5G高鐵隧道覆蓋方式分析

張曉江　吳麗勇

【摘? 要】為了解決高鐵隧道環(huán)境下5G不能有效沿用4G現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的問題，在分析現(xiàn)網(wǎng)高鐵隧道覆蓋現(xiàn)狀和高鐵隧道洞室的設(shè)置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過鏈路預(yù)算計(jì)算了一定的邊緣速率要求下泄漏電纜在3.5G頻段的覆蓋能力，并從兩個(gè)方向論述了如何實(shí)現(xiàn)高鐵隧道的全線覆蓋，最后提出了不同的適用場景，即在5G建設(shè)初期，建議采用隧道雙側(cè)設(shè)置漏纜進(jìn)行覆蓋，后期隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn)，以及2.1G頻段的清理完畢，可逐步采用隧道單側(cè)覆蓋。

【關(guān)鍵詞】5G;高鐵隧道;鏈路預(yù)算;隧道洞室;泄漏電纜

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.017? ? ? ? 中圖分類號：TN929.53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）03-0085-04

引用格式：張曉江，吳麗勇. 5G高鐵隧道覆蓋方式分析[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（3）： 85-88.

Coverage Analysis on 5G High-speed Railway Tunnel

ZHANG Xiaojiang， WU Liyong

（Huaxin Consulting Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China）

[Abstract]?In order to solve the problem that 5G can not effectively use the existing 4G network in the high-speed railway tunnel environment， this paper first analyzes the current status of high-speed rail tunnel coverage and the characteristics of high-speed rail tunnel caverns， then gives the coverage capability of the leaky cable in the 3.5G band under certain edge rate requirements through the link budget， and discusses how to realize full coverage of high-speed rail tunnels from two directions. Finally， under different application scenarios， it is recommended to set leaky cables on both sides of the tunnel for coverage in the early stage of 5G construction and one side coverage of the tunnel can be gradually used in the later stage with the promotion of 5G network construction and the completion of 2.1G frequency band cleaning.

[Key words]5G; high-speed railway tunnel; link budget; tunnel caverns; leaky cable

0? ?引言

2019年6月5日，工信部向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照。由此，四大運(yùn)營商5G建設(shè)正式開始。

高速鐵路沿線的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋一直以來是各家運(yùn)營商的必爭之地，優(yōu)質(zhì)的覆蓋既是技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn)，也是運(yùn)營商品牌的強(qiáng)有力展示，高鐵沿線規(guī)劃時(shí)其特有的屬性，如350 km/h的移動(dòng)速度、密閉的車廂、穿透損耗極高的金屬車身等都是需要重點(diǎn)考慮的因素，而對于高鐵隧道來說，為保證列車安全，無法采用常規(guī)的天線對打方案，通常只能采用泄漏電纜進(jìn)行覆蓋。

經(jīng)過近幾年的LTE大規(guī)模建設(shè)，國內(nèi)大部分高鐵都已實(shí)現(xiàn)LTE全覆蓋，但隨著5G建設(shè)的啟動(dòng)，需要重新對高鐵沿線的站點(diǎn)進(jìn)行評估，本文將對高鐵隧道進(jìn)行單獨(dú)介紹。

1? ?高鐵隧道覆蓋現(xiàn)狀

根據(jù)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》8.4.4條規(guī)定[1]，隧道長度大于500 m時(shí)，應(yīng)在洞內(nèi)設(shè)置余長電纜腔。余長電纜腔應(yīng)沿隧道兩側(cè)交錯(cuò)布置，每側(cè)間距宜為500 m。余長電纜腔可與專用洞室結(jié)合設(shè)置。

結(jié)合京張高鐵等鐵路隧道實(shí)地考察，隧道內(nèi)兩側(cè)交替設(shè)置綜合洞室，每側(cè)間隔500 m，與標(biāo)準(zhǔn)一致，下述關(guān)于隧道綜合洞室的描述均基于此前提。隧道洞室分布示意圖1所示：

圖1? ? 高鐵洞室分布示意圖

目前國內(nèi)的高速隧道和其他普通隧道基本采用小型板狀天線或者八木天線的方式進(jìn)行覆蓋，雖然設(shè)計(jì)簡單、投資較小，但是并不適合高鐵隧道的覆蓋，主要原因一是對打天線由于入射角過小，無線信號無法有效穿透車體;二是列車快速通過會對天線的迎風(fēng)面產(chǎn)生較大的推拉作用，容易導(dǎo)致天線松動(dòng)，導(dǎo)致安全隱患。而泄漏電纜沿著隧道壁布放，信號輻射方向垂直于線纜，可有效解決入射角過小的問題，故現(xiàn)階段3G/4G的高鐵覆蓋基本采用泄漏電纜覆蓋。

