5G高铁隧道覆盖方式分析

来源:用户上传      作者:

　　【摘  要】为了解决高铁隧道环境下5G不能有效沿用4G现有网络的问题，在分析现网高铁隧道覆盖现状和高铁隧道洞室的设置特点的基础上，通过链路预算计算了一定的边缘速率要求下泄漏电缆在3.5G频段的覆盖能力，并从两个方向论述了如何实现高铁隧道的全线覆盖，最后提出了不同的适用场景，即在5G建设初期，建议采用隧道双侧设置漏缆进行覆盖，后期随着5G网络建设的推进，以及2.1G频段的清理完毕，可逐步采用隧道单侧覆盖。
　　【关键词】5G;高铁隧道;链路预算;隧道洞室;泄漏电缆
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.017        中图分类号：TN929.53
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）03-0085-04
　　引用格式：张晓江，吴丽勇. 5G高铁隧道覆盖方式分析[J]. 移动通信， 2020，44（3）： 85-88.
　　Coverage Analysis on 5G High-speed Railway Tunnel
　　ZHANG Xiaojiang， WU Liyong
　　（Huaxin Consulting Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China）
　　[Abstract] In order to solve the problem that 5G can not effectively use the existing 4G network in the high-speed railway tunnel environment， this paper first analyzes the current status of high-speed rail tunnel coverage and the characteristics of high-speed rail tunnel caverns， then gives the coverage capability of the leaky cable in the 3.5G band under certain edge rate requirements through the link budget， and discusses how to realize full coverage of high-speed rail tunnels from two directions. Finally， under different application scenarios， it is recommended to set leaky cables on both sides of the tunnel for coverage in the early stage of 5G construction and one side coverage of the tunnel can be gradually used in the later stage with the promotion of 5G network construction and the completion of 2.1G frequency band cleaning.
　　[Key words]5G; high-speed railway tunnel; link budget; tunnel caverns; leaky cable
　　0   引言
　　2019年6月5日，工信部向中國电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照。由此，四大运营商5G建设正式开始。
　　高速铁路沿线的无线网络覆盖一直以来是各家运营商的必争之地，优质的覆盖既是技术实力的体现，也是运营商品牌的强有力展示，高铁沿线规划时其特有的属性，如350 km/h的移动速度、密闭的车厢、穿透损耗极高的金属车身等都是需要重点考虑的因素，而对于高铁隧道来说，为保证列车安全，无法采用常规的天线对打方案，通常只能采用泄漏电缆进行覆盖。
