高速鐵路隧道場景下的5G通信覆蓋方案分析

蒲玲玲 楊柳 劉恒 李帥

[摘? 要]：隨著5G的快速發(fā)展，人們不滿足于僅能在特定的場合使用5G網(wǎng)絡，還在交通出行的過程中對5G網(wǎng)絡的質量也有所要求。高速鐵路是現(xiàn)在人們最方便的出行方式之一，高鐵隧道占高鐵總路程的很大一部分比例，目前也屬于5G覆蓋困難的范圍之一。文章對高速鐵路隧道場景下的5G通信覆蓋方案進行分析探討，對高速鐵路隧道情況進行簡述，對使用泄漏電纜和特性天線等方式進行高速鐵路隧道的5G覆蓋方案進行簡單分析，并對每種方案進行對比，使得可以在不同的情景下選擇不同的5G覆蓋方案。

[關鍵詞]：5G; 高鐵隧道; 泄漏電纜; 特性天線

TN926A

我國高鐵建設迅速，并且已成為世界上擁有高鐵里程最長的國家。截至2020年，中國高鐵總里程達到3.5萬km。高速鐵路里程不斷增加，使用高鐵作為出行方式的旅客也越來越多，據(jù)統(tǒng)計，高鐵累計服務的旅客人數(shù)已經(jīng)超過70億人次。隨著5G技術的成熟，5G覆蓋已成為近期重要的工作之一，高鐵場景下5G覆蓋也成為覆蓋范圍之一。由于高鐵乘客特征和運營商價值客戶高度重合，使得高鐵成為運營商的網(wǎng)絡品牌的重要展示窗口，高鐵5G覆蓋對于提升網(wǎng)絡品牌也有重要的意義，是5G時代網(wǎng)絡建設的重點場景[1]。

高鐵場景中隧道場景下的5G覆蓋是高鐵場景5G覆蓋的難題。我國高鐵里程中有大量隧道，尤其是在我國中西部地區(qū)，隧道占比更大，甚至在某些地區(qū)，鐵路隧道里程達到該鐵路總里程的一半。在高速鐵路隧道中，還有大量的長隧道，某些隧道全長超過14 km。高速鐵路的隧道里程占比較高，且有大量長隧道，需要制定專門的覆蓋方式，5G信號覆蓋難度大，因此隧道場景下的移動網(wǎng)絡覆蓋成為高鐵移動網(wǎng)絡覆蓋的重點和難點[2]。

高速鐵路的列車行駛速度快，信號穿透列車損耗大，加上在隧道中，隧道狹隘，使得5G信號在高速鐵路隧道場景下覆蓋難度進一步增大。雖然與4G相比，5G的帶寬更大，對提升速率和容量非常有利，但更高的頻段對覆蓋能力也提出了更高要求[3]。傳統(tǒng)的2G/3G/4G網(wǎng)絡的高鐵隧道覆蓋方案無法實現(xiàn)高鐵隧道內的5G信號連續(xù)覆蓋，需要在原有方案基礎上進行分析和探討。本文在業(yè)內已有研究成果的基礎上，綜合分析各種方案的優(yōu)劣性，給出了在現(xiàn)有技術條件下適用的5G高鐵隧道覆蓋方案。

1 高鐵隧道通信覆蓋現(xiàn)狀分析

1.1 2G/3G/4G網(wǎng)絡高鐵隧道覆蓋方式

鐵路隧道長于500 m時，其隧道兩側都有洞室，兩側洞室交叉設置，兩同側相鄰洞室相隔500 m，兩對側相鄰洞室水平相隔250 m。圖1為高鐵洞室分布。

當前國內鐵路隧道有很多使用天線來進行信號覆蓋。在高鐵隧道場景下用天線進行信號覆蓋設計簡單靈活、投資小，但有入射角小、穿透車體困難、穩(wěn)固性弱等缺點。從而不能正常的工作。而泄漏電纜沿著隧道壁布放，受到振動和風力影響較小，穩(wěn)固性較天線更好;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2G/3G/4G的高鐵覆蓋基本采用泄漏電纜覆蓋。圖2為2G/3G/4G網(wǎng)絡高鐵隧道覆蓋方案示意，其中POI存放在隧道洞室內，其可實現(xiàn)將不同的運營商和RRU接入。在進行3G/4G信號覆蓋時需要在每洞室都設置RRU設備，而進行2G信號覆蓋則可以隔一個洞室設置RRU設備[4]。

