隧道5G信號(hào)覆蓋新技術(shù)研究

［張雪強(qiáng) 康同海 張澤旭］

1 引言

各運(yùn)營(yíng)商在5G網(wǎng)絡(luò)可用頻段中分配到的不同網(wǎng)絡(luò)頻段建設(shè)5G信號(hào)，目前移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)主力覆蓋頻段為2.6 GHz。電信和聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)主力覆蓋頻段為3.4～3.6 GHz，受高頻電磁波傳播損耗大、傳播距離近的傳播特性影響，高鐵和地鐵隧道的設(shè)備安裝洞室距離較大或者設(shè)備安裝位置緊張的影響，使得5G信號(hào)在隧道內(nèi)的覆蓋難度增加。地鐵是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要口碑場(chǎng)景，在5G已商用的情況 下，如何實(shí)現(xiàn)多家運(yùn)營(yíng)商多個(gè)通信系統(tǒng)（2G/3G/4G/5G）的共存、實(shí)現(xiàn)良好的覆蓋和干擾協(xié)同，是地鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)的重要課題和難點(diǎn)。[1]

2 項(xiàng)目詳細(xì)內(nèi)容

2.1 項(xiàng)目背景

（1）5G無(wú)源室分的器件、線纜產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度制約著5G無(wú)源室分的建設(shè)模式發(fā)展。

4G時(shí)代，無(wú)源器件僅支持到2 700 MHz頻段，不支持5G的主流高頻段。同時(shí)在同一套共享的室分系統(tǒng)中，不僅僅要滿(mǎn)足5G系統(tǒng)的接入，還要滿(mǎn)足原有2/3/4G系統(tǒng)的接入，系統(tǒng)多、頻率碎片化，頻段寬度大，對(duì)5G的共享能力和抗干擾能力提出了更高的要求。無(wú)源器件能否適應(yīng)5G室分需求直接影響5G室分建設(shè)。

（2）高鐵、地鐵隧道設(shè)備安裝位置受限，建設(shè)方式單一增加5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度。

高鐵車(chē)速快，隧道為一洞兩軌，所有設(shè)備需安裝設(shè)備洞室中，地鐵車(chē)速較快，隧道為一洞一軌，所有設(shè)備需安裝隧道墻壁上。因高鐵列車(chē)和地鐵列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)，猶如活塞使隧道中的風(fēng)速很大，為了保證列車(chē)安全，對(duì)安裝在隧道壁上的設(shè)備要求極高，使有很多設(shè)備沒(méi)有辦法在上安裝，隧道的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋只能通過(guò)建設(shè)泄露電纜的方式解決[2]。

（3）地鐵作為特殊場(chǎng)景，在無(wú)線覆蓋方面較地面普通場(chǎng)景(樓宇、公共場(chǎng)所等) 具有以下特點(diǎn)：

①地鐵的建筑結(jié)構(gòu)一般分為站廳、站臺(tái)和隧道區(qū)間三部分，覆蓋區(qū)域復(fù)雜;

② 人流量在高峰和閑時(shí)存在巨大差異，高峰瞬時(shí)話務(wù)量突出;

③地鐵移動(dòng)性強(qiáng)，涉及隧道內(nèi)、站廳和站臺(tái)地鐵和室外的切換;

④ 無(wú)線信號(hào)在隧道區(qū)間中傳播時(shí)容易產(chǎn)生快衰落，并且穿透車(chē)體兩側(cè)屏蔽門(mén)產(chǎn)生較大的損耗[3]。

2.2 主要科技創(chuàng)新

為了更好地支持5G高頻段，國(guó)際首創(chuàng)漏纜寬高頻陣列源技術(shù)和分段耦合技術(shù)，研發(fā)推出全頻段5G漏纜和低損耗5G漏纜，大幅提升了5G高頻段的輻射性能，有效解決了5G高頻段隧道覆蓋難題。

（1）國(guó)際首創(chuàng)采用寬高陣列源技術(shù)的全頻段5/4〞漏纜

漏纜的每個(gè)槽孔都是激勵(lì)源，由開(kāi)槽處電場(chǎng)分布的柱面傅里葉變換得到漏纜的輻射場(chǎng)以及輻射損耗，漏纜的傳輸損耗和耦合損耗是多個(gè)激勵(lì)源陣列的疊加效果。傳輸損耗一般主要與使用頻段的波長(zhǎng)以及漏纜的物理尺寸相關(guān)，優(yōu)化提升的空間較小。耦合損耗是泄漏電纜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，決定了電磁波的輻射強(qiáng)度和范圍。由漏纜的傳輸衰減模型可知，對(duì)于同一頻段，耦合損耗主要與槽孔的尺寸、排列方式相關(guān)，因此提升漏纜輻射性能的關(guān)鍵在于槽孔設(shè)計(jì)。

