高鐵隧道5G公網覆蓋方案研究

沈 華

5G，即第五代移動電話行動通信標準，也稱第五代移動通信技術，是4G之后的延伸。5G具有高速率、寬帶寬、高可靠、低時延等特征。隨著無線移動通信系統帶寬和能力的增加，面向個人和行業的移動應用快速發展，移動通信相關產業生態將逐漸發生變化，5G不僅僅是更高速率、更大帶寬、更強能力的空中接口技術，而且是面向用戶體驗和業務應用的智能網絡［1］。

我國高鐵建設飛速推進，高鐵智慧化、信息化發展離不開公網信號支撐。同時高鐵乘客特征和運營商價值客戶高度重合，是運營商網絡品牌的重要展示窗口：乘坐高鐵的旅客話務量及數據通信量均比一般用戶大，且對移動通信網絡質量要求更高；高鐵用戶中高端客戶占比大，對于提升網絡品牌具有更重要的意義。由于鐵路紅線外的宏基站5G 信號無法覆蓋到高鐵隧道，為此需要對高鐵隧道覆蓋方案進行研究。

1 覆蓋難點

高鐵隧道公網信號覆蓋主要存在以下問題：小區頻繁切換、多普勒頻偏、穿透損耗大［2］。

1.1 小區頻繁切換

5G 信號的系統可靠性需求為99.999%，端到端時延＜1 ms。高速列車以350 km/h 行駛時，信號切換區域超過90 m，所以高速移動場景下的小區重疊覆蓋距離要長于其他普通場景。同時由于5G 信號頻率高、覆蓋半徑短、基站間距小，導致頻繁切換問題更加嚴重［3］。頻繁的切換會帶來吞吐率下降，甚至出現掉話問題。

1.2 多普勒頻偏

5G 信號要求峰值移動性支持≥500 km/h，高速移動下的多普勒頻偏會影響接收機解調性能［4］。多普勒頻偏在5G 網絡影響更大，3.5 GHz 相對1.8 GHz 頻偏增大一倍，在3.5 GHz 情況下，列車速度達到350 km/h 時，上行多普勒頻偏將大于2.2 kHz。因此，在高頻段、終端高速移動狀態下如何克服多普勒頻偏是5G網絡技術難點之一。

1.3 穿透損耗大

5G 信號頻段比4G 要高，所以衍射能力較差［5］，空間損耗和車廂損耗均比4G 頻段高。而高鐵列車一般采用全封閉的車廂結構，車廂體為不銹鋼或鋁合金等金屬材料，車窗玻璃為較厚的玻璃材料，進一步增加了5G 信號在高速列車內的穿透損耗；同時不同列車由于材質和速度上的差異，對5G 信號穿透損耗的影響差別也很大。隨著高鐵車型的不斷更新，目前投入運營的復興號車型已超過50%，對應的穿透損耗最大增加了將近24 dB。由于基站到高速列車的入射角越大，穿透損耗會越小，所以在進行方案設計時要保證基站入射角在10°以上。不同車型穿透損耗參考見表1。

表1 不同車型穿透損耗參考

2 方案研究

2.1 基站選型

宏基站是指通信運營商的無線信號發射基站，有功耗高、覆蓋距離大（一般35 km）的特點［6］，適用于鐵路沿線地形環境開闊、話務量比較分散的區域，但無法滿足隧道覆蓋要求。

分布式基站是將傳統宏基站的基帶處理單元（BBU）和射頻處理單元（RRU）進行分離，分離后二者再通過損耗極小的光纖進行相連［7］。在網絡部署時，BBU 與核心網、無線網絡控制器等設備集中放置在機房內，RRU 拉遠至規劃站點，一個基帶處理單元可以不同的方式連接多個射頻處理單元，實現RRU 之間的資源調度和調配，提高了組網效率，完成網絡覆蓋。將傳統宏基站的基帶處理、主控、傳輸、時鐘等功能集成在BBU 上；將收發信機、功放等射頻功能集成在RRU 上。BBU體積小、重量輕、功耗低、安裝位置靈活，可直接安裝于機房機柜內；RRU 可以拉遠到任何地方，因地制宜、靈活部署，一般安裝在天線端，與BBU 之間通過光纖連接，形成全新的分布式基站解決方案。分布式基站結構見圖1。

圖1 分布式基站結構

由于分布式基站具有覆蓋能力強、站址資源利用率高、組網方式靈活、建設維護成本低、網絡升級方便、建設工程實施便利等優點，同時又能很好地解決宏基站無法解決的問題，所以高鐵隧道無線覆蓋選擇分布式基站進行組網。

