高鐵隧道5G 覆蓋應(yīng)用漸變輻射型漏纜的研究*

許 灝，王 渤，俞 彬，李益鋒，許 彬，陶昕

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310026）

0 引言

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（簡稱5G）是當(dāng)前我國奠定全球科技領(lǐng)先地位的重要支撐，也是我國“新基建”戰(zhàn)略的一個(gè)焦點(diǎn)。同時(shí)，高速鐵路作為我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的大動(dòng)脈，是國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的催化劑[1]。

5G 采用大規(guī)模天線技術(shù)，具有大連接、高速率和低時(shí)延等特點(diǎn)，5G 網(wǎng)絡(luò)的天線基本通道數(shù)可達(dá)到64，128 和256個(gè)[2]。

在高鐵時(shí)速不斷提升的背景下，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)遭遇了前所未有的挑戰(zhàn)，不僅要求通信運(yùn)營商提升無線覆蓋的能力，而且要求5G 應(yīng)用帶給乘客更高端的體驗(yàn)[3]。

我國高鐵所經(jīng)路段多位于丘陵峽谷，隧道多且長，彎道多，車廂對(duì)無線信號(hào)具有較強(qiáng)的屏蔽和反射作用，且隧道內(nèi)施工條件有限、安全性能要求高、通信設(shè)施布置困難。在高鐵隧道內(nèi)，由于外部信號(hào)無法直接引入，無線信號(hào)通常會(huì)采用射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）+漏泄同軸電纜（簡稱漏纜）沿隧道壁布放的方式進(jìn)行覆蓋，優(yōu)先選擇4條漏纜（4 通道）方式進(jìn)行覆蓋。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)通常采用兩條漏纜（2 通道）的覆蓋方式，這主要受限于隧道托臂上安裝空間不足。常見漏纜結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 泄露電纜結(jié)構(gòu)

漏纜在外形上與普通射頻同軸電纜類似，結(jié)構(gòu)上由內(nèi)導(dǎo)體、開有周期性槽孔的外導(dǎo)體及兩者之間的絕緣介質(zhì)3 部分組成。

當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的主流頻段為中國電信和中國聯(lián)通的3.5 GHz，以及中國移動(dòng)的2.6 GHz，這兩種頻段，尤其是3.5 GHz 頻段的覆蓋能力和穿透能力相比前幾代移動(dòng)通信大幅度減弱，給5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)帶來更大的挑戰(zhàn)[4]。

本文將從高鐵車廂特征、隧道構(gòu)造、無線信號(hào)傳播特性及漏纜參數(shù)等一系列要素展開研究。為解決5G 信號(hào)弱覆蓋問題，提出用漸變輻射型漏纜覆蓋隧道內(nèi)車廂的方法，并通過仿真和實(shí)際案例驗(yàn)證該方法的可行性。

1 無線通信在高鐵隧道覆蓋中的特性

1.1 高鐵隧道場景特點(diǎn)

與普通鐵路隧道相比，高速鐵路的隧道截面積大，所經(jīng)路段地質(zhì)更為復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性的要求極高。高鐵隧道可以看作一個(gè)長方體形的封閉區(qū)間，長度一般在幾公里到十幾公里不等，少數(shù)可達(dá)二三十公里，多為單孔雙向布置，寬度接近13 m，高度在7 m 左右[5]，典型的高鐵隧道內(nèi)場景如圖2 所示。

圖2 高鐵隧道場景

高鐵隧道無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有以下特征：

（1）高鐵隧道漏纜布放條數(shù)受限，建設(shè)單位需考慮多運(yùn)營商共享。漏纜系統(tǒng)需要引入多個(gè)運(yùn)營商的頻段及制式，最常見的方式是采用多系統(tǒng)合路平臺(tái)（Point Of Interface，POI）合路。

