高鐵隧道場景的5G覆蓋方案研究

潘 翔，張 濤，李福昌（中國聯(lián)通網(wǎng)絡技術研究院，北京100048）

0 引言

截至2018年底，中國鐵路營業(yè)里程達到13.1萬km，其中高鐵營業(yè)里程超過2.9萬km［1］。隨著高鐵路網(wǎng)密度快速增長，旅客發(fā)送量不斷增加，高鐵通信逐步成為各通信運營商提升品牌效益和客戶黏合度的競爭領域。

現(xiàn)有高鐵里程中包括大量長隧道，如壁板坡隧道，全長超過14 km。與普通鐵路隧道相比，高鐵隧道的無線覆蓋設計和建設實施更加困難。高鐵隧道覆蓋的特點是列車速度快、車體穿透損耗大、設備安裝空間狹小等，這對移動通信網(wǎng)絡提出了更高的要求。如何在狹長的高鐵隧道內(nèi)提供高質量的無線覆蓋，是各大運營商面臨的挑戰(zhàn)。

與4G相比，5G有更大的帶寬，有利于提升速率和容量，但更高的頻段對覆蓋能力提出了更高要求。在高鐵隧道場景中，傳統(tǒng)2G/3G/4G網(wǎng)絡通常采用BBU+RRU+泄漏同軸電纜（簡稱漏纜）的覆蓋方式［2］。漏纜的傳輸損耗系數(shù)與頻率成正比［3］，即頻率越高，單位長度的傳輸損耗越大。對于采用獨立組網(wǎng)（SA——Standing Alone）架構、部署在3.5 GHz頻段的5G網(wǎng)絡，若目標長度漏纜的損耗過大，則無法實現(xiàn)高鐵隧道的5G信號連續(xù)覆蓋。

1 隧道覆蓋方案

在高鐵長隧道中，一般每500 m有一個安裝設備的避車洞室。數(shù)字化室分單個遠端射頻單元覆蓋半徑不超過100 m［4］，受安裝條件限制，不適用于高鐵隧道布設。又因高鐵隧道空間狹小，考慮安全因素，也不具備安裝大型天線的條件?；谏鲜鱿拗埔蛩?，可用于隧道場景的常見覆蓋方式包括：漏纜、漏泄波導管及特型天線。

圖1 利用漏纜覆蓋隧道

1.1 漏纜覆蓋

漏纜是一種利用同軸電纜外導體上的開縫輻射或接收電磁波，從而與外部空間進行無線通信的傳輸媒介，主要應用于閉域空間的無線通信。圖1為利用漏纜覆蓋隧道的示意圖，RRU安裝在避車洞室內(nèi)，漏纜安裝高度與高鐵列車窗口對齊，基站信號通過漏纜輻射，穿透車窗、車體到達車廂內(nèi)用戶。

漏纜處在單模輻射狀態(tài)，其他高階模處于非輻射狀態(tài)時的頻率范圍稱為漏纜的使用頻帶，避免高階模產(chǎn)生的最大頻率稱為截止頻率［5］，計算公式如下。

式中：

c——光速

εr——絕緣層相對介電常數(shù)

d——內(nèi)導體的等效直徑

D——外導體的等效直徑

隧道覆蓋常用的漏纜型號包括13/8漏纜及5/4漏纜，其理論截止頻率約為2.8 GHz和3.6 GHz。因此，3.5 GHz頻段的5G信號無法在13/8漏纜中傳輸。

傳統(tǒng)5/4漏纜傳輸損耗及耦合損耗如表1所示，其在3.5 GHz高頻段的百米傳輸損耗很大，是1.8 GHz的2倍以上。若目標覆蓋長度為250 m，則相同輸入信號強度的3.5 GHz信號及1.8 GHz信號在最遠點距漏纜水平2 m處的接收信號強度相差約（11.2×2.5+66）-（4.7×2.5+70）=12.25 dB。

