高铁隧道场景覆盖方案探讨

阎成刚

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，山东 济南 250101）

0 引言

高铁的覆盖成为各运营商提升品牌实力增加客户满意度的必争之地。高铁的运行场景中有很多隧道，跟普通列车通过的隧道相比，高速列车通过的隧道规划设计和建设难度更大，高速列车速度运行速度普遍在300 km/h以上，小区间切换速度快、时间短，高速列车车体的穿透损耗大，而对于不同频段的无线信号来说，频率越高穿透损耗就越大，如何在狭长的隧道内为客户提供优质的2/3/4/5G网络，对各家运营商来说都是一个挑战[1-2]。目前对于高铁隧道的覆盖，通常采用信源+泄漏电缆的覆盖方式，由于涉及多家运营商，还会引入多系统合路平台（POI）。

1 高铁隧道无线信号覆盖面临的挑战

1.1 多径效应

隧道内无线信号的传播不同于自由空间的传播方式，由于隧道洞壁的影响，无线信号会呈现出直射波、散射波、反射波等多径传播效应，隧道洞壁同时对信号有吸收衰减作用，且随着无线频率的提高，传播损耗会越大。

1.2 多普勒效应

高速列车和基站之间由于相对速度过快会产生多普勒效应，基站发射的无线信号频率和终端接收到的信号频率会不一样，也就是会发生频率偏移，导致基站和终端的解调性能降低，影响小区的重选、选择和切换。

对于多普勒效应引发的频率偏移，目前各移动通信系统都引入一系列频率补偿算法用于克服多普勒频偏，因此在高铁的隧道场景下，多普勒效应对通信系统的影响可以忽略不计。

1.3 切换

由于列车的高速运行，终端会频繁的从一个服务小区切换到另外一个服务小区，切换过于频繁一方面会增加系统的信令开销，另一方面增加了掉话的概率，降低了用户感知，因此在高铁场景的组网方案中，单小区覆盖距离要尽可能长，避免频繁切换，另外在切换区域要预留足够的切换时间，避免终端从一个小区向目标小区切换的过程中，目标小区还没有完成切换动作就与原小区断开了[3]。

对于单小区的覆盖距离，目前主流设备厂家均支持12台RRU设备级联为一个逻辑小区，按照高铁单个物理站只开通2个扇区来计算，理论上一台BBU能够支持6个物理站，按照物理站之间500 m的站间距来计算，单个逻辑小区所以覆盖的距离约为3 km。

为保证各系统均有足够的切换时间，需要在相邻的逻辑小区间预留足够的切换带，在多系统共存的场景下，仅需按照切换时间最长的系统考虑切换带即可。

1.4 车体损耗

由于高速列车均采用了封闭式厢体设计，车体的穿透损耗要远大于普通列车。各种型号的车厢在不同速率下的车体穿透损耗如表1所示：

表1 车体穿透损耗对照表

2 高铁隧道内覆盖解决方案

2.1 泄漏电缆+POI

POI也就是多系统合路平台（point of interface），主要应用于需要多种网络制式接入的覆盖场景，如交通枢纽、大型场馆等。通过合路共用分布系统能够有效节省投资，同时有效隔离系统间干扰。作为连接信源与分布系统的桥梁，POI能够在下行将各系统信号合路，同时在上行对各系统信号进行分路。

泄漏电缆最初是为了解决地下隧道这一类场景的无线覆盖而发明出来的，它实际上是一种外导体上设有许多周期性槽孔的同轴电缆，当射频段信号通过泄漏电缆时，会通过槽孔向外辐射，普通的同轴电缆是将射频能量最大限度地从电缆的一端传导到另外一端，而泄漏电缆反其道而行，特意减小射频信号在电缆传输过程中的横向屏蔽，从而使能量部分地从电缆内泄漏到电缆外。用漏缆覆盖隧道时，信源RRU安装于洞室内，漏缆的沿洞壁水平布放，高度尽可能与高速列车的车窗持平，这样无线信号可通过漏缆辐射，穿过车窗，直达车厢内的用户[4-5]。

当漏缆处于单模辐射状态，而其他高阶模处于非辐射状态时的频率区间叫作漏缆的工作频带，抑制其他高阶信号产生的最大频率叫作漏缆的截止频率，公式如下所示：

式中，c为光速；εr为绝缘层相对介电常数；d为内导体的等效直径；D为外导体等效直径。

目前高铁隧道覆盖多采用13/8漏缆，可有效支持各运营商的频段。

2.2 链路预算分析

在隧道中泄漏电缆沿洞壁布放，实际距车厢的水平距离在6-7 m左右，而漏缆的传输损耗均在距漏缆水平2 m处测得，故在2 m距离外会产生6 dB左右的自由空间传播损耗。在隧道中主要是上行覆盖受限，故仅需要考虑上行链路预算，下面以5G 2.6 GHz频段为例，计算在上行边缘速率为1 Mb/s情况下的链路预算情况，所需各项参数如表2所示，考虑到在隧道内会有两列高速列车相向行驶的情况，车体损耗作了相应增加。

表2 上行链路预算参数表

（1）POI插入损耗：POI插损主要包括多频合路器和电桥的损耗，损耗会随着合路器端口数的增多而增大，最大不超过6 dB，本次链路预算中按5 dB计取。

（2）泄漏电缆传输损耗：与系统制式、电缆的规格型号以及传输距离有关。

（3）泄漏电缆2 m处耦合损耗：漏缆在2 m处所产生的损耗。

（4）额外空间传播损耗（4 m）：信号自漏缆辐射至车体之间的自由空间的传播损耗。

（5）车体损耗：车身和车窗对信号的损耗，不同型号的车厢对信号的衰减程度不同。

（6）余量：主要为干扰余量和快衰落余量。

在满足接收机灵敏度的前提下，允许的最大路径 损 耗-4.51+2-34-5-65-2-6-6-（-124）=15.49 dB。在使用13/8漏缆的情况下，允许的最大传输距离为15.49÷6.19×100=250 m。

由上行链路预算结果可知，在隧道内单向覆盖的最远距离为250 m，考虑到逻辑小区间切换的需要，建议隧道内RRU信源的放置间距也为250 m。

3 结束语

综上所述，泄漏电缆+POI的方式可有效解决高铁隧道场景的覆盖问题，很好地结合了隧道场景的特点和无线信号覆盖的需求，在实际实施时，还应根据具体馈入的系统频段选择合适的泄漏电缆。