（2）高鐵隧道對(duì)外部信號(hào)屏蔽性好，除出入口附近外，其他區(qū)域不會(huì)受到外部信號(hào)干擾，因此也不受異廠家基站插花組網(wǎng)的影響[6]。

（3）高鐵隧道是窄長方形結(jié)構(gòu)，隧道截面直徑通常在12～15 m，每間隔500 m 存在一個(gè)避車洞，可用于通信設(shè)備安裝[7]。

（4）高鐵用戶對(duì)語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都有很高需求，但是用戶量受限于列車車廂座位數(shù)，對(duì)容量的需求相對(duì)可控。

1.2 高鐵隧道覆蓋的技術(shù)特點(diǎn)

高鐵隧道的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)特征決定無線信號(hào)覆蓋技術(shù)有以下特點(diǎn)：

（1）由于高鐵隧道一般較為狹長，信號(hào)受車體阻擋損耗極大，因此信號(hào)沿隧道橫截面直接向車廂輻射是最好的方式。采用POI 合路一套漏纜系統(tǒng)，具有支持頻段寬、可控性高、利于控制多系統(tǒng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是信號(hào)場強(qiáng)并非呈現(xiàn)均勻分布，而是離信源越近場強(qiáng)越大[8]。

（2）為了安全性和便利性，鐵路方通常要求民用通信主設(shè)備及配套安裝在避車洞內(nèi)，每500 m 設(shè)置一個(gè)信源安裝點(diǎn)，因此需要增強(qiáng)信源輸出功率或者減小漏纜傳輸損耗來保證邊緣場強(qiáng)滿足最低要求。

（3）高鐵運(yùn)行中信號(hào)穩(wěn)定性較差，通常采用室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）+RRU 這類高性能的設(shè)備作為信號(hào)源。

（4）高鐵是安全等級(jí)要求最高的交通工具之一，對(duì)設(shè)備安全可靠性、維護(hù)便捷性要求高。因設(shè)備檢修只能在后半夜進(jìn)行，所以設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減少設(shè)備數(shù)量，以減少在隧道中維護(hù)檢修的工作量[9]。

（5）高鐵出入口與地面室外網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)置良好的切換帶，最有效便捷的辦法是在靠近隧道洞口的漏纜末端加裝高增益對(duì)數(shù)天線，使隧道內(nèi)信號(hào)泄露出去。天線長度通常在100 m 左右，以延長隧道內(nèi)外信號(hào)的切換時(shí)間[10]。

1.3 現(xiàn)階段高鐵隧道覆蓋的常規(guī)思路

隨著高鐵出行的商務(wù)人士越來越多，人們對(duì)網(wǎng)速的要求越來越高，希望得到更高端的乘客體驗(yàn)。5G 具備超高速率、超低時(shí)延及海量連接等優(yōu)點(diǎn)，恰好能最大限度地滿足乘客要求。

目前高鐵隧道的移動(dòng)通信系統(tǒng)一般由中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國電信3 家通信運(yùn)營商統(tǒng)一委托給中國鐵塔公司建設(shè)。鐵塔公司在多系統(tǒng)POI 側(cè)提供運(yùn)營商相應(yīng)制式的接入端口，并根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)來設(shè)計(jì)配套設(shè)備[11]。

3 家運(yùn)營商的信號(hào)經(jīng)POI 后，再通過漏纜發(fā)射出去，以此完成對(duì)隧道內(nèi)高鐵車廂的覆蓋[12]。

根據(jù)鐵路方提供的安裝環(huán)境差異，漏纜在高鐵隧道內(nèi)的布放可分為單纜、雙纜、4 纜等幾種方式，目前雙纜是國內(nèi)高鐵隧道覆蓋的主流模式[13]，如圖3 所示。

圖3 高鐵隧道雙纜覆蓋系統(tǒng)