1.2 5G高鐵隧道覆蓋方案需要解決的重點

1.2.1 能否沿用現(xiàn)存的4G網(wǎng)絡

各大運營商分配到的5G網(wǎng)絡頻段不同，聯(lián)通和電信分配到的頻段為3.3～3.6 GHz，移動分配到的頻段為2.6 GHz。而目前在網(wǎng)運行的泄漏電纜支持的最高頻段為2.7 GHz。所以只有移動可以在目前的泄漏電纜上接入5G網(wǎng)絡，聯(lián)通和電信則需要新建設備以實現(xiàn)5G接入。隧道覆蓋中常用的泄漏電纜有13/8泄漏電纜及5/4泄漏電纜，其理論截止頻率約為2.8 GHz和3.6 GHz。因此，3.5 GHz頻段的5G信號無法在13/8泄漏電纜中傳輸。故如果原4G網(wǎng)絡中采用13/8泄漏電纜，則處于3.5 GHz頻段下的5G網(wǎng)絡就需要5/4泄漏電纜來支持接入。

1.2.2 3.5 GHz頻段路徑損耗更高

泄漏電纜的傳輸頻段越高，傳輸?shù)膿p耗系數(shù)也越大。故部署在3.5 GHz的5G網(wǎng)絡的傳輸損耗也較低頻段更大。如果泄漏電纜太長，會出現(xiàn)信號損耗嚴重，從而導致5G網(wǎng)絡不能連續(xù)覆蓋。因此，3.5 GHz頻段下隧道覆蓋難度更大。

1.2.3 高鐵隧道空間特性對通信方案的限制

由于高鐵隧道單側洞室分布間距為500 m，兩側水平間距也達到了250 m，對射頻單元的覆蓋范圍要求較高，需要達到一定的覆蓋范圍才能在高鐵隧道內使用。又因高鐵隧道空間有限，列車速度較快，列車通過隧道時會產(chǎn)生風壓和震動，會影響安置在隧道內的設備。所以不考慮將大型天線安裝在該場景下。

綜合上述各種限制考慮，可用于高鐵隧道場景的5G信號覆蓋方式有：泄漏電纜、特型天線、漏泄波導管和車載方式。下面將對這4種方案的特性進行對比分析。

2 5G高鐵隧道覆蓋方案對比

2.1 泄漏電纜

泄漏電纜是一種利用同軸電纜外導體上的開縫輻射或接收電磁波，從而與外部空間進行無線通信的傳輸媒介，主要應用于閉域空間的無線通信[3]。通過泄漏電纜來進行隧道信號覆蓋是常見的覆蓋方式。泄漏電纜可在隧道內單側安裝也可雙側安裝，安裝方式如圖3所示，其中RRU安裝在隧道洞室內，泄漏電纜沿隧道水平安裝，并且高度與列車窗口高度相同。

針對高鐵隧道內采用泄漏電纜進行覆蓋的場景，在進行鏈路預算分析時，需要考慮泄漏電纜的耦合損耗、百米損耗、高鐵車廂特殊材質下的車廂屏蔽損耗以及高速移動下的快衰落余量等因素。張曉江等[4]在考慮到損耗的基礎上進行鏈路預算分析，得出如表1所示的鏈路預算結果。可以得出，3.5 GHz頻段，對于5/4泄漏電纜，覆蓋半徑為168 m，而若需要在隧道內用單側覆蓋的方式實現(xiàn)信號覆蓋，該范圍至少為250 m，故不能達到單側覆蓋要求。

2.2 特型天線

特性天線的安裝設計靈活，施工簡單且投資較低，但是穩(wěn)固性也較低。所以安裝時需考慮安裝條件、安全性以及穩(wěn)定性。

對于特型天線覆蓋方案，關鍵性能指標為天線增益。隧道內信號覆蓋采用的特型天線一般為對數(shù)周期天線和八木天線2種。

潘翔等[3]得出利用特型天線覆蓋高鐵隧道的上行鏈路預算如表2所示。其綜合考慮信號在隧道場景下的傳播模型、快衰落以及520～620 km/h的列車時速，可得出天線的覆蓋距離約為450 m，對應的空間路徑損耗為96 dB，為保障接收靈敏度需求，特型天線增益應大于等于16 dB。

天線覆蓋方案關鍵性能指標為天線增益，故建議研發(fā)滿足上述天線增益要求的新型八木天線對高鐵隧道進行覆蓋。

2.3 漏泄波導管

漏泄波導管傳輸?shù)氖浅哳l電磁波，傳輸損耗極小。在隧道中，它的覆蓋方式與泄漏電纜相同。但它的傳輸單位損耗比泄露電纜更小，頻帶也更寬。漏泄波導管頂部按照傳輸無線信號波段的不同，開有間距、形狀、大小不同的裂縫，通過裂縫向外輻射無線信號[5]，漏泄波導管基本結構如圖4所示。

