高鐵隧道場景覆蓋方案探討

閻成剛

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，山東 濟南 250101）

0 引言

高鐵的覆蓋成為各運營商提升品牌實力增加客戶滿意度的必爭之地。高鐵的運行場景中有很多隧道，跟普通列車通過的隧道相比，高速列車通過的隧道規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)難度更大，高速列車速度運行速度普遍在300 km/h以上，小區(qū)間切換速度快、時間短，高速列車車體的穿透損耗大，而對于不同頻段的無線信號來說，頻率越高穿透損耗就越大，如何在狹長的隧道內(nèi)為客戶提供優(yōu)質(zhì)的2/3/4/5G網(wǎng)絡(luò)，對各家運營商來說都是一個挑戰(zhàn)[1-2]。目前對于高鐵隧道的覆蓋，通常采用信源+泄漏電纜的覆蓋方式，由于涉及多家運營商，還會引入多系統(tǒng)合路平臺（POI）。

1 高鐵隧道無線信號覆蓋面臨的挑戰(zhàn)

1.1 多徑效應(yīng)

隧道內(nèi)無線信號的傳播不同于自由空間的傳播方式，由于隧道洞壁的影響，無線信號會呈現(xiàn)出直射波、散射波、反射波等多徑傳播效應(yīng)，隧道洞壁同時對信號有吸收衰減作用，且隨著無線頻率的提高，傳播損耗會越大。

1.2 多普勒效應(yīng)

高速列車和基站之間由于相對速度過快會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，基站發(fā)射的無線信號頻率和終端接收到的信號頻率會不一樣，也就是會發(fā)生頻率偏移，導(dǎo)致基站和終端的解調(diào)性能降低，影響小區(qū)的重選、選擇和切換。

對于多普勒效應(yīng)引發(fā)的頻率偏移，目前各移動通信系統(tǒng)都引入一系列頻率補償算法用于克服多普勒頻偏，因此在高鐵的隧道場景下，多普勒效應(yīng)對通信系統(tǒng)的影響可以忽略不計。

1.3 切換

由于列車的高速運行，終端會頻繁的從一個服務(wù)小區(qū)切換到另外一個服務(wù)小區(qū)，切換過于頻繁一方面會增加系統(tǒng)的信令開銷，另一方面增加了掉話的概率，降低了用戶感知，因此在高鐵場景的組網(wǎng)方案中，單小區(qū)覆蓋距離要盡可能長，避免頻繁切換，另外在切換區(qū)域要預(yù)留足夠的切換時間，避免終端從一個小區(qū)向目標小區(qū)切換的過程中，目標小區(qū)還沒有完成切換動作就與原小區(qū)斷開了[3]。

對于單小區(qū)的覆蓋距離，目前主流設(shè)備廠家均支持12臺RRU設(shè)備級聯(lián)為一個邏輯小區(qū)，按照高鐵單個物理站只開通2個扇區(qū)來計算，理論上一臺BBU能夠支持6個物理站，按照物理站之間500 m的站間距來計算，單個邏輯小區(qū)所以覆蓋的距離約為3 km。

為保證各系統(tǒng)均有足夠的切換時間，需要在相鄰的邏輯小區(qū)間預(yù)留足夠的切換帶，在多系統(tǒng)共存的場景下，僅需按照切換時間最長的系統(tǒng)考慮切換帶即可。

1.4 車體損耗

由于高速列車均采用了封閉式廂體設(shè)計，車體的穿透損耗要遠大于普通列車。各種型號的車廂在不同速率下的車體穿透損耗如表1所示：

表1 車體穿透損耗對照表

2 高鐵隧道內(nèi)覆蓋解決方案

2.1 泄漏電纜+POI

POI也就是多系統(tǒng)合路平臺（point of interface），主要應(yīng)用于需要多種網(wǎng)絡(luò)制式接入的覆蓋場景，如交通樞紐、大型場館等。通過合路共用分布系統(tǒng)能夠有效節(jié)省投資，同時有效隔離系統(tǒng)間干擾。作為連接信源與分布系統(tǒng)的橋梁，POI能夠在下行將各系統(tǒng)信號合路，同時在上行對各系統(tǒng)信號進行分路。