雙纜的優(yōu)勢(shì)有：

（1）雙纜相比4 纜，可以節(jié)省非?？捎^的費(fèi)用，可以使運(yùn)營商的租金成本最低化；

（2）單纜最大下行速率一般在400 Mbit/s 以下，無法滿足遠(yuǎn)期5G 高端應(yīng)用，而雙纜相比單纜，可實(shí)現(xiàn)兩收兩發(fā)（Two Receiving and Two Sending，2T2R）的多進(jìn)多出（Multiple In Multiple Out，MIMO）模式，理論上速率翻倍；

（3）雙纜占用高鐵隧道托臂的空間資源較少，安裝難度低，適用性強(qiáng)；

（4）當(dāng)前行業(yè)內(nèi)3.5 GHz RRU 設(shè)備主要有2×160 W 2T2R 高功率和8×50 W 8T8R 低功率兩種，雙纜可采用高功率設(shè)備作為信源，而4 纜只能采用低功率設(shè)備，即雙纜在信源輸出功率上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

雙纜的劣勢(shì)有：

（1）5G 只能實(shí)現(xiàn)2T2R，各家運(yùn)營商5G 的部分指標(biāo)會(huì)下降，例如傳輸速率會(huì)比4 纜下降30%～40%；

（2）對(duì)漏纜的性能指標(biāo)要求較高，整個(gè)系統(tǒng)要求漏纜兼容2G、3G、4G 和5G 頻段[14]。

接下來以雙纜模式為例進(jìn)行說明。所謂雙纜方案，即分布系統(tǒng)由POI 及兩條漏纜組成，兩條漏纜間距要求在10 倍波長以上，一般以實(shí)現(xiàn)MIMO 的最低頻段作為要求[15]。

研究發(fā)現(xiàn)，4.13 cm 漏纜截止頻率為2.7 GHz，不適合3.5 GHz 頻段的傳播，而3.18 cm 漏纜截止頻率為3.7 GHz，因此實(shí)際工程中采用3.18 cm 漏纜進(jìn)行覆蓋[16]。

2 漸變輻射型漏纜覆蓋性能分析

信號(hào)在漏纜中縱向傳播的同時(shí)也通過外導(dǎo)體槽孔，以一定方向向外放射電磁波；同理外部的信號(hào)也可經(jīng)由這些槽孔流入漏泄同軸電纜內(nèi)，從而使電磁波沿漏電纜縱向傳輸?shù)浇邮斩丝赱17]。

2.1 主要損耗參數(shù)定義

2.1.1 系統(tǒng)損耗Ls

系統(tǒng)損耗Ls為漏纜傳輸損耗與95%概率的耦合損耗之和，即Ls=α+Lc(95%)，其中，α為漏泄同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體間的傳輸損耗，單位為dB/km，Lc(95%)表示漏纜百分之九十五概率的耦合損耗。

2.1.2 傳輸損耗α

傳輸損耗α表征信號(hào)在電纜內(nèi)部所傳輸能量損耗的最關(guān)鍵特性。對(duì)漏纜來說，漏纜外部環(huán)境的不同會(huì)影響漏纜的衰減性能，但該性能最主要還是受制于漏纜外導(dǎo)體的槽孔排列方式。傳輸損耗的計(jì)算方式為α=αc+αd+αr，其中，α表示漏纜傳輸損耗，αc表示漏纜導(dǎo)體損耗，αd表示漏纜介質(zhì)損耗，αr表示漏纜輻射損耗。

2.1.3 耦合損耗

耦合損耗表征漏纜內(nèi)外導(dǎo)體間還有與周圍環(huán)境之間相互耦合強(qiáng)度特征的參數(shù)，其定義為Lc=10lgpt/pr，其中，Lc為耦合損耗，pt為漏纜內(nèi)某點(diǎn)的傳輸功率，pr為標(biāo)準(zhǔn)偶極天線在該點(diǎn)的接收功率。

