高速铁路隧道场景下的5G通信覆盖方案分析

蒲玲玲 杨柳 刘恒 李帅

[摘  要]：随着5G的快速发展，人们不满足于仅能在特定的场合使用5G网络，还在交通出行的过程中对5G网络的质量也有所要求。高速铁路是现在人们最方便的出行方式之一，高铁隧道占高铁总路程的很大一部分比例，目前也属于5G覆盖困难的范围之一。文章对高速铁路隧道场景下的5G通信覆盖方案进行分析探讨，对高速铁路隧道情况进行简述，对使用泄漏电缆和特性天线等方式进行高速铁路隧道的5G覆盖方案进行简单分析，并对每种方案进行对比，使得可以在不同的情景下选择不同的5G覆盖方案。

[关键词]：5G; 高铁隧道; 泄漏电缆; 特性天线

TN926A

我国高铁建设迅速，并且已成为世界上拥有高铁里程最长的国家。截至2020年，中国高铁总里程达到3.5万km。高速铁路里程不断增加，使用高铁作为出行方式的旅客也越来越多，据统计，高铁累计服务的旅客人数已经超过70亿人次。随着5G技术的成熟，5G覆盖已成为近期重要的工作之一，高铁场景下5G覆盖也成为覆盖范围之一。由于高铁乘客特征和运营商价值客户高度重合，使得高铁成为运营商的网络品牌的重要展示窗口，高铁5G覆盖对于提升网络品牌也有重要的意义，是5G时代网络建设的重点场景[1]。

高铁场景中隧道场景下的5G覆盖是高铁场景5G覆盖的难题。我国高铁里程中有大量隧道，尤其是在我国中西部地区，隧道占比更大，甚至在某些地区，铁路隧道里程达到该铁路总里程的一半。在高速铁路隧道中，还有大量的长隧道，某些隧道全长超过14 km。高速铁路的隧道里程占比较高，且有大量长隧道，需要制定专门的覆盖方式，5G信号覆盖难度大，因此隧道场景下的移动网络覆盖成为高铁移动网络覆盖的重点和难点[2]。

高速铁路的列车行驶速度快，信号穿透列车损耗大，加上在隧道中，隧道狭隘，使得5G信号在高速铁路隧道场景下覆盖难度进一步增大。虽然与4G相比，5G的带宽更大，对提升速率和容量非常有利，但更高的频段对覆盖能力也提出了更高要求[3]。传统的2G/3G/4G网络的高铁隧道覆盖方案无法实现高铁隧道内的5G信号连续覆盖，需要在原有方案基础上进行分析和探讨。本文在业内已有研究成果的基础上，综合分析各种方案的优劣性，给出了在现有技术条件下适用的5G高铁隧道覆盖方案。

1 高铁隧道通信覆盖现状分析

1.1 2G/3G/4G网络高铁隧道覆盖方式

铁路隧道长于500 m时，其隧道两侧都有洞室，两侧洞室交叉设置，两同侧相邻洞室相隔500 m，两对侧相邻洞室水平相隔250 m。图1为高铁洞室分布。

当前国内铁路隧道有很多使用天线来进行信号覆盖。在高铁隧道场景下用天线进行信号覆盖设计简单灵活、投资小，但有入射角小、穿透车体困难、稳固性弱等缺点。从而不能正常的工作。而泄漏电缆沿着隧道壁布放，受到振动和风力影响较小，稳固性较天线更好;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2G/3G/4G的高铁覆盖基本采用泄漏电缆覆盖。图2为2G/3G/4G网络高铁隧道覆盖方案示意，其中POI存放在隧道洞室内，其可实现将不同的运营商和RRU接入。在进行3G/4G信号覆盖时需要在每洞室都设置RRU设备，而进行2G信号覆盖则可以隔一个洞室设置RRU设备[4]。

1.2 5G高铁隧道覆盖方案需要解决的重点

1.2.1 能否沿用现存的4G网络

各大运营商分配到的5G网络频段不同，联通和电信分配到的频段为3.3～3.6 GHz，移动分配到的频段为2.6 GHz。而目前在网运行的泄漏电缆支持的最高频段为2.7 GHz。所以只有移动可以在目前的泄漏电缆上接入5G网络，联通和电信则需要新建设备以实现5G接入。隧道覆盖中常用的泄漏电缆有13/8泄漏电缆及5/4泄漏电缆，其理论截止频率约为2.8 GHz和3.6 GHz。因此，3.5 GHz频段的5G信号无法在13/8泄漏电缆中传输。故如果原4G网络中采用13/8泄漏电缆，则处于3.5 GHz频段下的5G网络就需要5/4泄漏電缆来支持接入。

