隧道5G信號覆蓋新技術研究

［張雪強 康同海 張澤旭］

1 引言

各運營商在5G網絡可用頻段中分配到的不同網絡頻段建設5G信號，目前移動5G網絡主力覆蓋頻段為2.6 GHz。電信和聯通5G網絡主力覆蓋頻段為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備安裝洞室距離較大或者設備安裝位置緊張的影響，使得5G信號在隧道內的覆蓋難度增加。地鐵是運營商網絡覆蓋的重要口碑場景，在5G已商用的情況 下，如何實現多家運營商多個通信系統（2G/3G/4G/5G）的共存、實現良好的覆蓋和干擾協同，是地鐵網絡覆蓋建設的重要課題和難點。[1]

2 項目詳細內容

2.1 項目背景

（1）5G無源室分的器件、線纜產品的研發進度制約著5G無源室分的建設模式發展。

4G時代，無源器件僅支持到2 700 MHz頻段，不支持5G的主流高頻段。同時在同一套共享的室分系統中，不僅僅要滿足5G系統的接入，還要滿足原有2/3/4G系統的接入，系統多、頻率碎片化，頻段寬度大，對5G的共享能力和抗干擾能力提出了更高的要求。無源器件能否適應5G室分需求直接影響5G室分建設。

（2）高鐵、地鐵隧道設備安裝位置受限，建設方式單一增加5G網絡建設難度。

高鐵車速快，隧道為一洞兩軌，所有設備需安裝設備洞室中，地鐵車速較快，隧道為一洞一軌，所有設備需安裝隧道墻壁上。因高鐵列車和地鐵列車在隧道中運行時，猶如活塞使隧道中的風速很大，為了保證列車安全，對安裝在隧道壁上的設備要求極高，使有很多設備沒有辦法在上安裝，隧道的5G網絡覆蓋只能通過建設泄露電纜的方式解決[2]。

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

①地鐵的建筑結構一般分為站廳、站臺和隧道區間三部分，覆蓋區域復雜;

② 人流量在高峰和閑時存在巨大差異，高峰瞬時話務量突出;

③地鐵移動性強，涉及隧道內、站廳和站臺地鐵和室外的切換;

④ 無線信號在隧道區間中傳播時容易產生快衰落，并且穿透車體兩側屏蔽門產生較大的損耗[3]。

2.2 主要科技創新

為了更好地支持5G高頻段，國際首創漏纜寬高頻陣列源技術和分段耦合技術，研發推出全頻段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）國際首創采用寬高陣列源技術的全頻段5/4〞漏纜

漏纜的每個槽孔都是激勵源，由開槽處電場分布的柱面傅里葉變換得到漏纜的輻射場以及輻射損耗，漏纜的傳輸損耗和耦合損耗是多個激勵源陣列的疊加效果。傳輸損耗一般主要與使用頻段的波長以及漏纜的物理尺寸相關，優化提升的空間較小。耦合損耗是泄漏電纜產品設計的關鍵指標，決定了電磁波的輻射強度和范圍。由漏纜的傳輸衰減模型可知，對于同一頻段，耦合損耗主要與槽孔的尺寸、排列方式相關，因此提升漏纜輻射性能的關鍵在于槽孔設計。

通過理論計算和三維建模仿真相結合，不斷優化迭代槽孔尺寸和槽型，發明了寬高頻陣列源技術，它具有損耗低、帶寬大、抑制中高頻諧波的優點。采用寬高頻陣列源技術研發推出了全頻段5/4〞漏纜，支持700～3 700 MHz頻段，5G高頻段的250 m綜合損耗較常規產品降低了7～20 dB，而且高低頻段的綜合損耗更加均衡，差距在4 dB以內，在地鐵隧道場景覆蓋距離可達500 m以上，5G高頻段覆蓋距離提升了1倍以上。

（2）國際首創采用分段耦合技術的低損耗5/4〞漏纜

傳統漏纜采用固定槽孔設計，由漏纜的傳輸衰減模型可知，對于同一頻段，耦合損耗固定。所以在靠近基站信源的覆蓋始端信號過強，存在信號功率浪費的情況，在遠離基站信源的覆蓋末端信號偏弱、功率不足，這種特性導致漏纜覆蓋距離過短。

發明了分段耦合技術，采用漸變的開槽設計，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，減少信號輻射量，減少功率浪費，在遠離基站信源的覆蓋末端減小耦合損耗，加大信號輻射量，彌補覆蓋短板，從而達到提升覆蓋距離的目的。采用分段耦合技術研發推出了低損耗5/4〞漏纜，支持1 700～3 700 MHz頻段，5G高頻段的250 m綜合損耗較常規產品降低約9～24 dB，性能指標國際領先，在地鐵隧道場景覆蓋距離達到700 m以上，5G高頻段覆蓋距離提升約1.5倍。

