高鐵隧道場景覆蓋方案探討

閻成剛

（中國移動通信集團設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劃設計和建設難度更大，高速列車速度運行速度普遍在300 km/h以上，小區間切換速度快、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為客戶提供優質的2/3/4/5G網絡，對各家運營商來說都是一個挑戰[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，還會引入多系統合路平臺（POI）。

1 高鐵隧道無線信號覆蓋面臨的挑戰

1.1 多徑效應

隧道內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，無線信號會呈現出直射波、散射波、反射波等多徑傳播效應，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

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

對于多普勒效應引發的頻率偏移，目前各移動通信系統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，多普勒效應對通信系統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小區切換到另外一個服務小區，切換過于頻繁一方面會增加系統的信令開銷，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方案中，單小區覆蓋距離要盡可能長，避免頻繁切換，另外在切換區域要預留足夠的切換時間，避免終端從一個小區向目標小區切換的過程中，目標小區還沒有完成切換動作就與原小區斷開了[3]。

對于單小區的覆蓋距離，目前主流設備廠家均支持12臺RRU設備級聯為一個邏輯小區，按照高鐵單個物理站只開通2個扇區來計算，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，單個邏輯小區所以覆蓋的距離約為3 km。

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

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 高鐵隧道內覆蓋解決方案

2.1 泄漏電纜+POI

POI也就是多系統合路平臺（point of interface），主要應用于需要多種網絡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能夠有效節省投資，同時有效隔離系統間干擾。作為連接信源與分布系統的橋梁，POI能夠在下行將各系統信號合路，同時在上行對各系統信號進行分路。

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明出來的，它實際上是一種外導體上設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泄漏到電纜外。用漏纜覆蓋隧道時，信源RRU安裝于洞室內，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，直達車廂內的用戶[4-5]。

當漏纜處于單模輻射狀態，而其他高階模處于非輻射狀態時的頻率區間叫作漏纜的工作頻帶，抑制其他高階信號產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；d為內導體的等效直徑；D為外導體等效直徑。

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情況下的鏈路預算情況，所需各項參數如表2所示，考慮到在隧道內會有兩列高速列車相向行駛的情況，車體損耗作了相應增加。

表2 上行鏈路預算參數表

（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的增多而增大，最大不超過6 dB，本次鏈路預算中按5 dB計取。

（2）泄漏電纜傳輸損耗：與系統制式、電纜的規格型號以及傳輸距離有關。

（3）泄漏電纜2 m處耦合損耗：漏纜在2 m處所產生的損耗。

（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。

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

3 結束語

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，還應根據具體饋入的系統頻段選擇合適的泄漏電纜。