1.2.2 3.5 GHz频段路径损耗更高

泄漏电缆的传输频段越高，传输的损耗系数也越大。故部署在3.5 GHz的5G网络的传输损耗也较低频段更大。如果泄漏电缆太长，会出现信号损耗严重，从而导致5G网络不能连续覆盖。因此，3.5 GHz频段下隧道覆盖难度更大。

1.2.3 高铁隧道空间特性对通信方案的限制

由于高铁隧道单侧洞室分布间距为500 m，两侧水平间距也达到了250 m，对射频单元的覆盖范围要求较高，需要达到一定的覆盖范围才能在高铁隧道内使用。又因高铁隧道空间有限，列车速度较快，列车通过隧道时会产生风压和震动，会影响安置在隧道内的设备。所以不考虑将大型天线安装在该场景下。

综合上述各种限制考虑，可用于高铁隧道场景的5G信号覆盖方式有：泄漏电缆、特型天线、漏泄波导管和车载方式。下面将对这4种方案的特性进行对比分析。

2 5G高铁隧道覆盖方案对比

2.1 泄漏电缆

泄漏电缆是一种利用同轴电缆外导体上的开缝辐射或接收电磁波，从而与外部空间进行无线通信的传输媒介，主要应用于闭域空间的无线通信[3]。通过泄漏电缆来进行隧道信号覆盖是常见的覆盖方式。泄漏电缆可在隧道内单侧安装也可双侧安装，安装方式如图3所示，其中RRU安装在隧道洞室内，泄漏电缆沿隧道水平安装，并且高度与列车窗口高度相同。

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。张晓江等[4]在考虑到损耗的基础上进行链路预算分析，得出如表1所示的链路预算结果。可以得出，3.5 GHz频段，对于5/4泄漏电缆，覆盖半径为168 m，而若需要在隧道内用单侧覆盖的方式实现信号覆盖，该范围至少为250 m，故不能达到单侧覆盖要求。

2.2 特型天线

特性天线的安装设计灵活，施工简单且投资较低，但是稳固性也较低。所以安装时需考虑安装条件、安全性以及稳定性。

对于特型天线覆盖方案，关键性能指标为天线增益。隧道内信号覆盖采用的特型天线一般为对数周期天线和八木天线2种。

潘翔等[3]得出利用特型天线覆盖高铁隧道的上行链路预算如表2所示。其综合考虑信号在隧道场景下的传播模型、快衰落以及520～620 km/h的列车时速，可得出天线的覆盖距离约为450 m，对应的空间路径损耗为96 dB，为保障接收灵敏度需求，特型天线增益应大于等于16 dB。

天线覆盖方案关键性能指标为天线增益，故建议研发满足上述天线增益要求的新型八木天线对高铁隧道进行覆盖。

2.3 漏泄波导管

漏泄波导管传输的是超高频电磁波，传输损耗极小。在隧道中，它的覆盖方式与泄漏电缆相同。但它的传输单位损耗比泄露电缆更小，频带也更宽。漏泄波导管顶部按照传输无线信号波段的不同，开有间距、形状、大小不同的裂缝，通过裂缝向外辐射无线信号[5]，漏泄波导管基本结构如图4所示。

王洪伟等[6]在列车通信系统中，将漏泄波导管沿轨道平铺，并且每段漏泄波导管的长度为300 m，同时将列车底部安装平板天线，距近侧漏泄波导管33 cm，如图5所示漏泄波导的铺设和线路链接示意。该系统中，2个同侧相邻漏泄波导管和2个直接对侧漏泄波导管组成一个小区，长度为600 m，并且这4个漏泄波导管由一个耦合单元连接。平板天线负责接收漏泄波导管的信息。

潘翔等[3]得出漏泄波导管及5/4泄漏电缆在 3.5 GHz频段的性能对比，如表3所示，从表中可以看出，传输损耗要求一致时，5/4泄漏电缆的传输距离约为漏泄波导管传输距离的31%。因此，在支持更高频段（大于3.6 GHz）或对损耗要求很高的长隧道内部时需采用漏泄波导管。

