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(luò)，還在交通出行的過程中對5G網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)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(jìn)行分析探討，對高速鐵路隧道情況進(jìn)行簡述，對使用泄漏電纜和特性天線等方式進(jìn)行高速鐵路隧道的5G覆蓋方案進(jìn)行簡單分析，并對每種方案進(jìn)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(guān)鍵詞]：5G; 高鐵隧道; 泄漏電纜; 特性天線

TN926A

我國高鐵建設(shè)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(dá)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(wù)的旅客人數(shù)已經(jīng)超過70億人次。隨著5G技術(shù)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(luò)品牌的重要展示窗口，高鐵5G覆蓋對于提升網(wǎng)絡(luò)品牌也有重要的意義，是5G時代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(dá)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(luò)覆蓋成為高鐵移動網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(luò)的高鐵隧道覆蓋方案無法實現(xiàn)高鐵隧道內(nèi)的5G信號連續(xù)覆蓋，需要在原有方案基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和探討。本文在業(yè)內(nèi)已有研究成果的基礎(chǔ)上，綜合分析各種方案的優(yōu)劣性，給出了在現(xiàn)有技術(shù)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(luò)高鐵隧道覆蓋方式

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

當(dāng)前國內(nèi)鐵路隧道有很多使用天線來進(jìn)行信號覆蓋。在高鐵隧道場景下用天線進(jìn)行信號覆蓋設(shè)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(fēng)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(luò)高鐵隧道覆蓋方案示意，其中POI存放在隧道洞室內(nèi)，其可實現(xiàn)將不同的運營商和RRU接入。在進(jìn)行3G/4G信號覆蓋時需要在每洞室都設(shè)置RRU設(shè)備，而進(jìn)行2G信號覆蓋則可以隔一個洞室設(shè)置RRU設(shè)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(luò)

各大運營商分配到的5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)，聯(lián)通和電信則需要新建設(shè)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(luò)中采用13/8泄漏電纜，則處于3.5 GHz頻段下的5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yán)重，從而導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)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(cè)洞室分布間距為500 m，兩側(cè)水平間距也達(dá)到了250 m，對射頻單元的覆蓋范圍要求較高，需要達(dá)到一定的覆蓋范圍才能在高鐵隧道內(nèi)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(fēng)壓和震動，會影響安置在隧道內(nèi)的設(shè)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(dǎo)管和車載方式。下面將對這4種方案的特性進(jìn)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(dǎo)體上的開縫輻射或接收電磁波，從而與外部空間進(jìn)行無線通信的傳輸媒介，主要應(yīng)用于閉域空間的無線通信[3]。通過泄漏電纜來進(jìn)行隧道信號覆蓋是常見的覆蓋方式。泄漏電纜可在隧道內(nèi)單側(cè)安裝也可雙側(cè)安裝，安裝方式如圖3所示，其中RRU安裝在隧道洞室內(nèi)，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(nèi)采用泄漏電纜進(jìn)行覆蓋的場景，在進(jìn)行鏈路預(yù)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(zhì)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(chǔ)上進(jìn)行鏈路預(yù)算分析，得出如表1所示的鏈路預(yù)算結(jié)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(nèi)用單側(cè)覆蓋的方式實現(xiàn)信號覆蓋，該范圍至少為250 m，故不能達(dá)到單側(cè)覆蓋要求。

2.2 特型天線

特性天線的安裝設(shè)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(guān)鍵性能指標(biāo)為天線增益。隧道內(nèi)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(yù)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(yīng)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(yīng)大于等于16 dB。

天線覆蓋方案關(guān)鍵性能指標(biāo)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(jìn)行覆蓋。

2.3 漏泄波導(dǎo)管

漏泄波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)管基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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

潘翔等[3]得出漏泄波導(dǎo)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(dǎo)管傳輸距離的31%。因此，在支持更高頻段（大于3.6 GHz）或?qū)p耗要求很高的長隧道內(nèi)部時需采用漏泄波導(dǎo)管。

但是漏泄波導(dǎo)管缺點有：

（1）漏泄波導(dǎo)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(dǎo)管非常敏感，受周邊環(huán)境影響大且制作工藝復(fù)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(dǎo)管進(jìn)行5G高鐵隧道覆蓋，應(yīng)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(nèi)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(wù)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(luò)[7]。該方案對于車輛運行速度關(guān)聯(lián)性較高，目前華為尚未發(fā)布HRC的最新研究進(jìn)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(dǎo)管和車載方式覆蓋目前存在不確定的技術(shù)因素，暫不建議使用，下面進(jìn)一步詳細(xì)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(shè)成本對比

采用特型天線設(shè)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(shè)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(shè)備加施工成本，總共預(yù)估不到10萬元/km。

2.5.2 施工復(fù)雜度對比

特型天線不經(jīng)建設(shè)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(guān)的設(shè)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(chǔ)上繼續(xù)建設(shè)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(nèi)部，如果前期已有泄漏電纜鋪設(shè)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(nèi)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(jìn)建議

對于泄漏電纜覆蓋方案。建議在原有泄漏電纜上進(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)行研發(fā)的時候都應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(jìn)行安裝[9]，將隧道兩側(cè)都安裝上向內(nèi)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(shè)置為同一小區(qū)。

3.2 中長隧道或彎曲隧道

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

對長隧道而言，由于隧道較長，單采用某一種方式進(jìn)行5G信號覆蓋可能不能達(dá)到滿意的結(jié)果。可采用將RRU、泄漏電纜和特型天線結(jié)合的方式來進(jìn)行隧道內(nèi)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(cè)安裝泄漏電纜，雙纜部署方式則需要在隧道兩側(cè)都安裝泄漏電纜。當(dāng)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(dāng)需要邊緣速率較高時，使用雙纜部署方式以達(dá)到覆蓋要求[4]。2種部署方式如圖8所示。在進(jìn)行設(shè)備安裝時，將RRU安裝洞室內(nèi)，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(shè)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(nèi)與隧道外的網(wǎng)絡(luò)順利進(jìn)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(jìn)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(cè)有效覆蓋距離為168 m，因此采用單纜部署無法滿足網(wǎng)絡(luò)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(luò)連續(xù)覆蓋，當(dāng)進(jìn)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(luò)連續(xù)覆蓋。

（2）對于存量場景：建議直接更換RRU模塊與POI設(shè)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(chǔ)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(shè)方式如圖9所示。

4 結(jié)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(shè)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(yīng)根據(jù)5G需求做進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)采用雙纜部署的方式實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)漏泄波導(dǎo)管的材料研制，以期未來可采用漏泄波導(dǎo)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。

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