耦合損耗受電纜外導(dǎo)體槽孔排列方式及外部對(duì)信號(hào)的干擾或反射的影響。頻段越寬、輻射越強(qiáng)就意味著漏纜耦合損耗越低。

2.2 漏纜的能量傳播特征

首先分析漏纜的輻射模式理論，計(jì)算輻射場分布。周期性槽孔的軸流式信號(hào)傳播原理和在不同材質(zhì)的漏泄同軸電纜中的導(dǎo)行信號(hào)傳播原理基本相同，是通過把很少部分在漏泄同軸電纜內(nèi)部傳播的能量耦合起來，在漏泄同軸電纜的外導(dǎo)線上產(chǎn)生輻射波。如圖4 所示，漏纜外導(dǎo)體開有周期為ρ的槽孔，E表示漏纜附近的場強(qiáng)，則有：

圖4 輻射型漏纜開槽口結(jié)構(gòu)與柱坐標(biāo)

式中：α0為導(dǎo)行波的衰減常數(shù)；為漏纜導(dǎo)體內(nèi)的傳播常數(shù)；k0為自由空間傳播常數(shù)；ξr是漏纜內(nèi)介質(zhì)的相對(duì)介質(zhì)常數(shù)；M(η,r,φ)為與徑向傳播常數(shù)η以及柱坐標(biāo)r，φ有關(guān)的函數(shù)。式（1）省略了時(shí)間因子ejωt。

基于Floquet 定理，在無窮長度的周期性結(jié)構(gòu)中，由于不同周期間的場特性相同，在相鄰槽孔之間的場強(qiáng)相差一個(gè)復(fù)數(shù)常數(shù)，所以式（1）中的Z(z)一定是周期性函數(shù)，并且周期為ρ，將其展開成傅里葉級(jí)數(shù)，則有：

式中：m取整數(shù)；Zm為傅里葉系數(shù)。

將式（2）代入式（1）中得到[18]：

常規(guī)漏泄同軸電纜采用外導(dǎo)體均勻開槽，即槽孔都是等規(guī)格、等距離設(shè)置，這類漏纜任何一處耦合損耗都是相同的。3.18 cm 常規(guī)輻射型漏纜槽型如圖5 所示，實(shí)測(cè)損耗如表1 所示。

圖5 3.18 cm 常規(guī)漏泄同軸電纜槽型

從表1 可以看出，無論在什么頻段，信號(hào)在漏纜內(nèi)部傳輸?shù)耐瑫r(shí)，始終在等比例向外輻射能量。理論上信號(hào)呈線性衰弱，在靠近信源端較長一段區(qū)域內(nèi)信號(hào)一般是非常強(qiáng)的，這種現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是一種能量浪費(fèi)。

表1 常規(guī)3.18 cm 漏泄同軸電纜損耗指標(biāo)

為了滿足覆蓋要求，在同一根漏纜上設(shè)計(jì)不同密度的槽孔，至少兩組不同的槽孔組，在靠近信源側(cè)增加孔距來實(shí)現(xiàn)更低的損耗，從而能有效補(bǔ)償末端場強(qiáng)，變相增加5G 漏纜覆蓋距離，改善末端信號(hào)覆蓋效果。如圖6 所示。

圖6 漸變輻射型漏纜槽型

各類漸變式輻射漏纜的槽孔參數(shù)不完全相同，槽孔參數(shù)具體包括但不限于槽孔的形狀、槽寬、槽長、開槽傾角、開孔間距等。本文以開孔間距的差異作為參數(shù)來研究漸變輻射型漏纜?，F(xiàn)實(shí)中漏纜廠商不會(huì)提供具體參數(shù)的漸變輻射型漏纜，而是按工程的需要，根據(jù)漏纜長度、漏纜輸出場強(qiáng)等要求，來計(jì)算不同槽孔組的開孔間距，如式（1）、式（2）、式（3）。

以某高鐵隧道使用的一段3.18cm 漸變式輻射型漏纜為例，根據(jù)廠商提供的漏纜實(shí)物，實(shí)驗(yàn)測(cè)得漏纜系統(tǒng)損耗如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)得3.18 cm 漸變輻射型漏纜系統(tǒng)損耗指標(biāo)