　　经过近几年的LTE大规模建设，国内大部分高铁都已实现LTE全覆盖，但随着5G建设的启动，需要重新对高铁沿线的站点进行评估，本文将对高铁隧道进行单独介绍。
　　1   高铁隧道覆盖现状
　　根据铁路行业标准TB10621-2014《高速铁路设计规范》8.4.4条规定[1]，隧道长度大于500 m时，应在洞内设置余长电缆腔。余长电缆腔应沿隧道两侧交错布置，每侧间距宜为500 m。余长电缆腔可与专用洞室结合设置。
　　结合京张高铁等铁路隧道实地考察，隧道内两侧交替设置综合洞室，每侧间隔500 m，与标准一致，下述关于隧道综合洞室的描述均基于此前提。隧道洞室分布示意图1所示：
　　图1    高铁洞室分布示意图
　　目前国内的高速隧道和其他普通隧道基本采用小型板状天线或者八木天线的方式进行覆盖，虽然设计简单、投资较小，但是并不适合高铁隧道的覆盖，主要原因一是对打天线由于入射角过小，无线信号无法有效穿透车体;二是列车快速通过会对天线的迎风面产生较大的推拉作用，容易导致天线松动，导致安全隐患。而泄漏电缆沿着隧道壁布放，信号辐射方向垂直于线缆，可有效解决入射角过小的问题，故现阶段3G/4G的高铁覆盖基本采用泄漏电缆覆盖。
　　现网2G/3G/4G在隧道内的覆盖如图2所示，不同运营商和不同制式的RRU通过POI设备进行接入，由于频段上的差异，3G/4G需要每洞室布置RRU设备，而2G则可以隔一个洞室布置。目前在网运行的泄漏电缆支持频段最高到达2.7 GHz，联通和电信分配的5G频段为3.3 GHz—3.6 GHz，无法接入现有的泄漏电缆，而移动分配的5G频段为2.6 GHz，可完美接入现有的泄漏电缆，故中国移动在隧道建设上的难度和投资均相比于其他几家运营商要小，本文将不再详细展开，接下来的章节将对3 GHz频段的高铁隧道覆盖进行相应的分析和研究。 　　图2    2G/3G/4G网络覆盖方案示意图
　　2   5G高铁隧道覆盖能力分析
　　2G/3G/4G网络在高铁隧道的泄漏电缆覆盖方式已得到了实践的验证，由于频段适用范围的限制，原有13/8"的泄漏电缆并不支持3.5 GHz频段，故3 GHz频段下5G网络需要新建一套支持新频段的5/4"泄漏电缆系统，但能否沿用现有的每洞室布置一套5G RRU设备的方式，仍需要进行相应的测算。本章节将采用链路预算对5G漏缆系统的覆盖能力进行测算。
　　2.1  链路预算影响因素
　　针对高铁隧道内采用泄漏电缆进行覆盖的场景，在进行链路预算分析时，需要考虑泄漏电缆的耦合损耗、百米损耗、高铁车厢特殊材质下的车厢屏蔽损耗以及高速移动下的快衰落余量等因素，具体如表1所示：
　　最大输出功率：UE的最大发射功率固定为26 dBm，而RRU输出功率则可以根据需要进行相应的选择，本文取48 dBm。
　　损耗：主要包括跳线和接头损耗、POI插入损耗、漏缆传输损耗、漏缆耦合损耗（2 m处）、宽度因子、车辆屏蔽损耗、人体损耗。漏缆传输损耗取决于传输距离和频段，接头损耗取决器件本身的质量和施工水平，漏缆耦合损耗取决于漏纜线径和频段，车厢屏蔽损耗则跟高铁列车的材质有关。
　　跳线及接头损耗：RRU设备至POI设备至漏缆间软跳线及接头损耗，和软跳线长度和接头工艺相关。
　　POI插入损耗：POI插损主要包含电桥和多频合路器损耗，多频合路器端口数越多，损耗越大，最大不超过6 dB。
　　漏缆传输损耗：与信号频率、漏缆尺寸、传输距离等参数相关。
　　漏缆耦合损耗（2 m处）：电缆中传输的能量在距离泄漏电缆2 m处所产生的损耗。传输损耗和耦合损耗是选择泄漏电缆的关键因素。
　　宽度因子：对于垂直距离漏缆超过2 m处的电平损耗补偿。
　　车厢屏蔽损耗：金属材质车身和车窗玻璃对信号的衰减，随着高铁列车的材质不断更新，车厢的屏蔽损耗也越来越高。
　　人体损耗：信号传播过程中受人体阻挡所产生的信号衰减。
　　余量：主要包括快衰落余量和干扰余量。
　　快衰落余量：为了对抗隧道壁反射产生的多径效应和高速行驶产生的多普勒频移引起的快衰落，需设置一定的快衰落余量。
　　干扰余量：对于同频的通信系统，随着周围邻小区负荷的不断增加干扰水平也会上升，干扰水平的上升会造成覆盖的收缩，在链路预算中，取定噪声增加量为干扰余量。
　　2.2  链路预算结果
　　根据本文覆盖场景，特设定以下参数取值，其中频段采取隧道内外一致的策略，RRU信号通过POI合路后由5/4"宽频泄漏电缆双路输出。具体参数设定如表2所示。
