高鐵隧道5G 覆蓋應用漸變輻射型漏纜的研究*

許 灝，王 渤，俞 彬，李益鋒，許 彬，陶昕

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310026）

0 引言

第五代移動通信技術（簡稱5G）是當前我國奠定全球科技領先地位的重要支撐，也是我國“新基建”戰略的一個焦點。同時，高速鐵路作為我國經濟運行的大動脈，是國民經濟快速發展的催化劑[1]。

5G 采用大規模天線技術，具有大連接、高速率和低時延等特點，5G 網絡的天線基本通道數可達到64，128 和256個[2]。

在高鐵時速不斷提升的背景下，5G 網絡建設遭遇了前所未有的挑戰，不僅要求通信運營商提升無線覆蓋的能力，而且要求5G 應用帶給乘客更高端的體驗[3]。

我國高鐵所經路段多位于丘陵峽谷，隧道多且長，彎道多，車廂對無線信號具有較強的屏蔽和反射作用，且隧道內施工條件有限、安全性能要求高、通信設施布置困難。在高鐵隧道內，由于外部信號無法直接引入，無線信號通常會采用射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）+漏泄同軸電纜（簡稱漏纜）沿隧道壁布放的方式進行覆蓋，優先選擇4條漏纜（4 通道）方式進行覆蓋。當前行業內通常采用兩條漏纜（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。常見漏纜結構如圖1 所示。

圖1 泄露電纜結構

漏纜在外形上與普通射頻同軸電纜類似，結構上由內導體、開有周期性槽孔的外導體及兩者之間的絕緣介質3 部分組成。

當前5G 網絡覆蓋的主流頻段為中國電信和中國聯通的3.5 GHz，以及中國移動的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通信大幅度減弱，給5G 網絡的建設帶來更大的挑戰[4]。

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

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

與普通鐵路隧道相比，高速鐵路的隧道截面積大，所經路段地質更為復雜，安全風險高，對隧道結構耐久性的要求極高。高鐵隧道可以看作一個長方體形的封閉區間，長度一般在幾公里到十幾公里不等，少數可達二三十公里，多為單孔雙向布置，寬度接近13 m，高度在7 m 左右[5]，典型的高鐵隧道內場景如圖2 所示。

圖2 高鐵隧道場景

高鐵隧道無線網絡建設有以下特征：

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

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

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

（4）高鐵用戶對語音和數據業務都有很高需求，但是用戶量受限于列車車廂座位數，對容量的需求相對可控。

1.2 高鐵隧道覆蓋的技術特點

高鐵隧道的無線網絡建設特征決定無線信號覆蓋技術有以下特點：

（1）由于高鐵隧道一般較為狹長，信號受車體阻擋損耗極大，因此信號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，具有支持頻段寬、可控性高、利于控制多系統干擾等優點，缺點是信號場強并非呈現均勻分布，而是離信源越近場強越大[8]。

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

（3）高鐵運行中信號穩定性較差，通常采用室內基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）+RRU 這類高性能的設備作為信號源。

（4）高鐵是安全等級要求最高的交通工具之一，對設備安全可靠性、維護便捷性要求高。因設備檢修只能在后半夜進行，所以設計時盡可能減少設備數量，以減少在隧道中維護檢修的工作量[9]。

（5）高鐵出入口與地面室外網絡需要設置良好的切換帶，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數天線，使隧道內信號泄露出去。天線長度通常在100 m 左右，以延長隧道內外信號的切換時間[10]。

1.3 現階段高鐵隧道覆蓋的常規思路

隨著高鐵出行的商務人士越來越多，人們對網速的要求越來越高，希望得到更高端的乘客體驗。5G 具備超高速率、超低時延及海量連接等優點，恰好能最大限度地滿足乘客要求。

目前高鐵隧道的移動通信系統一般由中國移動、中國聯通、中國電信3 家通信運營商統一委托給中國鐵塔公司建設。鐵塔公司在多系統POI 側提供運營商相應制式的接入端口，并根據現有設備參數來設計配套設備[11]。

3 家運營商的信號經POI 后，再通過漏纜發射出去，以此完成對隧道內高鐵車廂的覆蓋[12]。

根據鐵路方提供的安裝環境差異，漏纜在高鐵隧道內的布放可分為單纜、雙纜、4 纜等幾種方式，目前雙纜是國內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

