高铁隧道5G 覆盖应用渐变辐射型漏缆的研究*

2022-12-12李益锋陶昕

通信技术 2022年10期

关键词：漏缆槽孔场强

许灏，王渤，俞彬，李益锋，许彬，陶昕

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 310026）

0 引言

第五代移动通信技术（简称5G）是当前我国奠定全球科技领先地位的重要支撑，也是我国“新基建”战略的一个焦点。同时，高速铁路作为我国经济运行的大动脉，是国民经济快速发展的催化剂[1]。

5G 采用大规模天线技术，具有大连接、高速率和低时延等特点，5G 网络的天线基本通道数可达到64，128 和256个[2]。

在高铁时速不断提升的背景下，5G 网络建设遭遇了前所未有的挑战，不仅要求通信运营商提升无线覆盖的能力，而且要求5G 应用带给乘客更高端的体验[3]。

我国高铁所经路段多位于丘陵峡谷，隧道多且长，弯道多，车厢对无线信号具有较强的屏蔽和反射作用，且隧道内施工条件有限、安全性能要求高、通信设施布置困难。在高铁隧道内，由于外部信号无法直接引入，无线信号通常会采用射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）+漏泄同轴电缆（简称漏缆）沿隧道壁布放的方式进行覆盖，优先选择4条漏缆（4 通道）方式进行覆盖。当前行业内通常采用两条漏缆（2 通道）的覆盖方式，这主要受限于隧道托臂上安装空间不足。常见漏缆结构如图1 所示。

图1 泄露电缆结构

漏缆在外形上与普通射频同轴电缆类似，结构上由内导体、开有周期性槽孔的外导体及两者之间的绝缘介质3 部分组成。

当前5G 网络覆盖的主流频段为中国电信和中国联通的3.5 GHz，以及中国移动的2.6 GHz，这两种频段，尤其是3.5 GHz 频段的覆盖能力和穿透能力相比前几代移动通信大幅度减弱，给5G 网络的建设带来更大的挑战[4]。

本文将从高铁车厢特征、隧道构造、无线信号传播特性及漏缆参数等一系列要素展开研究。为解决5G 信号弱覆盖问题，提出用渐变辐射型漏缆覆盖隧道内车厢的方法，并通过仿真和实际案例验证该方法的可行性。

1 无线通信在高铁隧道覆盖中的特性

1.1 高铁隧道场景特点

与普通铁路隧道相比，高速铁路的隧道截面积大，所经路段地质更为复杂，安全风险高，对隧道结构耐久性的要求极高。高铁隧道可以看作一个长方体形的封闭区间，长度一般在几公里到十几公里不等，少数可达二三十公里，多为单孔双向布置，宽度接近13 m，高度在7 m 左右[5]，典型的高铁隧道内场景如图2 所示。

图2 高铁隧道场景

高铁隧道无线网络建设有以下特征：

（1）高铁隧道漏缆布放条数受限，建设单位需考虑多运营商共享。漏缆系统需要引入多个运营商的频段及制式，最常见的方式是采用多系统合路平台（Point Of Interface，POI）合路。

（2）高铁隧道对外部信号屏蔽性好，除出入口附近外，其他区域不会受到外部信号干扰，因此也不受异厂家基站插花组网的影响[6]。

（3）高铁隧道是窄长方形结构，隧道截面直径通常在12～15 m，每间隔500 m 存在一个避车洞，可用于通信设备安装[7]。

（4）高铁用户对语音和数据业务都有很高需求，但是用户量受限于列车车厢座位数，对容量的需求相对可控。

1.2 高铁隧道覆盖的技术特点

高铁隧道的无线网络建设特征决定无线信号覆盖技术有以下特点：

（1）由于高铁隧道一般较为狭长，信号受车体阻挡损耗极大，因此信号沿隧道横截面直接向车厢辐射是最好的方式。采用POI 合路一套漏缆系统，具有支持频段宽、可控性高、利于控制多系统干扰等优点，缺点是信号场强并非呈现均匀分布，而是离信源越近场强越大[8]。

（2）为了安全性和便利性，铁路方通常要求民用通信主设备及配套安装在避车洞内，每500 m 设置一个信源安装点，因此需要增强信源输出功率或者减小漏缆传输损耗来保证边缘场强满足最低要求。