王洪偉等[6]在列車通信系統(tǒng)中，將漏泄波導管沿軌道平鋪，并且每段漏泄波導管的長度為300 m，同時將列車底部安裝平板天線，距近側漏泄波導管33 cm，如圖5所示漏泄波導的鋪設和線路鏈接示意。該系統(tǒng)中，2個同側相鄰漏泄波導管和2個直接對側漏泄波導管組成一個小區(qū)，長度為600 m，并且這4個漏泄波導管由一個耦合單元連接。平板天線負責接收漏泄波導管的信息。

潘翔等[3]得出漏泄波導管及5/4泄漏電纜在 3.5 GHz頻段的性能對比，如表3所示，從表中可以看出，傳輸損耗要求一致時，5/4泄漏電纜的傳輸距離約為漏泄波導管傳輸距離的31%。因此，在支持更高頻段（大于3.6 GHz）或對損耗要求很高的長隧道內部時需采用漏泄波導管。

但是漏泄波導管缺點有：

（1）漏泄波導管的成本比普通泄漏電纜高出10倍，成本投入大。

（2）目前的漏泄波導管非常敏感，受周邊環(huán)境影響大且制作工藝復雜，制作該工藝的產(chǎn)業(yè)成熟度低。

（3）材料尺寸較大，安裝條件受限。

因此，目前不建議大規(guī)模使用漏泄波導管進行5G高鐵隧道覆蓋，應在材料工藝成熟且成本下降后考慮。

2.4 車載方式覆蓋

楊慧等[7]提出可以借鑒基于LTE的車載基站（HRC）來實現(xiàn)高鐵隧道內5G覆蓋，圖6為車載基站組網(wǎng)示意。該HRC系統(tǒng)能為運行在350～500 km/h的列車提供穩(wěn)定的30 Mbps以上的接入速率，同時，還能為各類車載業(yè)務提供完善的端到端QoS保證，可以升級HRC系統(tǒng)以接入5G網(wǎng)絡[7]。該方案對于車輛運行速度關聯(lián)性較高，目前華為尚未發(fā)布HRC的最新研究進展，不能確定該方案能夠支持500 km/h以上的列車時速。

2.5 覆蓋方案對比

由于泄漏波導管和車載方式覆蓋目前存在不確定的技術因素，暫不建議使用，下面進一步詳細對比泄漏電纜和特型天線2種覆蓋方案的優(yōu)劣性。

2.5.1 建設成本對比

采用特型天線設備成本可節(jié)約80%以上成本。泄漏電纜成本包括BBU+RRU+POI+纜線，考慮設備成本、施工成本和泄漏電纜數(shù)，成本約為60萬元/公里[8]。特型天線的成本包括BBU+RRU+天線和設備加施工成本，總共預估不到10萬元/km。

2.5.2 施工復雜度對比

特型天線不經(jīng)建設難度低而且施工時間短，僅僅需要幾個月的時間。如果采用泄漏電纜覆蓋，則需要安裝纜線和相關的設備，施工周期為1～2年，明顯較特性天線安裝繁瑣且困難。

2.5.3 可支持的頻段對比

特型天線支持的頻段較漏纜支持的頻段多。現(xiàn)場景下支持3G/4G的漏纜最高支持頻段為2.7 GHz，而在2.7 GHz以上的頻段不能支持，所以大多不能就在現(xiàn)有漏纜的基礎上繼續(xù)建設5G。雖然新增5/4泄漏電纜可最大支持至3.6 GHz，但也不支持更高頻段，靈活性較小。而天線支持的頻段受限程度低，可兼容后續(xù)頻段和系統(tǒng)。

2.5.4 適用的場景

泄漏電纜適用于長隧道及彎曲型隧道內部，如果前期已有泄漏電纜鋪設且可以通過利舊方案使用，則更適合選擇泄漏電纜方案;而特型天線適用于隧道口及直線型隧道內部，可以跟泄漏電纜方案配合使用。

2.5.5 單用戶覆蓋以及小區(qū)性能

泄漏電纜方案中，有90%的用戶信號處于極好點，單用戶覆蓋性能較好;而特型天線方案中，單用戶覆蓋較傳統(tǒng)方案差約25%，有30%的用戶信號處于中差點。但是采用特型天線可以用來區(qū)分終端，可以實現(xiàn)小區(qū)MU-MIMO，從而提升小區(qū)性能。采用泄漏電纜覆蓋，單用戶SU-MIMO的性能較好，但是不能區(qū)分用戶位置，MU-MIMO性能較差。