雙纜的優勢有：

（1）雙纜相比4 纜，可以節省非常可觀的費用，可以使運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，無法滿足遠期5G 高端應用，而雙纜相比單纜，可實現兩收兩發（Two Receiving and Two Sending，2T2R）的多進多出（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；

（4）當前行業內3.5 GHz RRU 設備主要有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備作為信源，而4 纜只能采用低功率設備，即雙纜在信源輸出功率上具有明顯優勢。

雙纜的劣勢有：

（1）5G 只能實現2T2R，各家運營商5G 的部分指標會下降，例如傳輸速率會比4 纜下降30%～40%；

（2）對漏纜的性能指標要求較高，整個系統要求漏纜兼容2G、3G、4G 和5G 頻段[14]。

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

研究發現，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，因此實際工程中采用3.18 cm 漏纜進行覆蓋[16]。

2 漸變輻射型漏纜覆蓋性能分析

信號在漏纜中縱向傳播的同時也通過外導體槽孔，以一定方向向外放射電磁波；同理外部的信號也可經由這些槽孔流入漏泄同軸電纜內，從而使電磁波沿漏電纜縱向傳輸到接收端口[17]。

2.1 主要損耗參數定義

2.1.1 系統損耗Ls

系統損耗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為漏泄同軸電纜內外導體間的傳輸損耗，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表征信號在電纜內部所傳輸能量損耗的最關鍵特性。對漏纜來說，漏纜外部環境的不同會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體的槽孔排列方式。傳輸損耗的計算方式為α=αc+αd+αr，其中，α表示漏纜傳輸損耗，αc表示漏纜導體損耗，αd表示漏纜介質損耗，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外導體間還有與周圍環境之間相互耦合強度特征的參數，其定義為Lc=10lgpt/pr，其中，Lc為耦合損耗，pt為漏纜內某點的傳輸功率，pr為標準偶極天線在該點的接收功率。

耦合損耗受電纜外導體槽孔排列方式及外部對信號的干擾或反射的影響。頻段越寬、輻射越強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，計算輻射場分布。周期性槽孔的軸流式信號傳播原理和在不同材質的漏泄同軸電纜中的導行信號傳播原理基本相同，是通過把很少部分在漏泄同軸電纜內部傳播的能量耦合起來，在漏泄同軸電纜的外導線上產生輻射波。如圖4 所示，漏纜外導體開有周期為ρ的槽孔，E表示漏纜附近的場強，則有：

圖4 輻射型漏纜開槽口結構與柱坐標

式中：α0為導行波的衰減常數；為漏纜導體內的傳播常數；k0為自由空間傳播常數；ξr是漏纜內介質的相對介質常數；M(η,r,φ)為與徑向傳播常數η以及柱坐標r，φ有關的函數。式（1）省略了時間因子ejωt。

基于Floquet 定理，在無窮長度的周期性結構中，由于不同周期間的場特性相同，在相鄰槽孔之間的場強相差一個復數常數，所以式（1）中的Z(z)一定是周期性函數，并且周期為ρ，將其展開成傅里葉級數，則有：

式中：m取整數；Zm為傅里葉系數。

將式（2）代入式（1）中得到[18]：

常規漏泄同軸電纜采用外導體均勻開槽，即槽孔都是等規格、等距離設置，這類漏纜任何一處耦合損耗都是相同的。3.18 cm 常規輻射型漏纜槽型如圖5 所示，實測損耗如表1 所示。

圖5 3.18 cm 常規漏泄同軸電纜槽型

從表1 可以看出，無論在什么頻段，信號在漏纜內部傳輸的同時，始終在等比例向外輻射能量。理論上信號呈線性衰弱，在靠近信源端較長一段區域內信號一般是非常強的，這種現象實質上是一種能量浪費。

表1 常規3.18 cm 漏泄同軸電纜損耗指標

為了滿足覆蓋要求，在同一根漏纜上設計不同密度的槽孔，至少兩組不同的槽孔組，在靠近信源側增加孔距來實現更低的損耗，從而能有效補償末端場強，變相增加5G 漏纜覆蓋距離，改善末端信號覆蓋效果。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不完全相同，槽孔參數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來研究漸變輻射型漏纜。現實中漏纜廠商不會提供具體參數的漸變輻射型漏纜，而是按工程的需要，根據漏纜長度、漏纜輸出場強等要求，來計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，根據廠商提供的漏纜實物，實驗測得漏纜系統損耗如表2 所示。

