高铁5G覆盖

zjb1200

2019/08/DTPT
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收稿日期：2019-06-10
0 引言
截至2018年底，中国铁路营业里程达到13.1万km，
其中高铁营业里程超过2.9万km［1］。随着高铁路网密
度快速增长，旅客发送量不断增加，高铁通信逐步成
为各通信运营商提升品牌效益和客户黏合度的竞争
领域。
现有高铁里程中包括大量长隧道，如壁板坡隧
道，全长超过14 km。与普通铁路隧道相比，高铁隧道
的无线覆盖设计和建设实施更加困难。高铁隧道覆
盖的特点是列车速度快、车体穿透损耗大、设备安装
空间狭小等，这对移动通信网络提出了更高的要求。
如何在狭长的高铁隧道内提供高质量的无线覆盖，是
各大运营商面临的挑战。
与4G相比，5G有更大的带宽，有利于提升速率和
容量，但更高的频段对覆盖能力提出了更高要求。在
高铁隧道场景中，传统2G/3G/4G网络通常采用BBU+
RRU+泄漏同轴电缆（简称漏缆）的覆盖方式［2］。漏缆
的传输损耗系数与频率成正比［3］，即频率越高，单位长
度的传输损耗越大。对于采用独立组网（SA——
Standing Alone）架构、部署在3.5 GHz频段的5G网络，
若目标长度漏缆的损耗过大，则无法实现高铁隧道的
5G信号连续覆盖。
1 隧道覆盖方案
在高铁长隧道中，一般每500 m有一个安装设备
高铁隧道场景的5G 覆盖方案研究
Research on 5G Coverage Scheme of High-speed Railway Tunnel Scenario
关键词：
传输损耗；隧道覆盖；八木天线；链路预算
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2019.08.006
中图分类号：TN929.5
文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2019）08-0026-04
摘要：
高铁隧道是5G 重点覆盖场景之一，对通信运营商增强品牌效益及提高客户黏
合度非常重要。针对5G 高频特性，分析了常见隧道覆盖方案的可行性，包括漏
缆覆盖、漏泄波导管覆盖及特型天线覆盖。基于隧道场景的5G 系统链路预算，
总结了5G 系统对各个方案的性能要求，为5G 高铁隧道天馈产品进一步研发提
供参考。
Abstract：
High-speed railway tunnel coverage is a main scene of 5G network，which is critical for operator to enhance the brand value
and improve customer adhesion. According to the high frequency characteristics of 5G，the feasibility of common tunnel coverage
schemes is analyzed，including leaky coaxial cable，leakage waveguide and special antenna. Based on the link budget of
5G system in tunnel scenario，the performance requirements of each scheme of 5G system are summarized，which provides
reference for further research and development of antenna feeder products in the high-speed railway tunnel scenario.
Keywords：
Transmission loss；Tunnel coverage；Yagi antenna；Link budget
潘翔，张涛，李福昌（中国联通网络技术研究院，北京100048）
Pan Xiang，Zhang Tao，Li Fuchang（China Unicom Network Technology Research Institute，Beijing 100048，China）
潘翔，张涛，李福昌
高铁隧道场景的5G 覆盖方案研究
本期专题
Monthly Topic
引用格式：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.
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邮电设计技术/2019/08
的避车洞室。数字化室分单个远端射频单元覆盖半
径不超过100 m［4］，受安装条件限制，不适用于高铁隧
道布设。又因高铁隧道空间狭小，考虑安全因素，也
不具备安装大型天线的条件。基于上述限制因素，可
用于隧道场景的常见覆盖方式包括：漏缆、漏泄波导
管及特型天线。
1.1 漏缆覆盖
漏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。图1为利用
漏缆覆盖隧道的示意图，RRU安装在避车洞室内，漏
缆安装高度与高铁列车窗口对齐，基站信号通过漏缆
辐射，穿透车窗、车体到达车厢内用户。
漏缆处在单模辐射状态，其他高阶模处于非辐射
图1 利用漏缆覆盖隧道