（3）高铁运行中信号稳定性较差，通常采用室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）+RRU 这类高性能的设备作为信号源。

（4）高铁是安全等级要求最高的交通工具之一，对设备安全可靠性、维护便捷性要求高。因设备检修只能在后半夜进行，所以设计时尽可能减少设备数量，以减少在隧道中维护检修的工作量[9]。

（5）高铁出入口与地面室外网络需要设置良好的切换带，最有效便捷的办法是在靠近隧道洞口的漏缆末端加装高增益对数天线，使隧道内信号泄露出去。天线长度通常在100 m 左右，以延长隧道内外信号的切换时间[10]。

1.3 现阶段高铁隧道覆盖的常规思路

随着高铁出行的商务人士越来越多，人们对网速的要求越来越高，希望得到更高端的乘客体验。5G 具备超高速率、超低时延及海量连接等优点，恰好能最大限度地满足乘客要求。

目前高铁隧道的移动通信系统一般由中国移动、中国联通、中国电信3 家通信运营商统一委托给中国铁塔公司建设。铁塔公司在多系统POI 侧提供运营商相应制式的接入端口，并根据现有设备参数来设计配套设备[11]。

3 家运营商的信号经POI 后，再通过漏缆发射出去，以此完成对隧道内高铁车厢的覆盖[12]。

根据铁路方提供的安装环境差异，漏缆在高铁隧道内的布放可分为单缆、双缆、4 缆等几种方式，目前双缆是国内高铁隧道覆盖的主流模式[13]，如图3 所示。

图3 高铁隧道双缆覆盖系统

双缆的优势有：

（1）双缆相比4 缆，可以节省非常可观的费用，可以使运营商的租金成本最低化；

（2）单缆最大下行速率一般在400 Mbit/s 以下，无法满足远期5G 高端应用，而双缆相比单缆，可实现两收两发（Two Receiving and Two Sending，2T2R）的多进多出（Multiple In Multiple Out，MIMO）模式，理论上速率翻倍；

（3）双缆占用高铁隧道托臂的空间资源较少，安装难度低，适用性强；

（4）当前行业内3.5 GHz RRU 设备主要有2×160 W 2T2R 高功率和8×50 W 8T8R 低功率两种，双缆可采用高功率设备作为信源，而4 缆只能采用低功率设备，即双缆在信源输出功率上具有明显优势。

双缆的劣势有：

（1）5G 只能实现2T2R，各家运营商5G 的部分指标会下降，例如传输速率会比4 缆下降30%～40%；

（2）对漏缆的性能指标要求较高，整个系统要求漏缆兼容2G、3G、4G 和5G 频段[14]。

接下来以双缆模式为例进行说明。所谓双缆方案，即分布系统由POI 及两条漏缆组成，两条漏缆间距要求在10 倍波长以上，一般以实现MIMO 的最低频段作为要求[15]。

研究发现，4.13 cm 漏缆截止频率为2.7 GHz，不适合3.5 GHz 频段的传播，而3.18 cm 漏缆截止频率为3.7 GHz，因此实际工程中采用3.18 cm 漏缆进行覆盖[16]。

2 渐变辐射型漏缆覆盖性能分析

信号在漏缆中纵向传播的同时也通过外导体槽孔，以一定方向向外放射电磁波；同理外部的信号也可经由这些槽孔流入漏泄同轴电缆内，从而使电磁波沿漏电缆纵向传输到接收端口[17]。

2.1 主要损耗参数定义

2.1.1 系统损耗Ls

系统损耗Ls为漏缆传输损耗与95%概率的耦合损耗之和，即Ls=α+Lc(95%)，其中，α为漏泄同轴电缆内外导体间的传输损耗，单位为dB/km，Lc(95%)表示漏缆百分之九十五概率的耦合损耗。

2.1.2 传输损耗α

传输损耗α表征信号在电缆内部所传输能量损耗的最关键特性。对漏缆来说，漏缆外部环境的不同会影响漏缆的衰减性能，但该性能最主要还是受制于漏缆外导体的槽孔排列方式。传输损耗的计算方式为α=αc+αd+αr，其中，α表示漏缆传输损耗，αc表示漏缆导体损耗，αd表示漏缆介质损耗，αr表示漏缆辐射损耗。

