潘 翔，張 濤，李福昌（中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 引言

截至2018年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到13.1萬(wàn)km，其中高鐵營(yíng)業(yè)里程超過(guò)2.9萬(wàn)km［1］。隨著高鐵路網(wǎng)密度快速增長(zhǎng)，旅客發(fā)送量不斷增加，高鐵通信逐步成為各通信運(yùn)營(yíng)商提升品牌效益和客戶黏合度的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。

現(xiàn)有高鐵里程中包括大量長(zhǎng)隧道，如壁板坡隧道，全長(zhǎng)超過(guò)14 km。與普通鐵路隧道相比，高鐵隧道的無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)施更加困難。高鐵隧道覆蓋的特點(diǎn)是列車(chē)速度快、車(chē)體穿透損耗大、設(shè)備安裝空間狹小等，這對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如何在狹長(zhǎng)的高鐵隧道內(nèi)提供高質(zhì)量的無(wú)線覆蓋，是各大運(yùn)營(yíng)商面臨的挑戰(zhàn)。

與4G相比，5G有更大的帶寬，有利于提升速率和容量，但更高的頻段對(duì)覆蓋能力提出了更高要求。在高鐵隧道場(chǎng)景中，傳統(tǒng)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)通常采用BBU+RRU+泄漏同軸電纜（簡(jiǎn)稱漏纜）的覆蓋方式［2］。漏纜的傳輸損耗系數(shù)與頻率成正比［3］，即頻率越高，單位長(zhǎng)度的傳輸損耗越大。對(duì)于采用獨(dú)立組網(wǎng)（SA——Standing Alone）架構(gòu)、部署在3.5 GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)，若目標(biāo)長(zhǎng)度漏纜的損耗過(guò)大，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)高鐵隧道的5G信號(hào)連續(xù)覆蓋。

1 隧道覆蓋方案

在高鐵長(zhǎng)隧道中，一般每500 m有一個(gè)安裝設(shè)備的避車(chē)洞室。數(shù)字化室分單個(gè)遠(yuǎn)端射頻單元覆蓋半徑不超過(guò)100 m［4］，受安裝條件限制，不適用于高鐵隧道布設(shè)。又因高鐵隧道空間狹小，考慮安全因素，也不具備安裝大型天線的條件?；谏鲜鱿拗埔蛩?，可用于隧道場(chǎng)景的常見(jiàn)覆蓋方式包括：漏纜、漏泄波導(dǎo)管及特型天線。

圖1 利用漏纜覆蓋隧道

1.1 漏纜覆蓋

漏纜是一種利用同軸電纜外導(dǎo)體上的開(kāi)縫輻射或接收電磁波，從而與外部空間進(jìn)行無(wú)線通信的傳輸媒介，主要應(yīng)用于閉域空間的無(wú)線通信。圖1為利用漏纜覆蓋隧道的示意圖，RRU安裝在避車(chē)洞室內(nèi)，漏纜安裝高度與高鐵列車(chē)窗口對(duì)齊，基站信號(hào)通過(guò)漏纜輻射，穿透車(chē)窗、車(chē)體到達(dá)車(chē)廂內(nèi)用戶。

漏纜處在單模輻射狀態(tài)，其他高階模處于非輻射狀態(tài)時(shí)的頻率范圍稱為漏纜的使用頻帶，避免高階模產(chǎn)生的最大頻率稱為截止頻率［5］，計(jì)算公式如下。

式中：

c——光速

εr——絕緣層相對(duì)介電常數(shù)

d——內(nèi)導(dǎo)體的等效直徑

D——外導(dǎo)體的等效直徑

隧道覆蓋常用的漏纜型號(hào)包括13/8漏纜及5/4漏纜，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(hào)無(wú)法在13/8漏纜中傳輸。

傳統(tǒng)5/4漏纜傳輸損耗及耦合損耗如表1所示，其在3.5 GHz高頻段的百米傳輸損耗很大，是1.8 GHz的2倍以上。若目標(biāo)覆蓋長(zhǎng)度為250 m，則相同輸入信號(hào)強(qiáng)度的3.5 GHz信號(hào)及1.8 GHz信號(hào)在最遠(yuǎn)點(diǎn)距漏纜水平2 m處的接收信號(hào)強(qiáng)度相差約（11.2×2.5+66）-（4.7×2.5+70）=12.25 dB。

1.2 漏泄波導(dǎo)管覆蓋

與漏纜類(lèi)似，漏泄波導(dǎo)管也是一種電磁波傳輸媒介，其本質(zhì)上是一種連續(xù)的加長(zhǎng)型天線，可用于地鐵隧道覆蓋［6］。通過(guò)波導(dǎo)管開(kāi)具的槽孔，波導(dǎo)管內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪梢暂椛涞酵獠靠臻g，與此同時(shí)，外部空間的電磁波也可以耦合到波導(dǎo)管內(nèi)。

