張 濤，劉瑩瑩，張 磊，馬亞南（.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國(guó)聯(lián)通重慶分公司，重慶 400；.河北電信設(shè)計(jì)咨詢有限公司，河北石家莊 050000）

1 概述

近年來(lái)，國(guó)家加大對(duì)鐵路投資力度，我國(guó)鐵路路網(wǎng)規(guī)模和質(zhì)量大幅提升，截至2022 年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15.5 萬(wàn)km，其中高鐵4.2 萬(wàn)km，鐵路網(wǎng)覆蓋全國(guó)99%的20 萬(wàn)人口以上城市。西部的高鐵線路途經(jīng)山地、丘陵，沿線地形地勢(shì)復(fù)雜、隧道眾多，如鄭渝高鐵（萬(wàn)州至巫山段）全長(zhǎng)190 km，隧道長(zhǎng)度175 km，隧道占比達(dá)92%。此類高鐵隧道覆蓋具有投資大、列車速度快、車體穿透損耗大、隧道內(nèi)無(wú)線信號(hào)干擾大等特點(diǎn)［1］，如何在狹長(zhǎng)的高鐵隧道內(nèi)低成本地提供高質(zhì)量的無(wú)線服務(wù)，是各大運(yùn)營(yíng)商面臨的挑戰(zhàn)［2］。

針對(duì)上述高鐵隧道覆蓋的特點(diǎn)，基于共建共享模式，研究高鐵隧道5G/4G 頻率規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、基站設(shè)備選型及泄漏電纜的使用等策略，將研究成果應(yīng)用于西部某高鐵隧道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為運(yùn)營(yíng)商提供質(zhì)量高、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的4G/5G網(wǎng)絡(luò)。

2 共建共享模式

高鐵隧道共建共享一般涉及2 個(gè)方面：中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通（下文簡(jiǎn)稱電聯(lián)）基站設(shè)備共建共享，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通泄漏電纜、電力、光纜資源的共建共享，具體情況如圖1所示。

2.1 基站主設(shè)備共建共享

考慮高鐵隧道網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)、優(yōu)化的便捷性和一致性，同時(shí)綜合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本，電聯(lián)雙方根據(jù)協(xié)商確定的承建區(qū)域分工，采用接入網(wǎng)共享，頻率資源共享，核心網(wǎng)自建的模式建設(shè)5G/4G 網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先采用5G/4G同廠家設(shè)備，確保共建共享區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)及服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，以便有效降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本，快速形成服務(wù)能力。

2.2 泄漏電纜、電力、光纜資源共建共享

泄漏電纜、電力、光纜是高鐵隧道網(wǎng)絡(luò)覆蓋重要的配套資源，受隧道內(nèi)空間狹小、建維成本高、施工協(xié)調(diào)難度大等因素限制，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通采用共建共享模式進(jìn)行相關(guān)配套建設(shè)是最為經(jīng)濟(jì)可行的辦法。

3家運(yùn)營(yíng)商多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備（一般不超過(guò)6個(gè)），以隧道洞室為開斷點(diǎn)（一般500 m 間隔），通過(guò)POI 或合路器饋入泄漏電纜，多系統(tǒng)信號(hào)通過(guò)泄漏電纜發(fā)射出去，完成高鐵隧道內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

高鐵隧道內(nèi)設(shè)備的電力由鐵路公司供給，電力由鐵路箱變引至設(shè)備開斷點(diǎn)位置，運(yùn)營(yíng)商根據(jù)自身設(shè)備數(shù)量和功率，協(xié)商共享電力資源，按開斷點(diǎn)配置3 臺(tái)RRU設(shè)備，配置3 kW的電力資源即可滿足設(shè)備需求。

高鐵隧道內(nèi)光纜應(yīng)具有路由短捷、故障率小等優(yōu)點(diǎn)［3］，可采用統(tǒng)一建設(shè)，協(xié)商分配纖芯資源的方式共建共享。若每家運(yùn)營(yíng)商配置2 個(gè)系統(tǒng)，考慮后期技術(shù)演進(jìn)等因素預(yù)留，一般隧道內(nèi)鋪設(shè)1 條288 芯的貫通光纜基本可滿足3家運(yùn)營(yíng)商設(shè)備級(jí)聯(lián)和傳輸需求。

3 頻率規(guī)劃策略

頻率規(guī)劃時(shí)既要考慮當(dāng)下4G 網(wǎng)絡(luò)用戶的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，還要考慮5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，做到4G/5G頻率靈活調(diào)配，并兼顧與友商網(wǎng)絡(luò)速率的競(jìng)對(duì)。