2.5.6 改進建議

對于泄漏電纜覆蓋方案。建議在原有泄漏電纜上進行改進，將其整體損耗降低。對于特型天線覆蓋方案。建議研發(fā)天線增益更高的新型八木天線。兩者在進行研發(fā)的時候都應考慮控制成本。

表4為經(jīng)綜合分析后的2種覆蓋方案的對比。

3 高鐵隧道不同場景下的5G覆蓋方案

綜合上述覆蓋方案的對比，在高鐵隧道場景下的5G覆蓋方案更適合采用泄漏電纜和特型天線覆蓋方案，本節(jié)將探討在高鐵隧道的不同場景下，如何選擇或綜合應用2種方案實現(xiàn)5G通信的覆蓋。

3.1 直線型短距離隧道或隧道口

當隧道較短時（長度小于500 m），且隧道無彎曲，可如圖7所示方式進行安裝[9]，將隧道兩側都安裝上向內覆蓋的特性天線，同時在隧道口同一個地方安裝朝外覆蓋的特性天線，并且將同一位置的2個天線設置為同一小區(qū)。

3.2 中長隧道或彎曲隧道

當隧道較長時（長度大于500 m），由于隧道的空間狹小，隧道內無法架設特型天線，而泄漏電纜在隧道內布放簡單，施工難度較小，宜采用泄漏電纜在隧道內部進行建設。

對長隧道而言，由于隧道較長，單采用某一種方式進行5G信號覆蓋可能不能達到滿意的結果。可采用將RRU、泄漏電纜和特型天線結合的方式來進行隧道內信號覆蓋[9]，并可根據(jù)需要采用單纜或者雙纜的部署方式[4]，單纜部署方式僅在隧道的單側安裝泄漏電纜，雙纜部署方式則需要在隧道兩側都安裝泄漏電纜。當邊對緣速率要求較低時，可以降低邊緣速率，以提高單邊覆蓋能力，此時單纜部署方式可以滿足覆蓋要求;當需要邊緣速率較高時，使用雙纜部署方式以達到覆蓋要求[4]。2種部署方式如圖8所示。在進行設備安裝時，將RRU安裝洞室內，泄漏電纜安裝在列車車窗上方一點距離的隧道墻壁上。并且在隧道口布設朝隧道外覆蓋的特性天線，增大隧道信號覆蓋重疊區(qū)域，以保證隧道內與隧道外的網(wǎng)絡順利進行切換。

（1）對于新建場景：優(yōu)先4G/5G RRU + POI + 泄漏電纜組網(wǎng)，由于5G采用更高頻段進行覆蓋，穿透損耗和泄漏電纜傳播損耗增加，由前面分析得知，3.5 GHz頻段下，對于5/4泄漏電纜，單側有效覆蓋距離為168 m，因此采用單纜部署無法滿足網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋。為了增加容量和用戶感知，建議在新建場景中采用雙路電纜部署實現(xiàn)網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋，當進行雙纜部署時，有效覆蓋距離為168×2=336 m，可以滿足5G網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋。

（2）對于存量場景：建議直接更換RRU模塊與POI設備，以減小隧道施工難度和節(jié)約資源。該方法簡單與現(xiàn)網(wǎng)合路，在舊的漏纜基礎上改造，降低成本并且部署速度快。

3.3 連續(xù)隧道

對連續(xù)的且距離較近的兩隧道之間覆蓋，可在2個隧道之間布放特型天線[9]，保證隧道之間路程的連續(xù)信號覆蓋，布設方式如圖9所示。

4 結論

由于5G采用了更高的頻段、高鐵的更高運行速度以及狹小的設備安裝空間，在高鐵隧道中實現(xiàn)5G覆蓋難度很大。

（1） 在目前已知的覆蓋方案中，泄漏電纜和特型天線覆蓋方案相對更加穩(wěn)定，但也應根據(jù)5G需求做進一步優(yōu)化。

（2） 高鐵隧道不同場景下的5G覆蓋方案有所不同。

①直線型短距離隧道或隧道口宜采用特型天線覆蓋，且應研發(fā)增益更高的特型天線。②中長隧道或彎曲隧道宜采用泄漏電纜+特型天線，且應研發(fā)新型泄漏電纜，降低泄漏電纜整體損耗，在新建場景下應采用雙纜部署的方式實現(xiàn)5G網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋，存量場景下需更換RRU與POI。③連續(xù)隧道的覆蓋，可在隧道與隧道之間布放特型天線。

（3） 此外，還應進一步推進漏泄波導管的材料研制，以期未來可采用漏泄波導管等新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)泄漏電纜，降低傳輸損耗，實現(xiàn)長大隧道的5G覆蓋需求。

參考文獻

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