但是漏泄波导管缺点有：

（1）漏泄波导管的成本比普通泄漏电缆高出10倍，成本投入大。

（2）目前的漏泄波导管非常敏感，受周边环境影响大且制作工艺复杂，制作该工艺的产业成熟度低。

（3）材料尺寸较大，安装条件受限。

因此，目前不建议大规模使用漏泄波导管进行5G高铁隧道覆盖，应在材料工艺成熟且成本下降后考虑。

2.4 车载方式覆盖

杨慧等[7]提出可以借鉴基于LTE的车载基站（HRC）来实现高铁隧道内5G覆盖，图6为车载基站组网示意。该HRC系统能为运行在350～500 km/h的列车提供稳定的30 Mbps以上的接入速率，同时，还能为各类车载业务提供完善的端到端QoS保证，可以升级HRC系统以接入5G网络[7]。该方案对于车辆运行速度关联性较高，目前华为尚未发布HRC的最新研究进展，不能确定该方案能够支持500 km/h以上的列车时速。

2.5 覆盖方案对比

由于泄漏波导管和车载方式覆盖目前存在不确定的技术因素，暂不建议使用，下面进一步详细对比泄漏电缆和特型天线2种覆盖方案的优劣性。

2.5.1 建设成本对比

采用特型天线设备成本可节约80%以上成本。泄漏电缆成本包括BBU+RRU+POI+缆线，考虑设备成本、施工成本和泄漏电缆数，成本约为60万元/公里[8]。特型天线的成本包括BBU+RRU+天线和设备加施工成本，总共预估不到10万元/km。

2.5.2 施工复杂度对比

特型天线不经建设难度低而且施工时间短，仅仅需要几个月的时间。如果采用泄漏电缆覆盖，则需要安装缆线和相关的设备，施工周期为1～2年，明显较特性天线安装繁琐且困难。

2.5.3 可支持的频段对比

特型天线支持的频段较漏缆支持的频段多。现场景下支持3G/4G的漏缆最高支持频段为2.7 GHz，而在2.7 GHz以上的頻段不能支持，所以大多不能就在现有漏缆的基础上继续建设5G。虽然新增5/4泄漏电缆可最大支持至3.6 GHz，但也不支持更高频段，灵活性较小。而天线支持的频段受限程度低，可兼容后续频段和系统。

2.5.4 适用的场景

泄漏电缆适用于长隧道及弯曲型隧道内部，如果前期已有泄漏电缆铺设且可以通过利旧方案使用，则更适合选择泄漏电缆方案;而特型天线适用于隧道口及直线型隧道内部，可以跟泄漏电缆方案配合使用。

2.5.5 单用户覆盖以及小区性能

泄漏电缆方案中，有90%的用户信号处于极好点，单用户覆盖性能较好;而特型天线方案中，单用户覆盖较传统方案差约25%，有30%的用户信号处于中差点。但是采用特型天线可以用来区分终端，可以实现小区MU-MIMO，从而提升小区性能。采用泄漏电缆覆盖，单用户SU-MIMO的性能较好，但是不能区分用户位置，MU-MIMO性能较差。

2.5.6 改进建议

对于泄漏电缆覆盖方案。建议在原有泄漏电缆上进行改进，将其整体损耗降低。对于特型天线覆盖方案。建议研发天线增益更高的新型八木天线。两者在进行研发的时候都应考虑控制成本。

表4为经综合分析后的2种覆盖方案的对比。

3 高铁隧道不同场景下的5G覆盖方案

综合上述覆盖方案的对比，在高铁隧道场景下的5G覆盖方案更适合采用泄漏电缆和特型天线覆盖方案，本节将探讨在高铁隧道的不同场景下，如何选择或综合应用2种方案实现5G通信的覆盖。

3.1 直线型短距离隧道或隧道口

当隧道较短时（长度小于500 m），且隧道无弯曲，可如图7所示方式进行安装[9]，将隧道两侧都安装上向内覆盖的特性天线，同时在隧道口同一个地方安装朝外覆盖的特性天线，并且将同一位置的2个天线设置为同一小区。