2.1.3 耦合损耗

耦合损耗表征漏缆内外导体间还有与周围环境之间相互耦合强度特征的参数，其定义为Lc=10lgpt/pr，其中，Lc为耦合损耗，pt为漏缆内某点的传输功率，pr为标准偶极天线在该点的接收功率。

耦合损耗受电缆外导体槽孔排列方式及外部对信号的干扰或反射的影响。频段越宽、辐射越强就意味着漏缆耦合损耗越低。

2.2 漏缆的能量传播特征

首先分析漏缆的辐射模式理论，计算辐射场分布。周期性槽孔的轴流式信号传播原理和在不同材质的漏泄同轴电缆中的导行信号传播原理基本相同，是通过把很少部分在漏泄同轴电缆内部传播的能量耦合起来，在漏泄同轴电缆的外导线上产生辐射波。如图4 所示，漏缆外导体开有周期为ρ的槽孔，E表示漏缆附近的场强，则有：

图4 辐射型漏缆开槽口结构与柱坐标

式中：α0为导行波的衰减常数；为漏缆导体内的传播常数；k0为自由空间传播常数；ξr是漏缆内介质的相对介质常数；M(η,r,φ)为与径向传播常数η以及柱坐标r，φ有关的函数。式（1）省略了时间因子ejωt。

基于Floquet 定理，在无穷长度的周期性结构中，由于不同周期间的场特性相同，在相邻槽孔之间的场强相差一个复数常数，所以式（1）中的Z(z)一定是周期性函数，并且周期为ρ，将其展开成傅里叶级数，则有：

式中：m取整数；Zm为傅里叶系数。

将式（2）代入式（1）中得到[18]：

常规漏泄同轴电缆采用外导体均匀开槽，即槽孔都是等规格、等距离设置，这类漏缆任何一处耦合损耗都是相同的。3.18 cm 常规辐射型漏缆槽型如图5 所示，实测损耗如表1 所示。

图5 3.18 cm 常规漏泄同轴电缆槽型

从表1 可以看出，无论在什么频段，信号在漏缆内部传输的同时，始终在等比例向外辐射能量。理论上信号呈线性衰弱，在靠近信源端较长一段区域内信号一般是非常强的，这种现象实质上是一种能量浪费。

表1 常规3.18 cm 漏泄同轴电缆损耗指标

为了满足覆盖要求，在同一根漏缆上设计不同密度的槽孔，至少两组不同的槽孔组，在靠近信源侧增加孔距来实现更低的损耗，从而能有效补偿末端场强，变相增加5G 漏缆覆盖距离，改善末端信号覆盖效果。如图6 所示。

图6 渐变辐射型漏缆槽型

各类渐变式辐射漏缆的槽孔参数不完全相同，槽孔参数具体包括但不限于槽孔的形状、槽宽、槽长、开槽倾角、开孔间距等。本文以开孔间距的差异作为参数来研究渐变辐射型漏缆。现实中漏缆厂商不会提供具体参数的渐变辐射型漏缆，而是按工程的需要，根据漏缆长度、漏缆输出场强等要求，来计算不同槽孔组的开孔间距，如式（1）、式（2）、式（3）。

以某高铁隧道使用的一段3.18cm 渐变式辐射型漏缆为例，根据厂商提供的漏缆实物，实验测得漏缆系统损耗如表2 所示。

表2 实验测得3.18 cm 渐变辐射型漏缆系统损耗指标

2.3 两种漏缆的链路预算对比

2.3.1 链路预算模型

由于不同运营商使用的无线频段之间差异较大，各频段射频信号在漏缆中传输的衰减明显不同，电磁波在空间传播也不一致，这就要求信号在漏缆各个漏泄点的输出功率不一致。目前中国移动5G网络主要使用2.6 GHz 频段，而中国联通和中国电信主要使用3.5 GHz 频段，根据高频段衰减大的特性，相同输出功率的信号若满足较高频段的覆盖需求，必然也满足较低频段的覆盖需求。下文以中国联通的3 500～3 600 MHz 频段作为覆盖频段，采用3.18 cm 漏缆进行论证[19]。