表1 5/4漏缆的传输损耗及耦合损耗参数表
表2 漏泄波导管及5/4漏缆在3.5 GHz频段的性能对比
类型
5/4漏缆
漏泄波导管
传输损耗（/ dB/100 m）
11.2
3.5
耦合损耗/dB
66
65
频率/MHz
900
1 800
2 100
2 600
3 500
3 600
传输损耗（/ dB/100 m）
3.0
4.7
5.4
6.8
11.2
13.0
耦合损耗/dB
76
70
68
67
66
67
耦合损耗在距漏缆水平2 m处测得，95%覆盖概率
漏缆功分器
RRU
漏缆
状态时的频率范围称为漏缆的使用频带，避免高阶模
产生的最大频率称为截止频率［5］，计算公式如下。
fc = 2c
π εr (d + D)
（1）
式中：
c——光速
εr——绝缘层相对介电常数
d——内导体的等效直径
D——外导体的等效直径
隧道覆盖常用的漏缆型号包括13/8漏缆及5/4漏
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漏缆中传输。
传统5/4漏缆传输损耗及耦合损耗如表1所示，其
在3.5 GHz高频段的百米传输损耗很大，是1.8 GHz的
2倍以上。若目标覆盖长度为250 m，则相同输入信号
强度的3.5 GHz信号及1.8 GHz信号在最远点距漏缆
水平2 m 处的接收信号强度相差约（11.2×2.5+66）-
（4.7×2.5+70）=12.25 dB。
1.2 漏泄波导管覆盖
与漏缆类似，漏泄波导管也是一种电磁波传输媒
介，其本质上是一种连续的加长型天线，可用于地铁
隧道覆盖［6］。通过波导管开具的槽孔，波导管内传输
的电磁波可以辐射到外部空间，与此同时，外部空间
的电磁波也可以耦合到波导管内。
利用漏泄波导管覆盖隧道与漏缆布设方式相同，
但与漏缆相比，漏泄波导管传输频带更宽，传输损耗
更小。漏泄波导管及5/4漏缆在3.5 GHz频段的性能
对比如表2所示。从两者百米传输损耗对比可知，传
输损耗要求一致时，5/4漏缆的传输距离约为漏泄波导
管传输距离的31%。
若在隧道中部署4T4R的5G网络，需并排布设4
根漏缆或漏泄波导管。漏泄波导管单价比漏缆高很
多，若大规模使用，需投入大量建设成本。此外，漏泄
波导管工艺复杂、受外界环境影响大等不足使其设备
性能变得异常敏感［6］。因此，需推动漏泄波导管在成
本及稳定性方面进行改进。在此之前，不建议大规模
使用漏泄波导管进行5G高铁隧道覆盖。
1.3 特型天线覆盖
利用特型天线覆盖隧道的常见形式是采用特型
天线在隧道口或隧道内进行覆盖，如对数周期天线或
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表3 隧道覆盖方案对比
表4 漏缆覆盖上行链路预算
链路预算关键项
无线信号频率/MHz
上行边缘目标速率（/ Mbit/s）
分配PRB数量
终端发射功率/dBm
每子载波功率/dBm
发射天线增益/dB
车体穿透损耗/dB
2 m处耦合损耗/dB
4 m处额外空间传播损耗/dB
百米传输损耗/dB
目标覆盖距离/m
合路器及连接电缆损耗/dB
干扰余量/dB
SINR门限/dB
噪声系数/dB
RE热噪声/dBm
接收机灵敏度/dBm
数值
3 500~3 600
1
47
26 for 2Tx
-1.51
3
34
Lc
6
LT
250
22
-3
3
-129.23
-129.23
覆盖方案
施工复杂度
风险程度
适用场景
改进建议
漏缆覆盖
中
低
适用于长隧道及
弯曲型隧道内部
降低传输损耗
漏泄波导管覆盖
高
低
适用于对损耗要求
很高的长隧道内部
降低成本并提高稳
定性
特型天线覆盖
低
中
适用于隧道口及直
线型隧道内部
提高天线增益
八木天线。
不同长度的隧道所采用的覆盖方式也不同。
a）对于直线型短距离隧道，可在两端的隧道口安
装特型天线朝隧道内部覆盖，同时，为保证终端可以
在隧道内外平滑切换，也可在隧道口安装另一面天
线，朝隧道外部延伸覆盖，此时隧道口两侧应设置为
同一小区。
b）对于长距离隧道，在隧道口和隧道内均应安装
特型天线，大部分长距离的隧道两侧分属不同小区［7］，
所以长距离隧道可考虑用2个小区进行覆盖，将切换
区设置在隧道内。
特型天线覆盖方式设计灵活，与漏缆覆盖相比，
施工更简单，投资更低。但这种覆盖方式对天线的尺
寸、外型及增益要求较高，需重点考虑安装条件、安全
性以及稳定性要求，以满足高铁进入隧道时的风压要
求。
1.4 方案对比
3种隧道覆盖方案的对比分析如表3所示。
2 性能指标要求
如1.2节所述，漏泄波导管规模使用的限制因素
为价格及稳定性，故本章仅分析漏缆及特型天线性能
指标要求。
2.1 漏缆覆盖方案
对于漏缆覆盖方案，关键性能指标为整体损耗，
包括传输损耗及耦合损耗。
2.1.1 链路预算分析
漏缆在隧道内的传播只与横向传播模型有关［3］，
与隧道的弯曲程度无关。假设RRU为2端口，各端口
用功分器连接2段漏缆分别朝向两侧。考虑多家运营
商共建共享，引入2 dB合路器及连接电缆损耗。假设
漏缆安装在距地7 m高的地方，高铁车厢内的接收点
距漏缆的水平距离约为4 m，相比2 m 处引入了额外
6 dB空间传播损耗。通信系统一般为上行受限，利用
漏缆覆盖高铁隧道的上行链路预算如表4所示［8］。
若使用现有5/4漏缆覆盖，3.6 GHz频段百米传输
损耗LT为13 dB，耦合损耗Lc为67 dB，则基站接收到的
每RE 信号强度为- 1.51 + 3-34-2.5 × 13 - 67-6 -2=