中國(guó)移動(dòng)一般考慮在高鐵隧道內(nèi)部署1.8 GHz（下行1 805～1 830 MHz，上行1 710～1 735 MHz）和2.6 GHz（2 515～2 675 MHz）頻段，其中1.8 GHz 的20 MHz帶寬用于4G 網(wǎng)絡(luò)，2.6 GHz 的60 MHz 帶寬用于4G 網(wǎng)絡(luò)，剩余100 MHz帶寬用于5G 網(wǎng)絡(luò)，后期視5G 用戶發(fā)展情況，調(diào)整4G/5G網(wǎng)絡(luò)使用帶寬。

圖2所示為不同系統(tǒng)下用戶下載速率體驗(yàn)仿真對(duì)比，若后期中國(guó)移動(dòng)5G 開通160 MHz，用戶體驗(yàn)速率提升至410 Mbit/s。建議電聯(lián)在高鐵隧道內(nèi)部署1.8 GHz（下行1 830～1 880 MHz，上行1 735～1 785 MHz）和2.1 GHz（下 行2 110～2 155 MHz，上 行1 920～1 965 MHz）頻段，并考慮預(yù)留3.5 GHz（3 400～3 600 MHz）的資源。1.8 GHz 的40 MHz 帶寬可用于4G 網(wǎng)絡(luò)共建共享，2.1 GHz 的50 MHz 帶寬用于前期與5G 網(wǎng)絡(luò)共建共享。后續(xù)視5G 用戶發(fā)展、友商網(wǎng)絡(luò)速率競(jìng)對(duì)，及3.5 GHz 上車實(shí)驗(yàn)等情況，適時(shí)擴(kuò)展5G 網(wǎng)絡(luò)帶寬，滿足友商競(jìng)對(duì)的需求。電聯(lián)高鐵頻率規(guī)劃總結(jié)如表1所示。

表1 運(yùn)營(yíng)商高鐵隧道頻率使用情況

圖2 不同系統(tǒng)下5G下行單用戶平均速率仿真對(duì)比

4 網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略

本章從鏈路預(yù)算、覆蓋方式、組網(wǎng)方式等幾個(gè)方面論述高鐵隧道網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

4.1 鏈路預(yù)算

泄漏電纜在隧道內(nèi)的傳播只和橫向傳播模型有關(guān)，與隧道的彎曲程度無(wú)關(guān)。以LTE 1.8 GHz+NR 2.1 GHz 頻段為例，隧道內(nèi)鋪設(shè)5/4"漏纜，以RRU 單通道發(fā)射功率40 W、鐵路隧道內(nèi)洞室標(biāo)準(zhǔn)間隔距離500 m［4］為例進(jìn)行無(wú)線鏈路預(yù)算，可以看到邊緣場(chǎng)景基本能滿足覆蓋要求（見表2）。

表2 高鐵隧道無(wú)線鏈路預(yù)算

4.2 覆蓋方式

高鐵隧道采用RRU+天線+泄漏電纜混合方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，洞口采用定向天線外延的方式增大室外宏站與隧道區(qū)域的重疊覆蓋區(qū)域，保證切換的順利完成（見圖3）。

圖3 長(zhǎng)隧道及隧道群覆蓋方式

4.3 組網(wǎng)方式

隧道設(shè)備組網(wǎng)方式如圖4 所示，500 m 間隔的洞室，每個(gè)洞室內(nèi)安裝一個(gè)RRU，RRU 之間優(yōu)選3或2級(jí)級(jí)聯(lián)，n（n≤6）個(gè)RRU 配置成一個(gè)小區(qū)，上連紅線外的BBU 基帶板，長(zhǎng)距離的隧道分屬不同小區(qū)［5］，考慮將切換區(qū)設(shè)置在隧道內(nèi)。

圖4 隧道設(shè)備組網(wǎng)方式示意

5 基站設(shè)備選型

鑒于電聯(lián)基站設(shè)備共建共享的背景，統(tǒng)籌考慮隧道內(nèi)外5G/4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可采用傳統(tǒng)LTE1.8 GHz+UNR2.1 GHz 基站或?qū)掝lLTE1.8 GHz/UNR2.1 GHz 基站2 種設(shè)備。表3 從設(shè)備形態(tài)、發(fā)射功率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋及投資成本等角度對(duì)比分析了傳統(tǒng)設(shè)備與寬頻設(shè)備的優(yōu)劣。