2.2 覆蓋方式

隧道內部空間有限，天線入射角較小，無法有效穿透高鐵動車組車體，覆蓋效果和質量均不理想。漏泄同軸電纜可將信號呈柱狀均勻輻射出去，信號穿透性能好，且頻率更寬，可適用于隧道內公網信號的傳輸覆蓋［8］。隧道口空間寬闊，可以采用定向天線進行覆蓋。因此隧道宜采用“分布式基站＋漏泄同軸電纜＋定向天線”的方式進行無線覆蓋，即使用鐵路紅線外的BBU 站點作為信源，RRU、POI（多系統合路平臺Point of Interface）設置于隧道口公網場坪鋼桿上或隧道洞室內。RRU 向POI 饋入多制式信號，POI 對信號合路后通過漏泄同軸電纜對隧道內進行覆蓋，RRU 在隧道口直接通過定向天線對隧道口進行覆蓋。

2.2.1 隧道內覆蓋

隧道內信號制式分別為移動FDD-LTE/DCS、移動TDD-F/5G、電信CDMA800、聯通2100 M（UL）、電聯FDD-LTE、電聯5G 等6 種。隧道內擬采用“分布式基站＋漏泄同軸電纜”的方式進行無線信號覆蓋。由于13/8″漏纜理論截止頻率約為2.6 GHz，5/4″漏纜理論截止頻率約為3.7 GHz，所以采用5/4″漏纜承載5G信號，而13/8″漏纜則用來承載4G 以下信號。結合鐵塔公司和運營商的綜合需求，采用1 條13/8″漏纜（用于電聯800 MHz）和2 條5/4″低損耗漏纜（用于移動、電聯3G/4G/5G）進行組合覆蓋。13/8″漏泄同軸電纜指標見表2。5/4″漏泄同軸電纜指標見表3。

表2 13/8″漏泄同軸電纜指標

表3 5/4″漏泄同軸電纜指標

高鐵列車車窗下沿距軌面高度為2 m 左右，車窗上沿距軌面約2.7 m。為保證信號的入射角度，結合動車組車窗高度和照明電纜高度，2 條5/4″漏纜掛高分別為距軌面2.1 m 和2.55 m，13/8″漏纜掛高為距軌面2.25 m，漏纜孔指向車窗，公網漏纜與設備所在洞室在同側敷設。

隧道洞室內設備有POI、RRU、壁掛式光交箱、壁掛式配電箱。上述6 種制式的RRU 各有1 個。如果空間允許，所有設備盡量安裝在洞室正面，設備底部在一條直線上，安裝高度距地面1.4 m。配電箱直接從鐵路供電專業的箱式變電所取電，可以通過遠程抄表系統進行電量統計，也可以直接通過4G 或5G 信號回傳至鐵塔計費后臺［9］。隧道內洞室設備見圖2。

圖2 隧道內洞室設備

隧道內RRU 站點距離需要結合鏈路預算和洞室實際位置進行考慮。正線下行、上行鏈路預算見表4、表5。

表4 正線下行鏈路預算

表5 正線上行鏈路預算

1） 移動 FDD-LTE/DCS.1800：RRU 單方向最大能覆蓋325 m，RRU設備間距可按650 m設計。

2）移動TDD-F/5G-2600：RRU 單方向最大能覆蓋319 m，RRU設備間距可按638 m設計。

3）電信CDMA800：RRU 單方向最大能覆蓋342 m，RRU設備間距可按684 m設計。

4）聯通2100M（UL）：RRU 單方向最大能覆蓋440 m，RRU設備間距可按880 m設計。

5）電聯FDD-LTE 1 800 M：RRU單方向最大能覆蓋1 008 m，RRU設備間距可按2 016 m設計。

6）電聯5G-3500：RRU 單方向最大能覆蓋702 m，RRU設備間距可按1 404 m設計。

為滿足上述不同系統的覆蓋需求，RRU 設備間距應小于638 m。同時考慮到高鐵隧道單側設備洞室間距500 m 左右的實際情況，RRU 站點間距宜設置為500 m左右。

2.2.2 隧道口覆蓋

隧道口采用“分布式基站＋定向天線”方式進行信號覆蓋，站點為場坪站方式。站點設備有POI、RRU、立式光交箱、立式配電箱、定向天線等，并設9 m 鋼桿2 根，POI、RRU、定向天線均掛設在鋼桿上。

POI為隧道內漏纜提供信號，定向天線則直接和RRU 連接來提供信號。天線設3 副，即電信2G、聯通4G、聯通5G 各設1 副，考慮到覆蓋范圍，天線掛高宜為9 m。

配電箱直接從鐵路供電專業的箱式變電所取電，可以通過遠程抄表系統進行電量統計，也可以直接通過4G 或5G 信號回傳至鐵塔計費后臺。隧道口場坪設備見圖3。

圖3 隧道口場坪設備

隧道口下行、上行鏈路預算見表6、表7。

表6 隧道口下行鏈路預算

表7 隧道口上行鏈路預算

由于高速鐵路列車穿透損耗較大，從隧道口出的信號延伸有限，需采用隧道內外小區合并、同PN 技術等提高重疊覆蓋區域，降低切換失敗次數［10］。

3 小結

公網、專網共建共享可以有效減少投資，加快網絡覆蓋，實現規模經濟。5G技術要發展，必須打破行業壁壘，和其他行業進行深度融合，因此5G公網信號需要和鐵路專網進行共建共享，共同促進高鐵信息化和智能化發展。