現(xiàn)網(wǎng)2G/3G/4G在隧道內(nèi)的覆蓋如圖2所示，不同運(yùn)營商和不同制式的RRU通過POI設(shè)備進(jìn)行接入，由于頻段上的差異，3G/4G需要每洞室布置RRU設(shè)備，而2G則可以隔一個(gè)洞室布置。目前在網(wǎng)運(yùn)行的泄漏電纜支持頻段最高到達(dá)2.7 GHz，聯(lián)通和電信分配的5G頻段為3.3 GHz—3.6 GHz，無法接入現(xiàn)有的泄漏電纜，而移動(dòng)分配的5G頻段為2.6 GHz，可完美接入現(xiàn)有的泄漏電纜，故中國移動(dòng)在隧道建設(shè)上的難度和投資均相比于其他幾家運(yùn)營商要小，本文將不再詳細(xì)展開，接下來的章節(jié)將對3 GHz頻段的高鐵隧道覆蓋進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究。

圖2? ? 2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案示意圖

2? ?5G高鐵隧道覆蓋能力分析

2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)在高鐵隧道的泄漏電纜覆蓋方式已得到了實(shí)踐的驗(yàn)證，由于頻段適用范圍的限制，原有13/8"的泄漏電纜并不支持3.5 GHz頻段，故3 GHz頻段下5G網(wǎng)絡(luò)需要新建一套支持新頻段的5/4"泄漏電纜系統(tǒng)，但能否沿用現(xiàn)有的每洞室布置一套5G RRU設(shè)備的方式，仍需要進(jìn)行相應(yīng)的測算。本章節(jié)將采用鏈路預(yù)算對5G漏纜系統(tǒng)的覆蓋能力進(jìn)行測算。

2.1? 鏈路預(yù)算影響因素

針對高鐵隧道內(nèi)采用泄漏電纜進(jìn)行覆蓋的場景，在進(jìn)行鏈路預(yù)算分析時(shí)，需要考慮泄漏電纜的耦合損耗、百米損耗、高鐵車廂特殊材質(zhì)下的車廂屏蔽損耗以及高速移動(dòng)下的快衰落余量等因素，具體如表1所示：

最大輸出功率：UE的最大發(fā)射功率固定為26 dBm，而RRU輸出功率則可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的選擇，本文取48 dBm。

損耗：主要包括跳線和接頭損耗、POI插入損耗、漏纜傳輸損耗、漏纜耦合損耗（2 m處）、寬度因子、車輛屏蔽損耗、人體損耗。漏纜傳輸損耗取決于傳輸距離和頻段，接頭損耗取決器件本身的質(zhì)量和施工水平，漏纜耦合損耗取決于漏纜線徑和頻段，車廂屏蔽損耗則跟高鐵列車的材質(zhì)有關(guān)。

跳線及接頭損耗：RRU設(shè)備至POI設(shè)備至漏纜間軟跳線及接頭損耗，和軟跳線長度和接頭工藝相關(guān)。

POI插入損耗：POI插損主要包含電橋和多頻合路器損耗，多頻合路器端口數(shù)越多，損耗越大，最大不超過6 dB。

漏纜傳輸損耗：與信號頻率、漏纜尺寸、傳輸距離等參數(shù)相關(guān)。

漏纜耦合損耗（2 m處）：電纜中傳輸?shù)哪芰吭诰嚯x泄漏電纜2 m處所產(chǎn)生的損耗。傳輸損耗和耦合損耗是選擇泄漏電纜的關(guān)鍵因素。

寬度因子：對于垂直距離漏纜超過2 m處的電平損耗補(bǔ)償。

車廂屏蔽損耗：金屬材質(zhì)車身和車窗玻璃對信號的衰減，隨著高鐵列車的材質(zhì)不斷更新，車廂的屏蔽損耗也越來越高。

人體損耗：信號傳播過程中受人體阻擋所產(chǎn)生的信號衰減。

余量：主要包括快衰落余量和干擾余量。

快衰落余量：為了對抗隧道壁反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)和高速行駛產(chǎn)生的多普勒頻移引起的快衰落，需設(shè)置一定的快衰落余量。

干擾余量：對于同頻的通信系統(tǒng)，隨著周圍鄰小區(qū)負(fù)荷的不斷增加干擾水平也會上升，干擾水平的上升會造成覆蓋的收縮，在鏈路預(yù)算中，取定噪聲增加量為干擾余量。

2.2? 鏈路預(yù)算結(jié)果

根據(jù)本文覆蓋場景，特設(shè)定以下參數(shù)取值，其中頻段采取隧道內(nèi)外一致的策略，RRU信號通過POI合路后由5/4"寬頻泄漏電纜雙路輸出。具體參數(shù)設(shè)定如表2所示。

根據(jù)選定的上述參數(shù)，分別對3 500 MHz頻段的隧道覆蓋進(jìn)行上下行鏈路預(yù)算，其中接收機(jī)靈敏度和干擾余量、POI插入損耗、漏纜百米損耗和漏纜耦合損耗（2 m）處與廠商設(shè)備性能存在較大關(guān)系，文中結(jié)合了幾家主流廠家的參數(shù)進(jìn)行取值，最終得出鏈路預(yù)算結(jié)果如表3所示：

注1：上表中列車的車廂屏蔽損耗取值基于復(fù)興號列車的鋁合金材質(zhì);注2：接頭及跳線損耗與軟跳線長度和接頭工藝相關(guān)，文中近似按1 dB取值;注3：終端位置與漏纜距離超過2 m，需要對對耦合損耗值進(jìn)行補(bǔ)償，按6 dB取定;注4：快衰落余量綜合考慮多普勒頻移和多徑效應(yīng)，按6 dB取定