通過(guò)理論計(jì)算和三維建模仿真相結(jié)合，不斷優(yōu)化迭代槽孔尺寸和槽型，發(fā)明了寬高頻陣列源技術(shù)，它具有損耗低、帶寬大、抑制中高頻諧波的優(yōu)點(diǎn)。采用寬高頻陣列源技術(shù)研發(fā)推出了全頻段5/4〞漏纜，支持700～3 700 MHz頻段，5G高頻段的250 m綜合損耗較常規(guī)產(chǎn)品降低了7～20 dB，而且高低頻段的綜合損耗更加均衡，差距在4 dB以?xún)?nèi)，在地鐵隧道場(chǎng)景覆蓋距離可達(dá)500 m以上，5G高頻段覆蓋距離提升了1倍以上。

（2）國(guó)際首創(chuàng)采用分段耦合技術(shù)的低損耗5/4〞漏纜

傳統(tǒng)漏纜采用固定槽孔設(shè)計(jì)，由漏纜的傳輸衰減模型可知，對(duì)于同一頻段，耦合損耗固定。所以在靠近基站信源的覆蓋始端信號(hào)過(guò)強(qiáng)，存在信號(hào)功率浪費(fèi)的情況，在遠(yuǎn)離基站信源的覆蓋末端信號(hào)偏弱、功率不足，這種特性導(dǎo)致漏纜覆蓋距離過(guò)短。

發(fā)明了分段耦合技術(shù)，采用漸變的開(kāi)槽設(shè)計(jì)，在漏纜不同的位置按需采用不同的耦合損耗。在靠近基站信源的覆蓋始端加大耦合損耗，減少信號(hào)輻射量，減少功率浪費(fèi)，在遠(yuǎn)離基站信源的覆蓋末端減小耦合損耗，加大信號(hào)輻射量，彌補(bǔ)覆蓋短板，從而達(dá)到提升覆蓋距離的目的。采用分段耦合技術(shù)研發(fā)推出了低損耗5/4〞漏纜，支持1 700～3 700 MHz頻段，5G高頻段的250 m綜合損耗較常規(guī)產(chǎn)品降低約9～24 dB，性能指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，在地鐵隧道場(chǎng)景覆蓋距離達(dá)到700 m以上，5G高頻段覆蓋距離提升約1.5倍。

2.3 客觀評(píng)價(jià)

在面對(duì)高鐵、地鐵隧道5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大、投資高的行業(yè)壓力下，通過(guò)產(chǎn)品的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)2/3/4/5G室分的共享和集約化建設(shè)，項(xiàng)目助力京張高鐵成為全球首條5G全覆蓋的高鐵線路，助力全部各地地鐵5G信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)地鐵直播不卡頓。將高鐵、地鐵5G信號(hào)和超高清視頻編解碼技術(shù)三大中國(guó)“名片”合為一體，在全世界尚屬首例，為行業(yè)創(chuàng)造了可觀的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

主要成果：發(fā)明并研發(fā)了一種性能漸變的漏泄同軸電纜和一種寬高頻低損耗均勻輻射漏泄同軸電纜，大幅提升了5G高頻段的輻射性能，有效解決了5G高頻段室內(nèi)覆蓋難題。兩款創(chuàng)新5G漏纜產(chǎn)品的性能指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，在地鐵隧道覆蓋距離提升1倍以上[4]。

該項(xiàng)目為重大的工程科技創(chuàng)新，為室分共享建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，有力地支撐了低成本、高質(zhì)量的共享發(fā)展模式。該項(xiàng)目創(chuàng)新成果的實(shí)用價(jià)值高、應(yīng)用前景廣，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，有力地推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)升級(jí)，為我國(guó)4G規(guī)模建設(shè)、5G率先開(kāi)局發(fā)揮了重要作用，隨著5G室分的規(guī)模建設(shè)，還將持續(xù)為行業(yè)創(chuàng)造更多價(jià)值。

3 應(yīng)用情況和效益

3.1 應(yīng)用情況

（1）省內(nèi)應(yīng)用情況

2019 年 12 月 30 日，北京至張家口高鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，張家口至北京最快運(yùn)行時(shí)間僅需 47 分鐘。與此同時(shí)，京張高鐵 5G 信號(hào)覆蓋通過(guò)全線建設(shè)低損耗漏纜完成網(wǎng)絡(luò)覆蓋，京張高鐵成為全國(guó)首批 5G 高鐵，旅客可體驗(yàn)全面升級(jí)的移動(dòng)通信服務(wù)，坐高鐵、看高清視頻、暢享 5G 網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。