利用漏泄波導(dǎo)管覆蓋隧道與漏纜布設(shè)方式相同，但與漏纜相比，漏泄波導(dǎo)管傳輸頻帶更寬，傳輸損耗更小。漏泄波導(dǎo)管及5/4漏纜在3.5 GHz頻段的性能對(duì)比如表2所示。從兩者百米傳輸損耗對(duì)比可知，傳輸損耗要求一致時(shí)，5/4漏纜的傳輸距離約為漏泄波導(dǎo)管傳輸距離的31%。

表1 5/4漏纜的傳輸損耗及耦合損耗參數(shù)表

表2 漏泄波導(dǎo)管及5/4漏纜在3.5 GHz頻段的性能對(duì)比

若在隧道中部署4T4R的5G網(wǎng)絡(luò)，需并排布設(shè)4根漏纜或漏泄波導(dǎo)管。漏泄波導(dǎo)管單價(jià)比漏纜高很多，若大規(guī)模使用，需投入大量建設(shè)成本。此外，漏泄波導(dǎo)管工藝復(fù)雜、受外界環(huán)境影響大等不足使其設(shè)備性能變得異常敏感［6］。因此，需推動(dòng)漏泄波導(dǎo)管在成本及穩(wěn)定性方面進(jìn)行改進(jìn)。在此之前，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。

1.3 特型天線覆蓋

利用特型天線覆蓋隧道的常見(jiàn)形式是采用特型天線在隧道口或隧道內(nèi)進(jìn)行覆蓋，如對(duì)數(shù)周期天線或八木天線。

不同長(zhǎng)度的隧道所采用的覆蓋方式也不同。

a）對(duì)于直線型短距離隧道，可在兩端的隧道口安裝特型天線朝隧道內(nèi)部覆蓋，同時(shí)，為保證終端可以在隧道內(nèi)外平滑切換，也可在隧道口安裝另一面天線，朝隧道外部延伸覆蓋，此時(shí)隧道口兩側(cè)應(yīng)設(shè)置為同一小區(qū)。

b）對(duì)于長(zhǎng)距離隧道，在隧道口和隧道內(nèi)均應(yīng)安裝特型天線，大部分長(zhǎng)距離的隧道兩側(cè)分屬不同小區(qū)［7］，所以長(zhǎng)距離隧道可考慮用2個(gè)小區(qū)進(jìn)行覆蓋，將切換區(qū)設(shè)置在隧道內(nèi)。

特型天線覆蓋方式設(shè)計(jì)靈活，與漏纜覆蓋相比，施工更簡(jiǎn)單，投資更低。但這種覆蓋方式對(duì)天線的尺寸、外型及增益要求較高，需重點(diǎn)考慮安裝條件、安全性以及穩(wěn)定性要求，以滿足高鐵進(jìn)入隧道時(shí)的風(fēng)壓要求。

1.4 方案對(duì)比

3種隧道覆蓋方案的對(duì)比分析如表3所示。

表3 隧道覆蓋方案對(duì)比

2 性能指標(biāo)要求

如1.2節(jié)所述，漏泄波導(dǎo)管規(guī)模使用的限制因素為價(jià)格及穩(wěn)定性，故本章僅分析漏纜及特型天線性能指標(biāo)要求。

2.1 漏纜覆蓋方案

對(duì)于漏纜覆蓋方案，關(guān)鍵性能指標(biāo)為整體損耗，包括傳輸損耗及耦合損耗。

2.1.1 鏈路預(yù)算分析

漏纜在隧道內(nèi)的傳播只與橫向傳播模型有關(guān)［3］，與隧道的彎曲程度無(wú)關(guān)。假設(shè)RRU為2端口，各端口用功分器連接2段漏纜分別朝向兩側(cè)。考慮多家運(yùn)營(yíng)商共建共享，引入2 dB合路器及連接電纜損耗。假設(shè)漏纜安裝在距地7 m高的地方，高鐵車(chē)廂內(nèi)的接收點(diǎn)距漏纜的水平距離約為4 m，相比2 m處引入了額外6 dB空間傳播損耗。通信系統(tǒng)一般為上行受限，利用漏纜覆蓋高鐵隧道的上行鏈路預(yù)算如表4所示［8］。

表4 漏纜覆蓋上行鏈路預(yù)算

若使用現(xiàn)有5/4漏纜覆蓋，3.6 GHz頻段百米傳輸損耗LT為13 dB，耦合損耗Lc為67 dB，則基站接收到的每RE信號(hào)強(qiáng)度為-1.51+3-34-2.5×13-67-6-2=-140.01 dBm，無(wú)法滿足接收機(jī)靈敏度要求。