高鐵隧道洞距為500 m，若采取和現(xiàn)網(wǎng)相同的覆蓋方式，泄漏電纜單向覆蓋半徑應(yīng)達(dá)到250 m以上，而根據(jù)上表可知該數(shù)值為168 m，無法滿足5G信號有效覆蓋。

3? ?5G高鐵隧道覆蓋方案分析

從鏈路預(yù)算可知，沿用現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋方式無法實(shí)現(xiàn)高鐵隧道（下行50 Mbit·s-1、上行2 Mbit·s-1）的全線覆蓋，如要實(shí)現(xiàn)全線覆蓋，本文從以下兩個(gè)方向進(jìn)行分析：降低邊緣速率要求，提高單向覆蓋距離;利用高鐵隧道洞室兩側(cè)交替設(shè)置的特點(diǎn)，雙側(cè)設(shè)置漏纜，實(shí)現(xiàn)覆蓋互補(bǔ)。

（1）方案一：降低邊緣速率要求，提高單邊覆蓋能力

如表4所示，從鏈路預(yù)算結(jié)果可知，當(dāng)降低邊緣速率要求后（下行10 Mbit·s-1，上行256 kbit·s-1），上下行覆蓋達(dá)到了單邊250 m，勉強(qiáng)能夠?qū)崿F(xiàn)高鐵隧道的全線覆蓋，但犧牲了覆蓋質(zhì)量，尤其是上行邊緣速率僅達(dá)到了4G的要求。

（2）方案二：隧道雙側(cè)設(shè)置漏纜，實(shí)現(xiàn)覆蓋互補(bǔ)

高鐵隧道單邊洞室間距為500 m，根據(jù)高鐵隧道洞室雙側(cè)交替設(shè)置的特點(diǎn)，可在兩側(cè)同時(shí)布放泄漏電纜，此時(shí)對每段漏纜的覆蓋距離降低為單邊125 m，而從表3可知，滿足邊緣速率（下行50 Mbit·s-1、上行1 Mbit·s-1）條件下的漏纜單邊覆蓋距離為168 m，可有效滿足覆蓋要求。隧道雙側(cè)漏纜布放如圖3所示：

（3）方案對比

方案一的分析基于不增加額外信源、漏纜的前提下，如何實(shí)現(xiàn)5G的基本覆蓋，根據(jù)分析可知，為了實(shí)現(xiàn)5G信號的全覆蓋，需要降低邊緣速率為下行10 Mbit·s-1，上行256 kbit·s-1，適合于對于上行要求不高的隧道場景。

方案二的分析基于不降低覆蓋質(zhì)量的前提下，如何滿足5G連續(xù)覆蓋，根據(jù)分析可知，為了實(shí)現(xiàn)下行50 Mbit·s-1，上行1 Mbit·s-1的邊緣速率，需要合理利用隧道兩側(cè)綜合洞室的交替分布特性，通過隧道兩側(cè)優(yōu)勢互補(bǔ)，來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的覆蓋，但此種解決方案對建設(shè)投資、工程難度、后期維護(hù)費(fèi)用等都是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

4? ? 結(jié)論

無論是方案一通過降低邊緣速率要求提升覆蓋距離，還是方案二雙側(cè)布放漏纜實(shí)現(xiàn)覆蓋互補(bǔ)，均存在各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在選擇方案時(shí)，可結(jié)合目標(biāo)高鐵的重要性，在考量投資和覆蓋的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合選擇。在5G建設(shè)初期，運(yùn)營商所選擇的目標(biāo)基本為覆蓋價(jià)值高、品牌效應(yīng)明顯的高鐵，建議采用方案二進(jìn)行覆蓋。

后期隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn)，2.1 GHz頻段也將清理完畢，并成為5G的建設(shè)可選頻段之一，覆蓋高鐵隧道時(shí)，可考慮將2.1 GHz作為覆蓋層，3.5 GHz作為容量層，便可與方案一的建設(shè)方式互補(bǔ)，彼時(shí)，方案一便可成為大部分高鐵隧道的解決方案之一。

本文基于鏈路預(yù)算對高鐵隧道的覆蓋進(jìn)行了分析和對比，并針對性提出了適用場景，但由于4家運(yùn)營商頻段各異、網(wǎng)絡(luò)制式也各有不同，在實(shí)際建設(shè)過程中，還需要考慮不同制式、不同頻段共纜時(shí)所產(chǎn)生的二階互調(diào)和三階互調(diào)干擾，通過合理規(guī)劃有效降低干擾，從而達(dá)到高鐵隧道的高質(zhì)量覆蓋。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? 國家鐵路局. TB10621-2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2014： 81.

作者簡介

張曉江（orcid.org/0000-0003-1699-3302）： 高級工程師，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于華信咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作。

吳麗勇：工程師，畢業(yè)于浙江樹人大學(xué)，現(xiàn)任職于華信咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作。