河北省會(huì)石家莊地鐵項(xiàng)目，5G 信號(hào)覆蓋全線使用低損耗漏纜建設(shè)完成，確保石家莊地鐵5G信號(hào)全覆蓋。

（2）國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

河南、山東、四川、上海、江蘇等分公司在樓宇、地鐵、高鐵、公路隧道等各場(chǎng)景開(kāi)展5G無(wú)源室分試點(diǎn)。

①地鐵隧道場(chǎng)景5G覆蓋試點(diǎn)。部署全頻段5/4漏纜、低損耗5/4漏纜在鄭州、石家莊、濟(jì)南、無(wú)錫地鐵隧道實(shí)現(xiàn)5G覆蓋；采用2.6G擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)原有13/8漏纜移動(dòng)NR2.6G升級(jí)。試點(diǎn)結(jié)果表明，采用低損耗5/4漏纜，NR3.5G信源斷點(diǎn)距離可做到400～700 m，與現(xiàn)有4G斷點(diǎn)距離基本相當(dāng)，完全可以滿(mǎn)足新建隧道2/3/4/5G共享覆蓋。

② 高鐵隧道5G覆蓋試點(diǎn)。部署低損耗5/4纜覆蓋京張高鐵隧道，測(cè)試NR3.5G對(duì)于高鐵的覆蓋效果。試點(diǎn)效果表明，采用低損耗5/4漏纜覆蓋高鐵，下行覆蓋相比LTE提升3～4倍，上行受限于NSA組網(wǎng)基本與LTE相當(dāng)。

創(chuàng)新成果已在中國(guó)鐵塔的共享室分項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用，為電信行業(yè)節(jié)省了大量的重復(fù)投資和社會(huì)資源，得到了一致認(rèn)可，為我國(guó)4/5G低成本、高效建設(shè)提供了有力支撐。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

（1）經(jīng)濟(jì)效益

使用本次創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品，自2019年1月～2021年6月，已累計(jì)為行業(yè)節(jié)省投資84.2億元，隨著5G室分的規(guī)模建設(shè)，還將持續(xù)為行業(yè)創(chuàng)造更多價(jià)值。（1）通過(guò)共享技術(shù)創(chuàng)新節(jié)省投資72.96億元。使用增強(qiáng)型連接器等創(chuàng)新產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)快速部署，縮短工期的效果，已建設(shè)樓宇類(lèi)共享室分2.38億平米、高鐵地鐵隧道類(lèi)共享室分0.8萬(wàn)公里，節(jié)省室分建設(shè)投資72.96億元。（2）通過(guò)產(chǎn)品性能提升節(jié)省投資11.24億元。使用新型5G漏纜創(chuàng)新產(chǎn)品，可提升5G高頻段覆蓋距離1倍以上，實(shí)現(xiàn)更加高效的共享，已應(yīng)用3 124公里（隧道里程），節(jié)省5G基站信源及電源配套投資11.24億元。

（2）社會(huì)效益

5G信號(hào)覆蓋低損耗漏纜產(chǎn)品和方案的推出，既符合企業(yè)低成本建設(shè)的意見(jiàn)又符合國(guó)家低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展理念，降低項(xiàng)目投資成本，有利于加快開(kāi)展中高容量場(chǎng)景5G信號(hào)的覆蓋，為我國(guó)5G信號(hào)的廣覆蓋提速增效，尤其在高鐵、地鐵隧道中5G信號(hào)覆蓋試點(diǎn)的建設(shè)開(kāi)通，為我國(guó)5G室分率先開(kāi)局發(fā)揮了重要作用。

低損耗漏纜的成功研發(fā)，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)支持5G頻段漏泄同軸電纜產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新。產(chǎn)品在高鐵和地鐵 5G信號(hào)建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，將極大的解決高鐵、地鐵5G信號(hào)覆蓋的問(wèn)題，為我國(guó)5G和軌道交通的建設(shè)和發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了基于5G技術(shù)的高鐵、地鐵5G信號(hào)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況，介紹了基于低損耗漏纜技術(shù)的隧道5G信號(hào)覆蓋特點(diǎn)，其中包括地鐵結(jié)構(gòu)特征和基于5G技術(shù)的地鐵通信需求。根據(jù)覆蓋特點(diǎn)，展開(kāi)了基于低損耗漏纜的隧道5G覆蓋方案探究，形成最終可行方案。