙配置方式,这7种时隙配置方式中的特殊时隙又有9种方式可以选择,而选择不同的配置方式,其上下行吞吐量将会有明显的差异。
(3)天线技术:
TD-LTE采用了多天线技术,使得网络可以根据实际网络需要以及天线资源,实现单流分集、多流复用、复用与分集自适应、单流波束赋形、多流波束赋性等,这些技术的使用场景不同,但是都会在一定程度上影响用户容量。
(4)频率使用方式:
目前分析显示TD-LTE网络可以同频组网,但单小区配置相同带宽的同频组网系统的容量性能会差于异频组网系统,因此在实际运营时,应综合考虑频率资源情况、容量需求等因素确定频率使用方式。
(5)小区间干扰消除技术:
TD-LTE系统由于OFDMA的特性,系统内的干扰主要来自于同频的其他小区。
这些同频干扰将降低用户的信噪比,从而影响用户容量,因此干扰消除技术的效果将会影响系统整体容量及小区边缘用户速率。
(6)资源调度算法:
TD-LTE采用自适应调制编码方式,使得网络能够根据信道质量的实时检测反馈,动态调整用户数据的编码方式以及占用的资源,从系统上做到性能最优。
因此,TD-LTE整体容量性能和资源调度算法的好坏密切相关,好的资源调度算法可以明显提升系统容量及用户速率。
(7)网络结构:
TD-LTE的用户吞吐量取决于用户所处环境的无线信道质量,小区吞吐量取决于小区整体的信道环境,而小区整体信道环境最关键影响因素是网络结构及小区覆盖半径。
在TD-LTE规划时应比2G/3G系统更加关注网络结构,严格按照站距原则选择站址,避免选择高站及偏离蜂窝结构较大的站点。
4.3地铁容量估算
诺基亚西门子从组网的角度,并结合系统仿真,进行相应的容量规划。
容量规划的目的主要是在一定条件下计算单站支持的有效用户数及网络支持的有效用户数。
容量规划需要考虑系统带宽、基站平均站间距、系统负荷、上下行子帧配比、多天线模式等条件,反应了真实组网情况下实际能支持用户数。
地铁覆盖在站厅采用分布系统,而在隧道内多采用泄漏电缆进行覆盖。
对于列车内的用户,其特点是用户集中,短时间内用户可能全部处于一个小区的边缘,因此,容量估算需要考虑小区边缘的最差情况。
假设一个隧道小区带宽配置为20MHz,地铁平均站间距(ISD)约2000米,天线模式3/7,上下接收采用8RxMRC,那么对应的频谱效率为:
下行频谱效率[bps/Hz]
1.728095478
上行频谱效率[bps/Hz]
1.487000299
Table15TD-LTE频谱效率(500米ISD,TM3/7)
进一步假设系统设计负荷为50%、上下行配比DL-to-ULConf2,特殊子帧配置SpecialSubframeFormat7,
那么可以得到:
DLCellcapacity=下行频谱效率x信道带宽xScaling_factor(load)x下行资源占比x小区设计负荷=1.728*20MHz*1.37*74.29%x50%=17.587Mbps
ULCellcapacity=上行频谱效率x信道带宽xScaling_factor(load)x上行资源占比x小区设计负荷=1.487*20MHz*1.37*20%x50%=4.074Mbps
那么既单小区的上下行容量分别为:
DLsitecapacity=17.587Mbps
ULsitecapacity=4.074Mbps
*Scaling_factor(load)是指补偿规划小区负荷(50%)和系统仿真采用的小区负荷(100%)所产生的差异的倍乘系数。
结合NSN默认的话务模型:
会话时长及大小
TransfersizeDL[kB]
TransfersizeUL[kB]
Meanholdingtime[s]
BHCA
Traffic_Volume_per_ApplicationDL[kB]
Traffic_Volume_per_ApplicationUL[kB]
VoIP
2700
2700
90
1
2700
2700
Video
7680
7680
60
0.2
1536
1536
Streaming(LiveTV)
28800
288
600
0.1
2880
28.8
Webbrowsing
5000
300
600
2
10000
600
FTP
10000
100
