高铁隧道公网覆盖5G改造研究

陈荣超

（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，郑州 450001）

1 概述

随着国内经济及铁路运输的快速发展，保障公众在乘坐列车时享受不间断的移动通信覆盖服务显得愈发重要。铁路隧道内公众无线通信网络覆盖工程的建设，对于满足运营商市场需求、提高网络质量和市场竞争力、提高运营商和铁路部门的服务水平、提升国门通道形象等均有重要作用，同时也为铁路旅客提供了更全面的服务。因此，推进铁路公网覆盖工程的建设是运营商和铁路部门的共同目标。

随着5G 技术的成熟，5G 覆盖已成为近期重要的工作之一，高铁场景下的5G 覆盖也是用户口碑评价和业务体验的关键场景。京沪高铁山东段现有的公网覆盖无法实现高铁隧道内的5G 信号连续覆盖，需要在原有系统基础上进行改造。

2 工程概况

京沪高铁于2008 年4 月18 日全线正式开工建设，2011 年6 月30 日建成通车，正线长1 318 km，是世界上一次建成里程最长、技术标准最高的高速铁路，设计目标速度为350 km/h。

京沪高铁纵贯北京、天津、上海三大直辖市和河北、山东、安徽、江苏四省，全线共设24 个车站，其中山东段设6 个车站：德州东站、济南西站、泰安站、曲阜东站、滕州东站和枣庄站。

京沪高铁山东段隧道总长度10.044 km，均为单洞双线高速铁路隧道，其中大于1 km 的隧道有4 座，小于1 km 的隧道有4 座。沿线隧道详细情况如表1 所示。

京沪高铁公网覆盖工程最早于2012 年竣工，随着公网覆盖设备的历次升级改造，目前隧道洞室内有各个运营商的：2G、3G 光远端机，3G、4G 射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU），移 动2.6G RRU、多 系 统 合 路 平 台（Point Of Interface，POI）等设备。

大部分既有公网设备使用时间已久，不同程度出现设备老化、损坏等现象，存在设备停产、无备品/备件、难以升级或扩容、故障率高、维护成本高等问题，无法保证继续安全稳定运行，且部分原有老旧设备性能指标也无法满足现在先进的通信技术需要。

隧道洞室内既有公网覆盖设备电源直接接引自相应洞室内的铁路照明配电箱。4G 改造后，既有公网设备使用已造成铁路照明配电箱出现跳闸等现象，对隧道内既有铁路照明系统造成较大影响，同时也影响到既有公网设备的正常运行。

隧道内既有敷设公网24 芯光缆1 条，该光缆部分芯线已损坏。4G 改造时，为节约光缆资源，部分RRU 设备采用手拉手级联方式，一旦某台设备出现故障，会造成整条隧道公网覆盖彻底瘫痪。

因此，本工程对隧道内进行公网5G 覆盖的同时，同步考虑对既有公网设备及配套电源、传输光缆进行统一整治。

3 方案研究

3.1 无线设备频率选择

根据各运营商需求，隧道内引入的公网无线通信系统包含：移动LTE FDD 1 800、移动TD-LTE（F&A/D）、移动5G NR 2.6G、联通/电信LTE 1.8G、联通/电信5G NR 2.1G、联通/电信5G NR 3.5G 共计7 个系统，详细情况如表2 所示。

表2 运营商需求情况Tab. 2 Operator demand situation

3.2 组网方式

组网方式采用分布式基站及射频拉远技术。隧道内采用RRU+漏缆进行覆盖，通过POI 技术将各运营商多个系统信号合路后引入天馈系统。

RRU、POI 安装在隧道内的综合洞室内，漏缆挂设在隧道墙壁上。

3.3 漏泄电缆

泄漏电缆是一类特殊的同轴电缆，与同轴电缆具备一样的同轴结构，所以也受到同轴电缆截止频率的制约，只能传播频率在截止频率以下的横电磁波（Transverse Electromagnetic Wave，TEM波）。同轴电缆的截止频率可用公式（1）计算。

公式（1）中：

fc：截止频率，单位Hz；

c：光速，3×108m/s；

εr：相对介电常数(物理发泡聚乙烯取1.20 ～1.30);

D和d：外导体内径和内导体外径，单位m。

京沪高铁山东段隧道内已布放公网13/8″漏缆2条，13/8″漏 缆（D＝43 mm、d＝17.30 mm）按照公式（1）计算，截止频率为2.8 GHz。

按照公式（1），fc与(D＋d)成反比，漏缆越细则截止频率越高，损耗也越高。5/4＂漏缆（D＝32.20 mm、d＝12.80 mm）按 照 公 式（1）计算，截止频率为3.7 GHz。

因此，既有13/8″漏缆无法支持联通/电信5G NR 3.5G，需采用新型5/4″漏缆及5G POI，以 实 现700 ～3 700 MHz 全 频 段 或1 700 ～3 700 MHz 高频段接入，最大化实现共享。

本工程考虑移动、联通、电信共建2 条新型5/4″漏缆替换既有13/8″漏缆，通过双缆实现4G/5G 2T2R 部署。漏缆挂高距轨面分别为2.1 m及2.6 m，漏缆孔指向车窗。

由于高铁的运营特点，隧道内所有施工必须在“天窗点”内完成，施工周期较长。为避免公网覆盖的长时间中断，需先将新漏缆敷设到位，在一个“天窗点”内完成新、老漏缆的切换，卡具等配套设施也需同步新设。