在滿足接收機(jī)靈敏度要求前提下，允許最大縱向傳輸損耗為-1.51+3-34-67-6-2-（-129.23）=21.72 dB，對(duì)于5/4漏纜，單側(cè)有效覆蓋距離為21.72/13×100=167 m，兩側(cè)有效覆蓋距離為167×2=334 m。

2.1.2 損耗要求

由鏈路預(yù)算分析可知，現(xiàn)有漏纜無(wú)法實(shí)現(xiàn)高鐵隧道內(nèi)3.5~3.6 GHz頻段5G信號(hào)500 m以上的連續(xù)覆蓋。若使用漏纜進(jìn)行高鐵隧道5G覆蓋，在不大幅提升成本的前提下，需研發(fā)新型漏纜，降低漏纜整體損耗（傳輸損耗+耦合損耗）。滿足500 m有效覆蓋距離的漏纜傳輸損耗LT和耦合損耗Lc要求為：

2.2 特型天線覆蓋方案

對(duì)于特型天線覆蓋方案，關(guān)鍵性能指標(biāo)為天線增益。

2.2.1 隧道傳播模型

適用于隧道場(chǎng)景的傳播模型為：

PL——路徑損耗（dB）

f——信號(hào)頻率（MHz）

d——為收發(fā)間距（m）

N——路徑損耗系數(shù)，與頻率和覆蓋場(chǎng)景強(qiáng)相關(guān)，對(duì)于1.8 GHz頻段，典型值為20，對(duì)于3.5 GHz頻段暫無(wú)經(jīng)驗(yàn)值，故暫定20，后續(xù)基于測(cè)試情況再做擬合修正［9］

2.2.2 鏈路預(yù)算分析

高鐵在隧道內(nèi)行進(jìn)時(shí)，為保證用戶能夠順利切換，隧道內(nèi)無(wú)線信號(hào)需有一定的重疊覆蓋區(qū)域。在重疊覆蓋區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，服務(wù)小區(qū)信號(hào)隨著高鐵行進(jìn)漸漸變?nèi)?，接收到的另一個(gè)小區(qū)信號(hào)則漸漸變強(qiáng)，當(dāng)滿足一定條件后進(jìn)行切換。

為提高切換成功率，在切換時(shí)延基礎(chǔ)上需留有一定的切換余量，單向切換距離=切換時(shí)延（考慮余量后）×車(chē)行速度?？紤]余量后的5G切換時(shí)延約為1.2 s，若高鐵在隧道內(nèi)運(yùn)行速度為300 km/h，則單向切換距離為100 m，目標(biāo)覆蓋距離為250+100=350 m。

信號(hào)在高鐵隧道內(nèi)傳播要經(jīng)過(guò)多次反射和折射才能到達(dá)接收機(jī)，這使得多徑干擾增加，信號(hào)在接收機(jī)處呈現(xiàn)出快衰落的特性，需考慮快衰落余量。對(duì)于單孔雙軌隧道，快衰落余量建議值為8.3 dB。

利用特型天線覆蓋高鐵隧道的上行鏈路預(yù)算如表 5所示［8］。

表5 特型天線覆蓋上行鏈路預(yù)算

將350 m傳播距離代入傳播模型，得出該距離對(duì)應(yīng)空間路徑損耗為94 dB。為保障接收靈敏度需求，-1.51+3-34-94-2-8.3-6.4+Ga≥-129.23，即天線增益Ga≥14 dBi。

特型天線一般采用對(duì)數(shù)周期天線或八木天線，前者增益低、頻帶較寬，對(duì)各種頻率的兼容性好，后者則增益高、頻帶較窄。由于天線覆蓋方案受限于天線增益，因此建議研發(fā)滿足上述天線增益要求的新型八木天線對(duì)高鐵隧道進(jìn)行覆蓋。

3 總結(jié)

綜上所述，在高鐵隧道中實(shí)現(xiàn)5G覆蓋難度很大。對(duì)于較短隧道，若整體損耗能滿足接收機(jī)靈敏度要求，可使用5/4漏纜進(jìn)行覆蓋；對(duì)于較長(zhǎng)隧道，若現(xiàn)有5/4漏纜無(wú)法滿足3.5 GHz信號(hào)引入需求，則考慮新增或替換為新型漏纜或漏泄波導(dǎo)管；對(duì)于直線型隧道或隧道口，建議使用特型天線覆蓋。其中，各方案使用的相關(guān)天饋產(chǎn)品研發(fā)可參考本文提出的性能指標(biāo)要求。