　　根据选定的上述参数，分别对3 500 MHz频段的隧道覆盖进行上下行链路预算，其中接收机灵敏度和干扰余量、POI插入损耗、漏缆百米损耗和漏缆耦合损耗（2 m）处与厂商设备性能存在较大关系，文中结合了几家主流厂家的参数进行取值，最终得出链路预算结果如表3所示：
　　注1：上表中列车的车厢屏蔽损耗取值基于复兴号列车的铝合金材质;注2：接头及跳线损耗与软跳线长度和接头工艺相关，文中近似按1 dB取值;注3：终端位置与漏缆距离超过2 m，需要对对耦合损耗值进行补偿，按6 dB取定;注4：快衰落余量综合考虑多普勒频移和多径效应，按6 dB取定
　　高铁隧道洞距为500 m，若采取和现网相同的覆盖方式，泄漏电缆单向覆盖半径应达到250 m以上，而根据上表可知该数值为168 m，无法满足5G信号有效覆盖。
　　3   5G高铁隧道覆盖方案分析
　　从链路预算可知，沿用现网的覆盖方式无法实现高铁隧道（下行50 Mbit·s-1、上行2 Mbit·s-1）的全线覆盖，如要实现全线覆盖，本文从以下两个方向进行分析：降低边缘速率要求，提高单向覆盖距离;利用高铁隧道洞室两侧交替设置的特点，双侧设置漏缆，实现覆盖互补。
　　（1）方案一：降低边缘速率要求，提高单边覆盖能力
　　如表4所示，从链路预算结果可知，当降低边缘速率要求后（下行10 Mbit·s-1，上行256 kbit·s-1），上下行覆盖达到了单边250 m，勉强能够实现高铁隧道的全线覆盖，但牺牲了覆盖质量，尤其是上行边缘速率仅达到了4G的要求。
　　（2）方案二：隧道双侧设置漏缆，实现覆盖互补
　　高铁隧道单边洞室间距为500 m，根据高铁隧道洞室双侧交替设置的特点，可在两侧同时布放泄漏电缆，此时对每段漏缆的覆盖距离降低为单边125 m，而从表3可知，满足边缘速率（下行50 Mbit·s-1、上行1 Mbit·s-1）条件下的漏缆单边覆盖距离为168 m，可有效满足覆盖要求。隧道双侧漏缆布放如图3所示：
　　（3）方案对比
　　方案一的分析基于不增加额外信源、漏缆的前提下，如何实现5G的基本覆盖，根据分析可知，为了实现5G信号的全覆盖，需要降低边缘速率为下行10 Mbit·s-1，上行256 kbit·s-1，适合于对于上行要求不高的隧道场景。
　　方案二的分析基于不降低覆盖质量的前提下，如何满足5G连续覆盖，根据分析可知，为了实现下行50 Mbit·s-1，上行1 Mbit·s-1的边缘速率，需要合理利用隧道两侧综合洞室的交替分布特性，通过隧道两侧优势互补，来实现高质量的覆盖，但此种解决方案对建设投资、工程难度、后期维护费用等都是一个很大的挑战。
　　4    结论
　　无论是方案一通过降低边缘速率要求提升覆盖距离，还是方案二双侧布放漏缆实现覆盖互补，均存在各自的优点和缺点，在选择方案时，可结合目标高铁的重要性，在考量投资和覆盖的基础上进行综合选择。在5G建设初期，运营商所选择的目标基本为覆盖价值高、品牌效应明显的高铁，建议采用方案二进行覆盖。
　　后期随着5G网络建设的推进，2.1 GHz频段也将清理完毕，并成为5G的建设可选频段之一，覆盖高铁隧道时，可考虑将2.1 GHz作为覆盖层，3.5 GHz作为容量层，便可与方案一的建设方式互补，彼时，方案一便可成为大部分高铁隧道的解决方案之一。
　　本文基于链路预算对高铁隧道的覆盖进行了分析和对比，并针对性提出了适用场景，但由于4家运营商频段各异、网络制式也各有不同，在实际建设过程中，还需要考虑不同制式、不同频段共缆时所产生的二阶互调和三阶互调干扰，通过合理规划有效降低干扰，从而达到高铁隧道的高质量覆盖。
　　参考文献：
　　[1]    国家铁路局. TB10621-2014高速铁路设计规范[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2014： 81.
　　作者简介
　　张晓江（orcid.org/0000-0003-1699-3302）： 高级工程师，毕业于北京邮电大学，现任职于华信咨询设计研究院有限公司，主要从事移动通信无线网络规划、设计工作。
　　吴丽勇：工程师，毕业于浙江树人大学，现任职于华信咨询设计研究院有限公司，主要从事移动通信无线网络规划、设计工作。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15153601.htm