隧道5G信号覆盖新技术研究

［张雪强 康同海 张泽旭］

1 引言

各运营商在5G网络可用频段中分配到的不同网络频段建设5G信号，目前移动5G网络主力覆盖频段为2.6 GHz。电信和联通5G网络主力覆盖频段为3.4～3.6 GHz，受高频电磁波传播损耗大、传播距离近的传播特性影响，高铁和地铁隧道的设备安装洞室距离较大或者设备安装位置紧张的影响，使得5G信号在隧道内的覆盖难度增加。地铁是运营商网络覆盖的重要口碑场景，在5G已商用的情况 下，如何实现多家运营商多个通信系统（2G/3G/4G/5G）的共存、实现良好的覆盖和干扰协同，是地铁网络覆盖建设的重要课题和难点。[1]

2 项目详细内容

2.1 项目背景

（1）5G无源室分的器件、线缆产品的研发进度制约着5G无源室分的建设模式发展。

4G时代，无源器件仅支持到2 700 MHz频段，不支持5G的主流高频段。同时在同一套共享的室分系统中，不仅仅要满足5G系统的接入，还要满足原有2/3/4G系统的接入，系统多、频率碎片化，频段宽度大，对5G的共享能力和抗干扰能力提出了更高的要求。无源器件能否适应5G室分需求直接影响5G室分建设。

（2）高铁、地铁隧道设备安装位置受限，建设方式单一增加5G网络建设难度。

高铁车速快，隧道为一洞两轨，所有设备需安装设备洞室中，地铁车速较快，隧道为一洞一轨，所有设备需安装隧道墙壁上。因高铁列车和地铁列车在隧道中运行时，犹如活塞使隧道中的风速很大，为了保证列车安全，对安装在隧道壁上的设备要求极高，使有很多设备没有办法在上安装，隧道的5G网络覆盖只能通过建设泄露电缆的方式解决[2]。

（3）地铁作为特殊场景，在无线覆盖方面较地面普通场景(楼宇、公共场所等) 具有以下特点：

①地铁的建筑结构一般分为站厅、站台和隧道区间三部分，覆盖区域复杂;

② 人流量在高峰和闲时存在巨大差异，高峰瞬时话务量突出;

③地铁移动性强，涉及隧道内、站厅和站台地铁和室外的切换;

④ 无线信号在隧道区间中传播时容易产生快衰落，并且穿透车体两侧屏蔽门产生较大的损耗[3]。

2.2 主要科技创新

为了更好地支持5G高频段，国际首创漏缆宽高频阵列源技术和分段耦合技术，研发推出全频段5G漏缆和低损耗5G漏缆，大幅提升了5G高频段的辐射性能，有效解决了5G高频段隧道覆盖难题。

（1）国际首创采用宽高阵列源技术的全频段5/4〞漏缆

漏缆的每个槽孔都是激励源，由开槽处电场分布的柱面傅里叶变换得到漏缆的辐射场以及辐射损耗，漏缆的传输损耗和耦合损耗是多个激励源阵列的叠加效果。传输损耗一般主要与使用频段的波长以及漏缆的物理尺寸相关，优化提升的空间较小。耦合损耗是泄漏电缆产品设计的关键指标，决定了电磁波的辐射强度和范围。由漏缆的传输衰减模型可知，对于同一频段，耦合损耗主要与槽孔的尺寸、排列方式相关，因此提升漏缆辐射性能的关键在于槽孔设计。

通过理论计算和三维建模仿真相结合，不断优化迭代槽孔尺寸和槽型，发明了宽高频阵列源技术，它具有损耗低、带宽大、抑制中高频谐波的优点。采用宽高频阵列源技术研发推出了全频段5/4〞漏缆，支持700～3 700 MHz频段，5G高频段的250 m综合损耗较常规产品降低了7～20 dB，而且高低频段的综合损耗更加均衡，差距在4 dB以内，在地铁隧道场景覆盖距离可达500 m以上，5G高频段覆盖距离提升了1倍以上。

（2）国际首创采用分段耦合技术的低损耗5/4〞漏缆

传统漏缆采用固定槽孔设计，由漏缆的传输衰减模型可知，对于同一频段，耦合损耗固定。所以在靠近基站信源的覆盖始端信号过强，存在信号功率浪费的情况，在远离基站信源的覆盖末端信号偏弱、功率不足，这种特性导致漏缆覆盖距离过短。

发明了分段耦合技术，采用渐变的开槽设计，在漏缆不同的位置按需采用不同的耦合损耗。在靠近基站信源的覆盖始端加大耦合损耗，减少信号辐射量，减少功率浪费，在远离基站信源的覆盖末端减小耦合损耗，加大信号辐射量，弥补覆盖短板，从而达到提升覆盖距离的目的。采用分段耦合技术研发推出了低损耗5/4〞漏缆，支持1 700～3 700 MHz频段，5G高频段的250 m综合损耗较常规产品降低约9～24 dB，性能指标国际领先，在地铁隧道场景覆盖距离达到700 m以上，5G高频段覆盖距离提升约1.5倍。