-140.01 dBm，无法满足接收机灵敏度要求。
在满足接收机灵敏度要求前提下，允许最大纵向
传输损耗为-1.51+3-34-67-6-2-（-129.23）=21.72 dB，
对于5/4 漏缆，单侧有效覆盖距离为21.72/13×100=
167 m，两侧有效覆盖距离为167×2=334 m。
2.1.2 损耗要求
由链路预算分析可知，现有漏缆无法实现高铁隧
道内3.5~3.6 GHz 频段5G 信号500 m 以上的连续覆
盖。若使用漏缆进行高铁隧道5G覆盖，在不大幅提升
成本的前提下，需研发新型漏缆，降低漏缆整体损耗
（传输损耗+耦合损耗）。满足500 m有效覆盖距离的
漏缆传输损耗LT和耦合损耗Lc要求为：
2.5×LT+Lc≤88.72 dB （2）
2.2 特型天线覆盖方案
对于特型天线覆盖方案，关键性能指标为天线增
益。
2.2.1 隧道传播模型
适用于隧道场景的传播模型为：
PL=20lg f+Nlgd-28 （3）
式中：
潘翔，张涛，李福昌
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邮电设计技术/2019/08
PL——路径损耗（dB）
f——信号频率（MHz）
d——为收发间距（m）
N——路径损耗系数，与频率和覆盖场景强相关，
对于1.8 GHz频段，典型值为20，对于3.5 GHz频段暂
无经验值，故暂定20，后续基于测试情况再做拟合修
正［9］
2.2.2 链路预算分析
高铁在隧道内行进时，为保证用户能够顺利切
换，隧道内无线信号需有一定的重叠覆盖区域。在重
叠覆盖区域运动时，服务小区信号随着高铁行进渐渐
变弱，接收到的另一个小区信号则渐渐变强，当满足
一定条件后进行切换。
为提高切换成功率，在切换时延基础上需留有一
定的切换余量，单向切换距离=切换时延（考虑余量
后）×车行速度。考虑余量后的5G切换时延约为1.2 s，
若高铁在隧道内运行速度为300 km/h，则单向切换距
离为100 m，目标覆盖距离为250+100=350 m。
信号在高铁隧道内传播要经过多次反射和折射
才能到达接收机，这使得多径干扰增加，信号在接收
机处呈现出快衰落的特性，需考虑快衰落余量。对于
单孔双轨隧道，快衰落余量建议值为8.3 dB。
利用特型天线覆盖高铁隧道的上行链路预算如
表5所示［8］。
将350 m传播距离代入传播模型，得出该距离对
应空间路径损耗为94 dB。为保障接收灵敏度需求，
-1.51+3-34-94-2-8.3-6.4+Ga≥-129.23，即天线增益Ga
≥14 dBi。
特型天线一般采用对数周期天线或八木天线，前
者增益低、频带较宽，对各种频率的兼容性好，后者则
增益高、频带较窄。由于天线覆盖方案受限于天线增
益，因此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。
3 总结
综上所述，在高铁隧道中实现5G覆盖难度很大。
对于较短隧道，若整体损耗能满足接收机灵敏度要
求，可使用5/4漏缆进行覆盖；对于较长隧道，若现有5/
4漏缆无法满足3.5 GHz信号引入需求，则考虑新增或
替换为新型漏缆或漏泄波导管；对于直线型隧道或隧
道口，建议使用特型天线覆盖。其中，各方案使用的
相关天馈产品研发可参考本文提出的性能指标要求。
参考文献：
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［2019-03-14］. http：//xxgk.mot.gov.cn/jigou/zhghs/201904/t201904
12_3186720.html.
［2］ 李俊. 高速铁路长隧道覆盖方案［J］. 移动通信，2008（5）：68-73.
［3］ 任晓勇. 泄漏同轴电缆耦合损耗计算方法的研究［D］. 哈尔滨：哈
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［6］ 张超. 地铁CBTC 漏泄波导管布置与配管算法［J］. 铁道技术监
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archive/38_series/38.901/.
表5 特型天线覆盖上行链路预算
链路预算关键项
无线信号频率/MHz
上行边缘目标速率（/ Mbit/s）
分配PRB数量
终端发射功率/dBm
每子载波功率/dBm
发射天线增益/dB
车体穿透损耗/dB
目标覆盖距离/m
目标覆盖距离路径损耗/dB
合路器及连接电缆损耗/dB
列车填充快衰落余量/dB
正态衰弱余量/dB
干扰余量/dB
SINR门限/dB
噪声系数/dB
RE 热噪声/dBm
接收机灵敏度/dBm
接收天线增益/dBi
数值
3 500~3 600
1
47
26 for 2Tx
-1.51
3
34
350
94
2
8.3
6.4
2
-3
3
-129.23
-129.23
Ga
编辑概况：
潘翔，工程师，硕士，主要从事移动通信新技术测试验证、组网方案研究工作；张涛，高级
工程师，硕士，主要从事移动通信无线新技术、组网方案应用和标准化研究工作；李福
昌，教授级高级工程师，博士，主要从事移动通信及固网移动融合等专业的标准制定、测
试验证、课题研究等工作。
潘翔，张涛，李福昌
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