3.2 中长隧道或弯曲隧道

当隧道较长时（长度大于500 m），由于隧道的空间狭小，隧道内无法架设特型天线，而泄漏电缆在隧道内布放简单，施工难度较小，宜采用泄漏电缆在隧道内部进行建设。

对长隧道而言，由于隧道较长，单采用某一种方式进行5G信号覆盖可能不能达到满意的结果。可采用将RRU、泄漏电缆和特型天线结合的方式来进行隧道内信号覆盖[9]，并可根据需要采用单缆或者双缆的部署方式[4]，单缆部署方式仅在隧道的单侧安装泄漏电缆，双缆部署方式则需要在隧道两侧都安装泄漏电缆。当边对缘速率要求较低时，可以降低边缘速率，以提高单边覆盖能力，此时单缆部署方式可以满足覆盖要求;当需要边缘速率较高时，使用双缆部署方式以达到覆盖要求[4]。2种部署方式如图8所示。在进行设备安装时，将RRU安装洞室内，泄漏电缆安装在列车车窗上方一点距离的隧道墙壁上。并且在隧道口布设朝隧道外覆盖的特性天线，增大隧道信号覆盖重叠区域，以保证隧道内与隧道外的网络顺利进行切换。

（1）对于新建场景：优先4G/5G RRU + POI + 泄漏电缆组网，由于5G采用更高频段进行覆盖，穿透损耗和泄漏电缆传播损耗增加，由前面分析得知，3.5 GHz频段下，对于5/4泄漏电缆，单侧有效覆盖距离为168 m，因此采用单缆部署无法满足网络连续覆盖。为了增加容量和用户感知，建议在新建场景中采用双路电缆部署实现网络连续覆盖，当进行双缆部署时，有效覆盖距離为168×2=336 m，可以满足5G网络连续覆盖。

（2）对于存量场景：建议直接更换RRU模块与POI设备，以减小隧道施工难度和节约资源。该方法简单与现网合路，在旧的漏缆基础上改造，降低成本并且部署速度快。

3.3 连续隧道

对连续的且距离较近的两隧道之间覆盖，可在2个隧道之间布放特型天线[9]，保证隧道之间路程的连续信号覆盖，布设方式如图9所示。

4 结论

由于5G采用了更高的频段、高铁的更高运行速度以及狭小的设备安装空间，在高铁隧道中实现5G覆盖难度很大。

（1） 在目前已知的覆盖方案中，泄漏电缆和特型天线覆盖方案相对更加稳定，但也应根据5G需求做进一步优化。

（2） 高铁隧道不同场景下的5G覆盖方案有所不同。

①直线型短距离隧道或隧道口宜采用特型天线覆盖，且应研发增益更高的特型天线。②中长隧道或弯曲隧道宜采用泄漏电缆+特型天线，且应研发新型泄漏电缆，降低泄漏电缆整体损耗，在新建场景下应采用双缆部署的方式实现5G网络连续覆盖，存量场景下需更换RRU与POI。③连续隧道的覆盖，可在隧道与隧道之间布放特型天线。

（3） 此外，还应进一步推进漏泄波导管的材料研制，以期未来可采用漏泄波导管等新型材料代替传统泄漏电缆，降低传输损耗，实现长大隧道的5G覆盖需求。

参考文献

[1] 林铁力.5G时代高铁覆盖解决方案研究[J].邮电设计技术，2020（10）：57-62.

[2] 彭威城.多运营商高铁隧道移动网络覆盖方案[J].电信工程技术与标准化，2019，32（10）：29-33.

[3] 潘翔，张涛，李福昌.高铁隧道场景的5G覆盖方案研究[J].邮电设计技术，2019（8）：26-29 .

[4] 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+96.

[5] 戴克平.LTE-M车-地无线通信系统抗干扰研究[J]. 铁道通信信号，2017，53（2）：47-50.

[6] 王洪伟，蒋海林. 漏泄波导在城市轨道交通CBTC车地通信系统中的应用研究[J]. 铁道学报，2013，35（2）：44-50.

[7] 杨慧.高铁5G公网的解决方案的探索[J].中国新通信，2019，21（10）：143-144.

[8] 周娇，陈卓，李新，等.5G新型地铁组网方案研究[C]// TD产业联盟、中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社.5G网络创新研讨会（2020）论文集.TD产业联盟、中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社：中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社，2020：4.

[9] 赵俊涛，康科武，张丹. 高铁5G无线网络建设覆盖方案分析[C]//TD产业联盟、中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社.5G网络创新研讨会（2020）论文集.TD产业联盟、中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社：中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社，2020：3.