表2 實驗測得3.18 cm 漸變輻射型漏纜系統損耗指標

2.3 兩種漏纜的鏈路預算對比

2.3.1 鏈路預算模型

由于不同運營商使用的無線頻段之間差異較大，各頻段射頻信號在漏纜中傳輸的衰減明顯不同，電磁波在空間傳播也不一致，這就要求信號在漏纜各個漏泄點的輸出功率不一致。目前中國移動5G網絡主要使用2.6 GHz 頻段，而中國聯通和中國電信主要使用3.5 GHz 頻段，根據高頻段衰減大的特性，相同輸出功率的信號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。下文以中國聯通的3 500～3 600 MHz 頻段作為覆蓋頻段，采用3.18 cm 漏纜進行論證[19]。

建筑物室內傳播模式是受限的自由空間傳播模式，信號總傳輸損耗的表達式為：

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 常規漏纜的鏈路預算

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，因設備安裝點間距為500 m，即單邊漏纜覆蓋距離固定為250 m，對隧道內的覆蓋進行鏈路預算如表3。

表3 3.18cm 常規漏泄電纜3.5 GHz 頻段鏈路預算

根據以上鏈路預算，高鐵隧道使用3.18 cm 型常規漏纜，250 m 處高鐵車廂內邊緣的5G 場強為-114.42 dBm，而中國電信和中國聯通要求邊緣場強不小于-110 dBm。因此，常規3.18cm 漏泄電纜無法滿足運營商覆蓋要求。

2.3.3 漸變輻射型漏纜的鏈路預算

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

根據以上鏈路預算，高鐵隧道使用漸變輻射型3.18 cm 漏纜250 m 處高鐵車廂內邊緣的5G 場強為-107.92 dBm，高于中國電信和中國聯通最小邊緣場強要求（-110 dBm），結論顯示漸變輻射型3.18 cm 漏纜滿足運營商覆蓋要求。

3 仿真與實驗結果

3.1 兩種漏纜的仿真對比

根據3.18 cm 常規漏纜和3.18 cm 漸變輻射型漏纜的兩種覆蓋方案，參考表3 和表4 鏈路預算，采用2×100 W 2T2R 5G RRU 作為信源，分別對一段長度為500 m 左右的盾構區隧道，進行車廂覆蓋仿真，如圖7 所示。

圖7 兩種漏纜的仿真圖對比

表4 3.18 cm 漸變輻射型漏纜3.5 GHz 頻段鏈路預算

同步信號參考信號接收功率（Synchronization Signal Reference Signal Received Power，SS-RSRP）仿真結果統計如圖8、圖9 所示。

圖8 3.18cm 常規漏纜覆蓋仿真結果

圖9 3.18cm 漸變輻射型漏纜覆蓋仿真結果

從圖8、圖9 可以看出，兩種漏纜的覆蓋效果具有明顯差異，常規漏纜列車區域的SS-RSRP 有8%的區域在-110 dBm 以上，無法滿足行業內95%以上區域場強達到-110 dBm 覆蓋的需求，而漸變輻射型漏纜列車區域的SS-RSRP 僅有4.1%的區域在-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存在突變現象，會對系統整體業務的穩定性有所影響，因此建議在傳播損耗相對較低、單邊漏纜相對短的地鐵隧道、公路隧道采用常規漏纜覆蓋，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損耗。在車廂內乘客走動時，部分區域的車體損耗會提升，常規漏纜的非達標覆蓋區域比例會進一步增加，漸變輻射型漏纜的優勢也愈發明顯。

3.2 漸變輻射型漏纜實例論證

本文選取2021 年初開通運營的某高鐵為例進行驗證。該高鐵一期全長226 km，路經地區多山，包括4 個隧道，總長度44 km，隧道無線信號首次采用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，信號經POI 合路后通過漏纜向左右兩側隧道覆蓋，單側漏纜的實際長度在250～270 m之間。對部分隧道車廂內進行5G 場強測試，測試采用鼎力路測軟件，結果如圖10、表5 和表6 所示。

圖10 某高鐵隧道5G 覆蓋SS-RSRP 測試

表5 某高鐵隧道5G 覆蓋驗證測試環境

表6 某高鐵隧道5G 覆蓋驗證測試結果

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

4 結語

高鐵隧道內環境錯綜復雜，無線信號傳播阻力大，要想達到覆蓋目標，就需要深入解剖現有的技術缺點并加以改善。本文系統地分析了新舊兩種漏纜方案，對5G 頻段傳播特性和漏纜參數進行研究對比，并通過實驗成功驗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提供了借鑒。