表3 基站設(shè)備選型對(duì)比分析

根據(jù)不同高鐵線路的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備選型，對(duì)于客流量小的線路，電聯(lián)雙方采用共享載波（可開40 W 功率）；對(duì)于隧道少且短（＜450 m）可布放4 根漏纜的線路，優(yōu)先選擇傳統(tǒng)LTE1.8 GHz+UNR2.1 GHz 基站設(shè)備；對(duì)于電聯(lián)雙方只接受獨(dú)立載波且單載波開40 W、隧道多且長(zhǎng)、只能布放2根漏纜的線路，優(yōu)先選擇寬頻LTE1.8 GHz/UNR2.1 GHz基站設(shè)備。

6 泄漏電纜使用

本章從共用方式、選型及安裝布放等方面討論高鐵隧道中泄漏電纜的使用。

6.1 泄漏電纜共用方式

本節(jié)從漏纜數(shù)量、干擾控制、協(xié)調(diào)難度、優(yōu)化維護(hù)及建設(shè)成本等方面，對(duì)比隧道內(nèi)電聯(lián)與中國(guó)移動(dòng)共纜、分纜2種方式的優(yōu)劣（見表4）。若運(yùn)營(yíng)商溝通良好且投資受限，可選擇共纜方式，否則選擇分纜方式。

表4 電聯(lián)與中國(guó)移動(dòng)共纜、分纜對(duì)分析

6.2 泄漏電纜選型

漏纜的傳輸損耗系數(shù)與頻率成正比［5］，即頻率越高，單位長(zhǎng)度的傳輸損耗越大。針對(duì)13/8"、5/4"泄漏電纜漏選擇的問(wèn)題，從頻段支持、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)、競(jìng)對(duì)分析及建設(shè)成本等幾個(gè)方面進(jìn)行性能對(duì)比分析（見表5）?？紤]電聯(lián)3.5 GHz 資源預(yù)留，建議優(yōu)選5/4"漏纜。

表5 13/8"、5/4"泄漏電纜性能對(duì)分析

6.3 泄漏電纜安裝布放示意

高鐵車窗下沿距軌面2 m，上沿距軌面2.8 m［6］，為減少基站信號(hào)的穿透損耗，建議泄漏電纜能布放在高鐵車窗范圍內(nèi)。

以電聯(lián)與中國(guó)移動(dòng)分用泄漏電纜，布放4 條泄漏電纜為例，電聯(lián)和中國(guó)移動(dòng)的泄漏電纜交叉布放，其中中國(guó)移動(dòng)的2 條漏纜掛設(shè)在距軌面2.1 m 和2.7 m 的隧道橋架上，電聯(lián)的2 條泄漏電纜掛設(shè)在距軌面2.25 m 和2.55 m 的隧道橋架上，同時(shí)保證信號(hào)輻射方向無(wú)遮擋，可滿足垂直隔離要求（見圖5）。

圖5 隧道4纜安裝示意

7 應(yīng)用效果

將本文的研究成果應(yīng)用于西部某隧道占比大于90%的高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，達(dá)到了良好的覆蓋效果。從5G 網(wǎng)絡(luò)道路測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，平均RSRP 為-90.5 dBm，覆蓋率（RSRP≥-105 dBm 占比）為95.8%，平均SINR 為19.82 dB，平均下載速率為43.55 Mbit/s（20 MHz 帶寬終端速率），具體情況如圖6和圖7所示。

圖6 某高鐵5G網(wǎng)絡(luò)RSRP路測(cè)結(jié)果

圖7 某高鐵5G網(wǎng)絡(luò)SINR路測(cè)結(jié)果

4G 網(wǎng)絡(luò)道路測(cè)試數(shù)據(jù)如下：平均RSRP 為-86.73 dBm，覆蓋率（RSRP≥-105 dBm 占比）為99.59%，平均SINR 為11.4 dB，平均下載速率為35.32 Mbit/s，具體情況如圖8和圖9所示。

圖8 某高鐵4G網(wǎng)絡(luò)RSRP路測(cè)結(jié)果

圖9 某高鐵4G網(wǎng)絡(luò)SINR路測(cè)結(jié)果

8 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高鐵隧道覆蓋建設(shè)投資大、列車速度快、車體穿透損耗大、隧道內(nèi)無(wú)線信號(hào)復(fù)雜干擾大等特點(diǎn)，基于共建共享模式，研究了高鐵隧道4G/5G頻率規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、基站設(shè)備選型及泄漏電纜的使用等策略，達(dá)到了良好效果和經(jīng)濟(jì)效益，為后續(xù)此類型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供參考和借鑒。