2.3 兩種漏纜的鏈路預(yù)算對(duì)比

2.3.1 鏈路預(yù)算模型

由于不同運(yùn)營商使用的無線頻段之間差異較大，各頻段射頻信號(hào)在漏纜中傳輸?shù)乃p明顯不同，電磁波在空間傳播也不一致，這就要求信號(hào)在漏纜各個(gè)漏泄點(diǎn)的輸出功率不一致。目前中國移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)主要使用2.6 GHz 頻段，而中國聯(lián)通和中國電信主要使用3.5 GHz 頻段，根據(jù)高頻段衰減大的特性，相同輸出功率的信號(hào)若滿足較高頻段的覆蓋需求，必然也滿足較低頻段的覆蓋需求。下文以中國聯(lián)通的3 500～3 600 MHz 頻段作為覆蓋頻段，采用3.18 cm 漏纜進(jìn)行論證[19]。

建筑物室內(nèi)傳播模式是受限的自由空間傳播模式，信號(hào)總傳輸損耗的表達(dá)式為：

式中：d為傳輸路徑的長度，單位為m；PL(d)為路徑為d的總傳輸損耗值；d0為參考的近距離，單位為m；PL(d0)為近地參考距離自由空間衰減值，通常d0=1 m；β為路徑損耗因子，取值范圍為0～1.6 dB/m；FAF為隔墻損耗，取值范圍為5～30 dB[20]；f為工作頻率，單位為MHz。

2.3.2 常規(guī)漏纜的鏈路預(yù)算

3.5 GHz 頻段的穿透損耗主要來自車體損耗，3.5 GHz穿透損耗為30 dB，因設(shè)備安裝點(diǎn)間距為500 m，即單邊漏纜覆蓋距離固定為250 m，對(duì)隧道內(nèi)的覆蓋進(jìn)行鏈路預(yù)算如表3。

表3 3.18cm 常規(guī)漏泄電纜3.5 GHz 頻段鏈路預(yù)算

根據(jù)以上鏈路預(yù)算，高鐵隧道使用3.18 cm 型常規(guī)漏纜，250 m 處高鐵車廂內(nèi)邊緣的5G 場強(qiáng)為-114.42 dBm，而中國電信和中國聯(lián)通要求邊緣場強(qiáng)不小于-110 dBm。因此，常規(guī)3.18cm 漏泄電纜無法滿足運(yùn)營商覆蓋要求。

2.3.3 漸變輻射型漏纜的鏈路預(yù)算

漸變輻射型漏纜在同一根漏纜上根據(jù)覆蓋要求設(shè)計(jì)多種不同間距或不同大小的槽型，有效降低漏纜損耗，用于補(bǔ)償末端場強(qiáng)不足，可以改善末端信號(hào)場強(qiáng)，從而增加5G 漏纜的有效覆蓋距離。漸變輻射型漏纜鏈路預(yù)算如表4 所示。

根據(jù)以上鏈路預(yù)算，高鐵隧道使用漸變輻射型3.18 cm 漏纜250 m 處高鐵車廂內(nèi)邊緣的5G 場強(qiáng)為-107.92 dBm，高于中國電信和中國聯(lián)通最小邊緣場強(qiáng)要求（-110 dBm），結(jié)論顯示漸變輻射型3.18 cm 漏纜滿足運(yùn)營商覆蓋要求。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 兩種漏纜的仿真對(duì)比

根據(jù)3.18 cm 常規(guī)漏纜和3.18 cm 漸變輻射型漏纜的兩種覆蓋方案，參考表3 和表4 鏈路預(yù)算，采用2×100 W 2T2R 5G RRU 作為信源，分別對(duì)一段長度為500 m 左右的盾構(gòu)區(qū)隧道，進(jìn)行車廂覆蓋仿真，如圖7 所示。