1.2 漏泄波導管覆蓋

與漏纜類似，漏泄波導管也是一種電磁波傳輸媒介，其本質上是一種連續(xù)的加長型天線，可用于地鐵隧道覆蓋［6］。通過波導管開具的槽孔，波導管內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪梢暂椛涞酵獠靠臻g，與此同時，外部空間的電磁波也可以耦合到波導管內(nèi)。

利用漏泄波導管覆蓋隧道與漏纜布設方式相同，但與漏纜相比，漏泄波導管傳輸頻帶更寬，傳輸損耗更小。漏泄波導管及5/4漏纜在3.5 GHz頻段的性能對比如表2所示。從兩者百米傳輸損耗對比可知，傳輸損耗要求一致時，5/4漏纜的傳輸距離約為漏泄波導管傳輸距離的31%。

表1 5/4漏纜的傳輸損耗及耦合損耗參數(shù)表

表2 漏泄波導管及5/4漏纜在3.5 GHz頻段的性能對比

若在隧道中部署4T4R的5G網(wǎng)絡，需并排布設4根漏纜或漏泄波導管。漏泄波導管單價比漏纜高很多，若大規(guī)模使用，需投入大量建設成本。此外，漏泄波導管工藝復雜、受外界環(huán)境影響大等不足使其設備性能變得異常敏感［6］。因此，需推動漏泄波導管在成本及穩(wěn)定性方面進行改進。在此之前，不建議大規(guī)模使用漏泄波導管進行5G高鐵隧道覆蓋。

1.3 特型天線覆蓋

利用特型天線覆蓋隧道的常見形式是采用特型天線在隧道口或隧道內(nèi)進行覆蓋，如對數(shù)周期天線或八木天線。

不同長度的隧道所采用的覆蓋方式也不同。

a）對于直線型短距離隧道，可在兩端的隧道口安裝特型天線朝隧道內(nèi)部覆蓋，同時，為保證終端可以在隧道內(nèi)外平滑切換，也可在隧道口安裝另一面天線，朝隧道外部延伸覆蓋，此時隧道口兩側應設置為同一小區(qū)。

b）對于長距離隧道，在隧道口和隧道內(nèi)均應安裝特型天線，大部分長距離的隧道兩側分屬不同小區(qū)［7］，所以長距離隧道可考慮用2個小區(qū)進行覆蓋，將切換區(qū)設置在隧道內(nèi)。

特型天線覆蓋方式設計靈活，與漏纜覆蓋相比，施工更簡單，投資更低。但這種覆蓋方式對天線的尺寸、外型及增益要求較高，需重點考慮安裝條件、安全性以及穩(wěn)定性要求，以滿足高鐵進入隧道時的風壓要求。

1.4 方案對比

3種隧道覆蓋方案的對比分析如表3所示。

表3 隧道覆蓋方案對比

2 性能指標要求

如1.2節(jié)所述，漏泄波導管規(guī)模使用的限制因素為價格及穩(wěn)定性，故本章僅分析漏纜及特型天線性能指標要求。

2.1 漏纜覆蓋方案

對于漏纜覆蓋方案，關鍵性能指標為整體損耗，包括傳輸損耗及耦合損耗。

2.1.1 鏈路預算分析

漏纜在隧道內(nèi)的傳播只與橫向傳播模型有關［3］，與隧道的彎曲程度無關。假設RRU為2端口，各端口用功分器連接2段漏纜分別朝向兩側?？紤]多家運營商共建共享，引入2 dB合路器及連接電纜損耗。假設漏纜安裝在距地7 m高的地方，高鐵車廂內(nèi)的接收點距漏纜的水平距離約為4 m，相比2 m處引入了額外6 dB空間傳播損耗。通信系統(tǒng)一般為上行受限，利用漏纜覆蓋高鐵隧道的上行鏈路預算如表4所示［8］。

表4 漏纜覆蓋上行鏈路預算

若使用現(xiàn)有5/4漏纜覆蓋，3.6 GHz頻段百米傳輸損耗LT為13 dB，耦合損耗Lc為67 dB，則基站接收到的每RE信號強度為-1.51+3-34-2.5×13-67-6-2=-140.01 dBm，無法滿足接收機靈敏度要求。