2.3 客觀評價

在面對高鐵、地鐵隧道5G網絡建設規模擴大、投資高的行業壓力下，通過產品的創新，實現2/3/4/5G室分的共享和集約化建設，項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信號覆蓋，實現地鐵直播不卡頓。將高鐵、地鐵5G信號和超高清視頻編解碼技術三大中國“名片”合為一體，在全世界尚屬首例，為行業創造了可觀的技術和經濟價值。

主要成果：發明并研發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高頻段室內覆蓋難題。兩款創新5G漏纜產品的性能指標國際領先，在地鐵隧道覆蓋距離提升1倍以上[4]。

該項目為重大的工程科技創新，為室分共享建設打下了堅實的技術基礎，有力地支撐了低成本、高質量的共享發展模式。該項目創新成果的實用價值高、應用前景廣，取得了顯著的經濟和社會效益，有力地推動了行業技術進步及產業升級，為我國4G規模建設、5G率先開局發揮了重要作用，隨著5G室分的規模建設，還將持續為行業創造更多價值。

3 應用情況和效益

3.1 應用情況

（1）省內應用情況

2019 年 12 月 30 日，北京至張家口高鐵開通運營，張家口至北京最快運行時間僅需 47 分鐘。與此同時，京張高鐵 5G 信號覆蓋通過全線建設低損耗漏纜完成網絡覆蓋，京張高鐵成為全國首批 5G 高鐵，旅客可體驗全面升級的移動通信服務，坐高鐵、看高清視頻、暢享 5G 網絡成為現實。

河北省會石家莊地鐵項目，5G 信號覆蓋全線使用低損耗漏纜建設完成，確保石家莊地鐵5G信號全覆蓋。

（2）國內應用情況

河南、山東、四川、上海、江蘇等分公司在樓宇、地鐵、高鐵、公路隧道等各場景開展5G無源室分試點。

①地鐵隧道場景5G覆蓋試點。部署全頻段5/4漏纜、低損耗5/4漏纜在鄭州、石家莊、濟南、無錫地鐵隧道實現5G覆蓋；采用2.6G擴展模塊實現原有13/8漏纜移動NR2.6G升級。試點結果表明，采用低損耗5/4漏纜，NR3.5G信源斷點距離可做到400～700 m，與現有4G斷點距離基本相當，完全可以滿足新建隧道2/3/4/5G共享覆蓋。

② 高鐵隧道5G覆蓋試點。部署低損耗5/4纜覆蓋京張高鐵隧道，測試NR3.5G對于高鐵的覆蓋效果。試點效果表明，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組網基本與LTE相當。

創新成果已在中國鐵塔的共享室分項目中廣泛應用，為電信行業節省了大量的重復投資和社會資源，得到了一致認可，為我國4/5G低成本、高效建設提供了有力支撐。

3.2 經濟效益和社會效益

（1）經濟效益

使用本次創新技術和產品，自2019年1月～2021年6月，已累計為行業節省投資84.2億元，隨著5G室分的規模建設，還將持續為行業創造更多價值。（1）通過共享技術創新節省投資72.96億元。使用增強型連接器等創新產品，可實現快速部署，縮短工期的效果，已建設樓宇類共享室分2.38億平米、高鐵地鐵隧道類共享室分0.8萬公里，節省室分建設投資72.96億元。（2）通過產品性能提升節省投資11.24億元。使用新型5G漏纜創新產品，可提升5G高頻段覆蓋距離1倍以上，實現更加高效的共享，已應用3 124公里（隧道里程），節省5G基站信源及電源配套投資11.24億元。

（2）社會效益

5G信號覆蓋低損耗漏纜產品和方案的推出，既符合企業低成本建設的意見又符合國家低碳、綠色、可持續發展理念，降低項目投資成本，有利于加快開展中高容量場景5G信號的覆蓋，為我國5G信號的廣覆蓋提速增效，尤其在高鐵、地鐵隧道中5G信號覆蓋試點的建設開通，為我國5G室分率先開局發揮了重要作用。

低損耗漏纜的成功研發，實現國內支持5G頻段漏泄同軸電纜產業的產品創新。產品在高鐵和地鐵 5G信號建設中的廣泛應用，將極大的解決高鐵、地鐵5G信號覆蓋的問題，為我國5G和軌道交通的建設和發展起到了積極的促進作用。

4 結束語

本文分析了基于5G技術的高鐵、地鐵5G信號網絡建設情況，介紹了基于低損耗漏纜技術的隧道5G信號覆蓋特點，其中包括地鐵結構特征和基于5G技術的地鐵通信需求。根據覆蓋特點，展開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。