泄漏電纜最初是為了解決地下隧道這一類場景的無線覆蓋而發(fā)明出來的，它實際上是一種外導(dǎo)體上設(shè)有許多周期性槽孔的同軸電纜，當射頻段信號通過泄漏電纜時，會通過槽孔向外輻射，普通的同軸電纜是將射頻能量最大限度地從電纜的一端傳導(dǎo)到另外一端，而泄漏電纜反其道而行，特意減小射頻信號在電纜傳輸過程中的橫向屏蔽，從而使能量部分地從電纜內(nèi)泄漏到電纜外。用漏纜覆蓋隧道時，信源RRU安裝于洞室內(nèi)，漏纜的沿洞壁水平布放，高度盡可能與高速列車的車窗持平，這樣無線信號可通過漏纜輻射，穿過車窗，直達車廂內(nèi)的用戶[4-5]。

當漏纜處于單模輻射狀態(tài)，而其他高階模處于非輻射狀態(tài)時的頻率區(qū)間叫作漏纜的工作頻帶，抑制其他高階信號產(chǎn)生的最大頻率叫作漏纜的截止頻率，公式如下所示：

式中，c為光速；εr為絕緣層相對介電常數(shù)；d為內(nèi)導(dǎo)體的等效直徑；D為外導(dǎo)體等效直徑。

目前高鐵隧道覆蓋多采用13/8漏纜，可有效支持各運營商的頻段。

2.2 鏈路預(yù)算分析

在隧道中泄漏電纜沿洞壁布放，實際距車廂的水平距離在6-7 m左右，而漏纜的傳輸損耗均在距漏纜水平2 m處測得，故在2 m距離外會產(chǎn)生6 dB左右的自由空間傳播損耗。在隧道中主要是上行覆蓋受限，故僅需要考慮上行鏈路預(yù)算，下面以5G 2.6 GHz頻段為例，計算在上行邊緣速率為1 Mb/s情況下的鏈路預(yù)算情況，所需各項參數(shù)如表2所示，考慮到在隧道內(nèi)會有兩列高速列車相向行駛的情況，車體損耗作了相應(yīng)增加。

表2 上行鏈路預(yù)算參數(shù)表

（1）POI插入損耗：POI插損主要包括多頻合路器和電橋的損耗，損耗會隨著合路器端口數(shù)的增多而增大，最大不超過6 dB，本次鏈路預(yù)算中按5 dB計取。

（2）泄漏電纜傳輸損耗：與系統(tǒng)制式、電纜的規(guī)格型號以及傳輸距離有關(guān)。

（3）泄漏電纜2 m處耦合損耗：漏纜在2 m處所產(chǎn)生的損耗。

（4）額外空間傳播損耗（4 m）：信號自漏纜輻射至車體之間的自由空間的傳播損耗。

（5）車體損耗：車身和車窗對信號的損耗，不同型號的車廂對信號的衰減程度不同。

（6）余量：主要為干擾余量和快衰落余量。

在滿足接收機靈敏度的前提下，允許的最大路徑 損 耗-4.51+2-34-5-65-2-6-6-（-124）=15.49 dB。在使用13/8漏纜的情況下，允許的最大傳輸距離為15.49÷6.19×100=250 m。

由上行鏈路預(yù)算結(jié)果可知，在隧道內(nèi)單向覆蓋的最遠距離為250 m，考慮到邏輯小區(qū)間切換的需要，建議隧道內(nèi)RRU信源的放置間距也為250 m。

3 結(jié)束語

綜上所述，泄漏電纜+POI的方式可有效解決高鐵隧道場景的覆蓋問題，很好地結(jié)合了隧道場景的特點和無線信號覆蓋的需求，在實際實施時，還應(yīng)根據(jù)具體饋入的系統(tǒng)頻段選擇合適的泄漏電纜。