2.3 客观评价

在面对高铁、地铁隧道5G网络建设规模扩大、投资高的行业压力下，通过产品的创新，实现2/3/4/5G室分的共享和集约化建设，项目助力京张高铁成为全球首条5G全覆盖的高铁线路，助力全部各地地铁5G信号覆盖，实现地铁直播不卡顿。将高铁、地铁5G信号和超高清视频编解码技术三大中国“名片”合为一体，在全世界尚属首例，为行业创造了可观的技术和经济价值。

主要成果：发明并研发了一种性能渐变的漏泄同轴电缆和一种宽高频低损耗均匀辐射漏泄同轴电缆，大幅提升了5G高频段的辐射性能，有效解决了5G高频段室内覆盖难题。两款创新5G漏缆产品的性能指标国际领先，在地铁隧道覆盖距离提升1倍以上[4]。

该项目为重大的工程科技创新，为室分共享建设打下了坚实的技术基础，有力地支撑了低成本、高质量的共享发展模式。该项目创新成果的实用价值高、应用前景广，取得了显著的经济和社会效益，有力地推动了行业技术进步及产业升级，为我国4G规模建设、5G率先开局发挥了重要作用，随着5G室分的规模建设，还将持续为行业创造更多价值。

3 应用情况和效益

3.1 应用情况

（1）省内应用情况

2019 年 12 月 30 日，北京至张家口高铁开通运营，张家口至北京最快运行时间仅需 47 分钟。与此同时，京张高铁 5G 信号覆盖通过全线建设低损耗漏缆完成网络覆盖，京张高铁成为全国首批 5G 高铁，旅客可体验全面升级的移动通信服务，坐高铁、看高清视频、畅享 5G 网络成为现实。

河北省会石家庄地铁项目，5G 信号覆盖全线使用低损耗漏缆建设完成，确保石家庄地铁5G信号全覆盖。

（2）国内应用情况

河南、山东、四川、上海、江苏等分公司在楼宇、地铁、高铁、公路隧道等各场景开展5G无源室分试点。

①地铁隧道场景5G覆盖试点。部署全频段5/4漏缆、低损耗5/4漏缆在郑州、石家庄、济南、无锡地铁隧道实现5G覆盖；采用2.6G扩展模块实现原有13/8漏缆移动NR2.6G升级。试点结果表明，采用低损耗5/4漏缆，NR3.5G信源断点距离可做到400～700 m，与现有4G断点距离基本相当，完全可以满足新建隧道2/3/4/5G共享覆盖。

② 高铁隧道5G覆盖试点。部署低损耗5/4缆覆盖京张高铁隧道，测试NR3.5G对于高铁的覆盖效果。试点效果表明，采用低损耗5/4漏缆覆盖高铁，下行覆盖相比LTE提升3～4倍，上行受限于NSA组网基本与LTE相当。

创新成果已在中国铁塔的共享室分项目中广泛应用，为电信行业节省了大量的重复投资和社会资源，得到了一致认可，为我国4/5G低成本、高效建设提供了有力支撑。

3.2 经济效益和社会效益

（1）经济效益

使用本次创新技术和产品，自2019年1月～2021年6月，已累计为行业节省投资84.2亿元，随着5G室分的规模建设，还将持续为行业创造更多价值。（1）通过共享技术创新节省投资72.96亿元。使用增强型连接器等创新产品，可实现快速部署，缩短工期的效果，已建设楼宇类共享室分2.38亿平米、高铁地铁隧道类共享室分0.8万公里，节省室分建设投资72.96亿元。（2）通过产品性能提升节省投资11.24亿元。使用新型5G漏缆创新产品，可提升5G高频段覆盖距离1倍以上，实现更加高效的共享，已应用3 124公里（隧道里程），节省5G基站信源及电源配套投资11.24亿元。

（2）社会效益

5G信号覆盖低损耗漏缆产品和方案的推出，既符合企业低成本建设的意见又符合国家低碳、绿色、可持续发展理念，降低项目投资成本，有利于加快开展中高容量场景5G信号的覆盖，为我国5G信号的广覆盖提速增效，尤其在高铁、地铁隧道中5G信号覆盖试点的建设开通，为我国5G室分率先开局发挥了重要作用。

低损耗漏缆的成功研发，实现国内支持5G频段漏泄同轴电缆产业的产品创新。产品在高铁和地铁 5G信号建设中的广泛应用，将极大的解决高铁、地铁5G信号覆盖的问题，为我国5G和轨道交通的建设和发展起到了积极的促进作用。

4 结束语

本文分析了基于5G技术的高铁、地铁5G信号网络建设情况，介绍了基于低损耗漏缆技术的隧道5G信号覆盖特点，其中包括地铁结构特征和基于5G技术的地铁通信需求。根据覆盖特点，展开了基于低损耗漏缆的隧道5G覆盖方案探究，形成最终可行方案。