300
1.55
15500
155
Table16NSNdefault话务模型
可以得到以下的单用户话务量:
单用户话务量(Kbps)
72.48
11.16
可以得到单小区支持的上下行最大用户数:
Max.User_DL/Site=17.587Mbps/72.48Kbps=242
Max.User_UL/Site=4.074Mbps/11.16Kbps=364
根据不同的上下行子帧配比及特殊子帧配置,LTE单站容量及用户数的计算结果如下表:
DL-to-ULconfiguration
Specialsub-frameconfiguration
Trafficmodel
单小区上行容量
单小区上行容量
上行最大用户数
下行最大用户数
最大用户数
Mbps
Mbps
Configuration1
Format5
单用户话务量(Kbps)DL72.48/UL11.16
8.15
10.48
730
144
144
Format7
8.15
12.85
730
177
177
Configuration2
Format5
4.07
15.22
364
209
209
Format7
4.07
17.58
364
242
242
根据地铁最大承载用户数及LTE用户渗透率,一列地铁约有250个LTE用户,因此采用上下行子帧配置格式2,特殊子帧格式7,可以基本满足容量要求。
需要注意的是,上述估算和地铁列车容量、LTE用户渗透率及LTE话务模型相关,且各个地区各个项目可能有所不同。
因此建议具体实施过程中,需要根据具体情况进行容量估算调整。
这里的计算过程可以作为后续容量估算的参考。
5地铁参数规划
组网方式上,地铁采用的是由站台往隧道延伸的覆盖方式,每条地铁线路站点尽量归属于同一个TAList,尽量减少位置更新。
覆盖方式上,主要采用隧道内漏缆覆盖,由于漏缆的高的可靠性和可行性,在隧道内使用漏缆来提供覆盖。
目前环线地铁站与站的距离分布不等,从最小的几百米到最大的几公里不等。
出入站口邻区优化,针对每个地铁站的出入口,需要进行现场测试之后,完善出入邻区的优化,这样才能保证用户在地铁出入口通话时的顺利切换,不会产生掉话。
快速衰落切换,由于地铁车速较快,在隧道内覆盖交界出可能会出现由于电平快速衰落造成的来不及切换造成的掉话。
因此需要对切换迟滞、启测门限、报告触发周期等进行特定设置,以更快的速度触发切换,降低地铁隧道中发生切换掉话的概率。
需要指出的是,上表仅是针对地铁场景的参数默认值推荐。
由于地铁覆盖的特殊性(部署方式、站间距、车速等均不相同),因此实际过程最优的参数设置,还需要针对不同情况,结合实际现场设置,做出相应参数优化。
6地铁测试内容
地铁测试内容建议根据规划原则划分为覆盖测试、容量测试、切换测试、干扰测试4大部分内容。
6.1覆盖测试
地铁覆盖(地下部分)属于室内分布系统覆盖的范畴,覆盖情况取决于信源和信道两部分,设备厂家和分布系统厂家应合作进行测试。
设备厂家负责测试首个具有代表性站点的覆盖情况,验证规划设计方案的可行性;分布系统厂家负责整个线路、站厅、站台的覆盖测试。
在遇到覆盖问题时设备厂家需配合提供信源能力的验证结果。
测试指标
指标细分
测试场景
备注
RSRP
RSRP均值
轨道高速+站台站厅低速
首个代表性站点的测试均在低速下完成
边缘RSRP(CDF=95%)
轨道高速+站台站厅低速
首个代表性站点的测试均在低速下完成
SINR
SINR均值
轨道高速+站台站厅低速
首个代表性站点的测试均在低速下完成
边缘SINR(CDF=95%)
轨道高速+站台站厅低速
首个代表性站点的测试均在低速下完成
6.2容量测试
容量测试主要验证单用户、多用户情况下的小区峰值吞吐量、平均吞吐量,以及平均时延。
实际现场测试时建议进行单用户峰值测试、单用户遍历测试(包括首个代表性站点的站台、站厅、轨道内低速情况以及地铁全线运行时的高速情况);再根据仿真、集团规模测试结果来预测多用户场景下的系统表现。
另一方面可根据现场是否能够进行多频组网进行同异频的对比测试。
测试指标
指标细分
测试场景
备注
峰值速率
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