建筑物室内传播模式是受限的自由空间传播模式，信号总传输损耗的表达式为：

式中：d为传输路径的长度，单位为m；PL(d)为路径为d的总传输损耗值；d0为参考的近距离，单位为m；PL(d0)为近地参考距离自由空间衰减值，通常d0=1 m；β为路径损耗因子，取值范围为0～1.6 dB/m；FAF为隔墙损耗，取值范围为5～30 dB[20]；f为工作频率，单位为MHz。

2.3.2 常规漏缆的链路预算

3.5 GHz 频段的穿透损耗主要来自车体损耗，3.5 GHz穿透损耗为30 dB，因设备安装点间距为500 m，即单边漏缆覆盖距离固定为250 m，对隧道内的覆盖进行链路预算如表3。

表3 3.18cm 常规漏泄电缆3.5 GHz 频段链路预算

根据以上链路预算，高铁隧道使用3.18 cm 型常规漏缆，250 m 处高铁车厢内边缘的5G 场强为-114.42 dBm，而中国电信和中国联通要求边缘场强不小于-110 dBm。因此，常规3.18cm 漏泄电缆无法满足运营商覆盖要求。

2.3.3 渐变辐射型漏缆的链路预算

渐变辐射型漏缆在同一根漏缆上根据覆盖要求设计多种不同间距或不同大小的槽型，有效降低漏缆损耗，用于补偿末端场强不足，可以改善末端信号场强，从而增加5G 漏缆的有效覆盖距离。渐变辐射型漏缆链路预算如表4 所示。

根据以上链路预算，高铁隧道使用渐变辐射型3.18 cm 漏缆250 m 处高铁车厢内边缘的5G 场强为-107.92 dBm，高于中国电信和中国联通最小边缘场强要求（-110 dBm），结论显示渐变辐射型3.18 cm 漏缆满足运营商覆盖要求。

3 仿真与实验结果

3.1 两种漏缆的仿真对比

根据3.18 cm 常规漏缆和3.18 cm 渐变辐射型漏缆的两种覆盖方案，参考表3 和表4 链路预算，采用2×100 W 2T2R 5G RRU 作为信源，分别对一段长度为500 m 左右的盾构区隧道，进行车厢覆盖仿真，如图7 所示。

图7 两种漏缆的仿真图对比

表4 3.18 cm 渐变辐射型漏缆3.5 GHz 频段链路预算

同步信号参考信号接收功率（Synchronization Signal Reference Signal Received Power，SS-RSRP）仿真结果统计如图8、图9 所示。

图8 3.18cm 常规漏缆覆盖仿真结果

图9 3.18cm 渐变辐射型漏缆覆盖仿真结果

从图8、图9 可以看出，两种漏缆的覆盖效果具有明显差异，常规漏缆列车区域的SS-RSRP 有8%的区域在-110 dBm 以上，无法满足行业内95%以上区域场强达到-110 dBm 覆盖的需求，而渐变辐射型漏缆列车区域的SS-RSRP 仅有4.1%的区域在-110 dBm 以上，可以满足该覆盖需求。

由于渐变辐射型漏缆的场强存在突变现象，会对系统整体业务的稳定性有所影响，因此建议在传播损耗相对较低、单边漏缆相对短的地铁隧道、公路隧道采用常规漏缆覆盖，在传播损耗较大、单边漏缆长的高铁隧道等场景，采用渐变辐射型漏缆来减少系统损耗。在车厢内乘客走动时，部分区域的车体损耗会提升，常规漏缆的非达标覆盖区域比例会进一步增加，渐变辐射型漏缆的优势也愈发明显。

3.2 渐变辐射型漏缆实例论证

本文选取2021 年初开通运营的某高铁为例进行验证。该高铁一期全长226 km，路经地区多山，包括4 个隧道，总长度44 km，隧道无线信号首次采用3.18 cm 渐变辐射型漏缆覆盖，通车前采用5G RRU（3 500～3 600 MHz）作为信源，其中RRU 安装间距为500 m，信号经POI 合路后通过漏缆向左右两侧隧道覆盖，单侧漏缆的实际长度在250～270 m之间。对部分隧道车厢内进行5G 场强测试，测试采用鼎力路测软件，结果如图10、表5 和表6 所示。