圖7 兩種漏纜的仿真圖對(duì)比

表4 3.18 cm 漸變輻射型漏纜3.5 GHz 頻段鏈路預(yù)算

同步信號(hào)參考信號(hào)接收功率（Synchronization Signal Reference Signal Received Power，SS-RSRP）仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖8、圖9 所示。

圖8 3.18cm 常規(guī)漏纜覆蓋仿真結(jié)果

圖9 3.18cm 漸變輻射型漏纜覆蓋仿真結(jié)果

從圖8、圖9 可以看出，兩種漏纜的覆蓋效果具有明顯差異，常規(guī)漏纜列車區(qū)域的SS-RSRP 有8%的區(qū)域在-110 dBm 以上，無法滿足行業(yè)內(nèi)95%以上區(qū)域場強(qiáng)達(dá)到-110 dBm 覆蓋的需求，而漸變輻射型漏纜列車區(qū)域的SS-RSRP 僅有4.1%的區(qū)域在-110 dBm 以上，可以滿足該覆蓋需求。

由于漸變輻射型漏纜的場強(qiáng)存在突變現(xiàn)象，會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性有所影響，因此建議在傳播損耗相對(duì)較低、單邊漏纜相對(duì)短的地鐵隧道、公路隧道采用常規(guī)漏纜覆蓋，在傳播損耗較大、單邊漏纜長的高鐵隧道等場景，采用漸變輻射型漏纜來減少系統(tǒng)損耗。在車廂內(nèi)乘客走動(dòng)時(shí)，部分區(qū)域的車體損耗會(huì)提升，常規(guī)漏纜的非達(dá)標(biāo)覆蓋區(qū)域比例會(huì)進(jìn)一步增加，漸變輻射型漏纜的優(yōu)勢(shì)也愈發(fā)明顯。

3.2 漸變輻射型漏纜實(shí)例論證

本文選取2021 年初開通運(yùn)營的某高鐵為例進(jìn)行驗(yàn)證。該高鐵一期全長226 km，路經(jīng)地區(qū)多山，包括4 個(gè)隧道，總長度44 km，隧道無線信號(hào)首次采用3.18 cm 漸變輻射型漏纜覆蓋，通車前采用5G RRU（3 500～3 600 MHz）作為信源，其中RRU 安裝間距為500 m，信號(hào)經(jīng)POI 合路后通過漏纜向左右兩側(cè)隧道覆蓋，單側(cè)漏纜的實(shí)際長度在250～270 m之間。對(duì)部分隧道車廂內(nèi)進(jìn)行5G 場強(qiáng)測(cè)試，測(cè)試采用鼎力路測(cè)軟件，結(jié)果如圖10、表5 和表6 所示。

圖10 某高鐵隧道5G 覆蓋SS-RSRP 測(cè)試

表5 某高鐵隧道5G 覆蓋驗(yàn)證測(cè)試環(huán)境

表6 某高鐵隧道5G 覆蓋驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

圖10 用不同的灰度代表不同場強(qiáng)區(qū)間，可以看出，隧道內(nèi)SS-RSRP 基本都在-110 dBm 以上，大部分落在(-105 dBm,-95 dBm)區(qū)間，只有極少區(qū)段未能滿足指標(biāo)，可以滿足覆蓋指標(biāo)要求。

4 結(jié)語

高鐵隧道內(nèi)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，無線信號(hào)傳播阻力大，要想達(dá)到覆蓋目標(biāo)，就需要深入解剖現(xiàn)有的技術(shù)缺點(diǎn)并加以改善。本文系統(tǒng)地分析了新舊兩種漏纜方案，對(duì)5G 頻段傳播特性和漏纜參數(shù)進(jìn)行研究對(duì)比，并通過實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了漸變輻射型漏纜方案的可行性，為未來隧道類場景建設(shè)提供了借鑒。