高铁隧道5G公网覆盖方案研究

2021-10-19沈华

铁道通信信号 2021年9期

沈华

5G，即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，是4G之后的延伸。5G具有高速率、宽带宽、高可靠、低时延等特征。随着无线移动通信系统带宽和能力的增加，面向个人和行业的移动应用快速发展，移动通信相关产业生态将逐渐发生变化，5G不仅仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而且是面向用户体验和业务应用的智能网络［1］。

我国高铁建设飞速推进，高铁智慧化、信息化发展离不开公网信号支撑。同时高铁乘客特征和运营商价值客户高度重合，是运营商网络品牌的重要展示窗口：乘坐高铁的旅客话务量及数据通信量均比一般用户大，且对移动通信网络质量要求更高；高铁用户中高端客户占比大，对于提升网络品牌具有更重要的意义。由于铁路红线外的宏基站5G 信号无法覆盖到高铁隧道，为此需要对高铁隧道覆盖方案进行研究。

1 覆盖难点

高铁隧道公网信号覆盖主要存在以下问题：小区频繁切换、多普勒频偏、穿透损耗大［2］。

1.1 小区频繁切换

5G 信号的系统可靠性需求为99.999%，端到端时延＜1 ms。高速列车以350 km/h 行驶时，信号切换区域超过90 m，所以高速移动场景下的小区重叠覆盖距离要长于其他普通场景。同时由于5G 信号频率高、覆盖半径短、基站间距小，导致频繁切换问题更加严重［3］。频繁的切换会带来吞吐率下降，甚至出现掉话问题。

1.2 多普勒频偏

5G 信号要求峰值移动性支持≥500 km/h，高速移动下的多普勒频偏会影响接收机解调性能［4］。多普勒频偏在5G 网络影响更大，3.5 GHz 相对1.8 GHz 频偏增大一倍，在3.5 GHz 情况下，列车速度达到350 km/h 时，上行多普勒频偏将大于2.2 kHz。因此，在高频段、终端高速移动状态下如何克服多普勒频偏是5G网络技术难点之一。

1.3 穿透损耗大

5G 信号频段比4G 要高，所以衍射能力较差［5］，空间损耗和车厢损耗均比4G 频段高。而高铁列车一般采用全封闭的车厢结构，车厢体为不锈钢或铝合金等金属材料，车窗玻璃为较厚的玻璃材料，进一步增加了5G 信号在高速列车内的穿透损耗；同时不同列车由于材质和速度上的差异，对5G 信号穿透损耗的影响差别也很大。随着高铁车型的不断更新，目前投入运营的复兴号车型已超过50%，对应的穿透损耗最大增加了将近24 dB。由于基站到高速列车的入射角越大，穿透损耗会越小，所以在进行方案设计时要保证基站入射角在10°以上。不同车型穿透损耗参考见表1。

表1 不同车型穿透损耗参考

2 方案研究

2.1 基站选型

宏基站是指通信运营商的无线信号发射基站，有功耗高、覆盖距离大（一般35 km）的特点［6］，适用于铁路沿线地形环境开阔、话务量比较分散的区域，但无法满足隧道覆盖要求。

分布式基站是将传统宏基站的基带处理单元（BBU）和射频处理单元（RRU）进行分离，分离后二者再通过损耗极小的光纤进行相连［7］。在网络部署时，BBU 与核心网、无线网络控制器等设备集中放置在机房内，RRU 拉远至规划站点，一个基带处理单元可以不同的方式连接多个射频处理单元，实现RRU 之间的资源调度和调配，提高了组网效率，完成网络覆盖。将传统宏基站的基带处理、主控、传输、时钟等功能集成在BBU 上；将收发信机、功放等射频功能集成在RRU 上。BBU体积小、重量轻、功耗低、安装位置灵活，可直接安装于机房机柜内；RRU 可以拉远到任何地方，因地制宜、灵活部署，一般安装在天线端，与BBU 之间通过光纤连接，形成全新的分布式基站解决方案。分布式基站结构见图1。

图1 分布式基站结构

由于分布式基站具有覆盖能力强、站址资源利用率高、组网方式灵活、建设维护成本低、网络升级方便、建设工程实施便利等优点，同时又能很好地解决宏基站无法解决的问题，所以高铁隧道无线覆盖选择分布式基站进行组网。

2.2 覆盖方式

隧道内部空间有限，天线入射角较小，无法有效穿透高铁动车组车体，覆盖效果和质量均不理想。漏泄同轴电缆可将信号呈柱状均匀辐射出去，信号穿透性能好，且频率更宽，可适用于隧道内公网信号的传输覆盖［8］。隧道口空间宽阔，可以采用定向天线进行覆盖。因此隧道宜采用“分布式基站＋漏泄同轴电缆＋定向天线”的方式进行无线覆盖，即使用铁路红线外的BBU 站点作为信源，RRU、POI（多系统合路平台Point of Interface）设置于隧道口公网场坪钢杆上或隧道洞室内。RRU 向POI 馈入多制式信号，POI 对信号合路后通过漏泄同轴电缆对隧道内进行覆盖，RRU 在隧道口直接通过定向天线对隧道口进行覆盖。

2.2.1 隧道内覆盖

隧道内信号制式分别为移动FDD-LTE/DCS、移动TDD-F/5G、电信CDMA800、联通2100 M（UL）、电联FDD-LTE、电联5G 等6 种。隧道内拟采用“分布式基站＋漏泄同轴电缆”的方式进行无线信号覆盖。由于13/8″漏缆理论截止频率约为2.6 GHz，5/4″漏缆理论截止频率约为3.7 GHz，所以采用5/4″漏缆承载5G信号，而13/8″漏缆则用来承载4G 以下信号。结合铁塔公司和运营商的综合需求，采用1 条13/8″漏缆（用于电联800 MHz）和2 条5/4″低损耗漏缆（用于移动、电联3G/4G/5G）进行组合覆盖。13/8″漏泄同轴电缆指标见表2。5/4″漏泄同轴电缆指标见表3。

表2 13/8″漏泄同轴电缆指标

表3 5/4″漏泄同轴电缆指标

高铁列车车窗下沿距轨面高度为2 m 左右，车窗上沿距轨面约2.7 m。为保证信号的入射角度，结合动车组车窗高度和照明电缆高度，2 条5/4″漏缆挂高分别为距轨面2.1 m 和2.55 m，13/8″漏缆挂高为距轨面2.25 m，漏缆孔指向车窗，公网漏缆与设备所在洞室在同侧敷设。

隧道洞室内设备有POI、RRU、壁挂式光交箱、壁挂式配电箱。上述6 种制式的RRU 各有1 个。如果空间允许，所有设备尽量安装在洞室正面，设备底部在一条直线上，安装高度距地面1.4 m。配电箱直接从铁路供电专业的箱式变电所取电，可以通过远程抄表系统进行电量统计，也可以直接通过4G 或5G 信号回传至铁塔计费后台［9］。隧道内洞室设备见图2。