在滿足接收機靈敏度要求前提下，允許最大縱向傳輸損耗為-1.51+3-34-67-6-2-（-129.23）=21.72 dB，對于5/4漏纜，單側有效覆蓋距離為21.72/13×100=167 m，兩側有效覆蓋距離為167×2=334 m。

2.1.2 損耗要求

由鏈路預算分析可知，現(xiàn)有漏纜無法實現(xiàn)高鐵隧道內(nèi)3.5~3.6 GHz頻段5G信號500 m以上的連續(xù)覆蓋。若使用漏纜進行高鐵隧道5G覆蓋，在不大幅提升成本的前提下，需研發(fā)新型漏纜，降低漏纜整體損耗（傳輸損耗+耦合損耗）。滿足500 m有效覆蓋距離的漏纜傳輸損耗LT和耦合損耗Lc要求為：

2.2 特型天線覆蓋方案

對于特型天線覆蓋方案，關鍵性能指標為天線增益。

2.2.1 隧道傳播模型

適用于隧道場景的傳播模型為：

PL——路徑損耗（dB）

f——信號頻率（MHz）

d——為收發(fā)間距（m）

N——路徑損耗系數(shù)，與頻率和覆蓋場景強相關，對于1.8 GHz頻段，典型值為20，對于3.5 GHz頻段暫無經(jīng)驗值，故暫定20，后續(xù)基于測試情況再做擬合修正［9］

2.2.2 鏈路預算分析

高鐵在隧道內(nèi)行進時，為保證用戶能夠順利切換，隧道內(nèi)無線信號需有一定的重疊覆蓋區(qū)域。在重疊覆蓋區(qū)域運動時，服務小區(qū)信號隨著高鐵行進漸漸變?nèi)酰邮盏降牧硪粋€小區(qū)信號則漸漸變強，當滿足一定條件后進行切換。

為提高切換成功率，在切換時延基礎上需留有一定的切換余量，單向切換距離=切換時延（考慮余量后）×車行速度?？紤]余量后的5G切換時延約為1.2 s，若高鐵在隧道內(nèi)運行速度為300 km/h，則單向切換距離為100 m，目標覆蓋距離為250+100=350 m。

信號在高鐵隧道內(nèi)傳播要經(jīng)過多次反射和折射才能到達接收機，這使得多徑干擾增加，信號在接收機處呈現(xiàn)出快衰落的特性，需考慮快衰落余量。對于單孔雙軌隧道，快衰落余量建議值為8.3 dB。

利用特型天線覆蓋高鐵隧道的上行鏈路預算如表 5所示［8］。

表5 特型天線覆蓋上行鏈路預算

將350 m傳播距離代入傳播模型，得出該距離對應空間路徑損耗為94 dB。為保障接收靈敏度需求，-1.51+3-34-94-2-8.3-6.4+Ga≥-129.23，即天線增益Ga≥14 dBi。

特型天線一般采用對數(shù)周期天線或八木天線，前者增益低、頻帶較寬，對各種頻率的兼容性好，后者則增益高、頻帶較窄。由于天線覆蓋方案受限于天線增益，因此建議研發(fā)滿足上述天線增益要求的新型八木天線對高鐵隧道進行覆蓋。

3 總結

綜上所述，在高鐵隧道中實現(xiàn)5G覆蓋難度很大。對于較短隧道，若整體損耗能滿足接收機靈敏度要求，可使用5/4漏纜進行覆蓋；對于較長隧道，若現(xiàn)有5/4漏纜無法滿足3.5 GHz信號引入需求，則考慮新增或替換為新型漏纜或漏泄波導管；對于直線型隧道或隧道口，建議使用特型天線覆蓋。其中，各方案使用的相關天饋產(chǎn)品研發(fā)可參考本文提出的性能指標要求。