3.4 链路预算

信号源从漏缆的一端注入射频信号，经过一定距离的传输衰减会无法满足覆盖要求，该距离可视为漏缆的覆盖距离，可用公式（2）计算。

公式（2）中：

L：漏缆的覆盖距离，单位m；

Pin：漏缆输入端注入功率，单位dBm；

P：覆盖边缘场强，单位dBm；

L1：漏缆耦合损耗（95%，2 m，dB），漏缆指标；

L2：人体衰落，取3dB；

L3=20lg宽度因子，单位dB，d为移动台距漏缆的距离，按4 m 考虑取6 dB；

L4：衰减余量，取2 dB；另外再考虑跳线及接头损耗1 dB，POI 损耗5 dB；

L5：车体损耗，与车体相关，取23 dB；

S：每米馈线损耗，单位dB，漏缆指标。

公式（2）变形可得公式（3）：

公式（3）中：

L×S＋L1：漏缆的综合损耗，单位dB。

由于既有隧道洞室间距为500 m 无法改变，结合不同系统的切换时间计算出本工程所必需的漏缆单边覆盖距离L，从而计算出L为定值条件下的公网覆盖边缘场强进行比较。

将本工程引入的公网无线通信系统各个参数代 入 公 式（3）中，对 比5/4″高 频 缆（1 700 ～3 700 MHz）及5/4″全频缆（700 ～3 700 MHz），可得数据如表3、4 所示。在相同条件下5/4″高频缆的网络覆盖质量优于5/4″全频缆，因此本工程建议采用5/4″高频缆。

表3 链路预算（移动）Tab. 3 Link Budget (for China Mobile)

表4 链路预算（联通/电信）Tab.4 Link Budget (for China Union and China Telecom)

3.5 电源

京沪高铁山东段隧道内，既有综合洞室内设置有公网专用电度表箱（容量3 kW），从相同综合洞室内的铁路照明配电箱取电，铁路照明配电箱电源接引自隧道洞口的隧道照明箱变。电度表均采用智能型，可通过远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）上传至济南维修中心计费。

本工程实施后典型综合洞室内公网设备用电量如表5 所示。

表5 典型洞室RRU用电量统计Tab. 5 Statistical of RRU electricity consumption in typical caverns

经计算，既有综合洞室内设置的公网专用电度表箱不能满足本工程实施后各个洞室用电负荷（4.2 kW），洞室内需新设计量分配电箱并拆除既有电度表箱。

由于既有铁路照明配电箱预留容量有限，既有公网设备使用已出现铁路照明配电箱跳闸等现象，已对隧道内既有铁路照明系统造成较大影响。根据铁运[2008]184 号中严禁超负荷用电的规定，本工程考虑全部新敷设低压电缆，将新设计量分配电箱接入隧道洞口（隧道照明箱变附近）新设的计量总配电箱，计量总配电箱再接入隧道照明箱变，并结合实际情况对隧道照明箱变进行扩容改造，增加一个公网专线回路。

计量总配电箱采用落地式安装，分电度表箱采用壁挂式安装，利用铁路远程控制系统对新增回路进行管理控制。

根据《铁路工程设计防火规范》要求，低压电缆采用WDZNB-YJY23 型(低烟无卤阻燃/耐火铠装)电缆。电缆截面根据用电点的负荷以及计量箱至用电点的距离考虑±10%电压损失，确保设备用电运行安全。电缆估算如表6 所示。

表6 电缆估算Tab. 6 Cable estimation

总配电箱（无总配电箱时在分配电箱）内设远程抄表终端，在供电单位指定综合工区设远程抄表中心与互联网相连组成虚拟专用网络(Virtual Private Network，VPN)。所有抄表终端通过4G等网络实现远程数据传输。

3.6 传输

京沪高铁山东段隧道内，既有敷设公网24 芯光缆1 条，该24 芯光缆部分芯线已损坏。

本工程实施后，单个隧道内洞室将安装6 套RRU。根据运营商意见，RRU 不考虑级联，光纤每个RRU 均按6 芯（2 芯使用、4 芯备用）预留，共计需要36 芯光纤，既有光缆无法满足需求。

隧道口两端红线内外交界处各设置落地式光交箱1 套，隧道内洞室在隧道壁设置壁挂式光交箱2套。新建GYTAH58 型（室外松套层绞式铠装阻燃）主干光缆2 根贯通隧道，通过光缆掏纤方式，为隧道内移动、电信、联通开通网络。光缆及光交箱需求如表7 所示。

表7 传输线缆、设备统计Tab. 7 Statistics of transmission cables and equipment

隧道内每个RRU 处根据设备归属分歧引入24芯光缆2 根至各设备柜的光纤配线架处成端。

3.7 环境监控系统

根据铁总发改[2017]332 号及铁运[2008]184号文件，在各个隧道洞室内设置环境监控设施，纳入铁路综合环境监控系统统一监控管理。

3.8 干扰分析

1）公网对铁路专网的干扰分析

铁路专网为铁路综合数字移动通信系统（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R），上行885 ～889 MHz，下行930 ～934 MHz。

公网系统对铁路专网系统的干扰，主要考虑杂散隔离度，必须保证公网信号的频率、频点不能侵占铁路专网频率、频点。本工程引入的公网系统使用的频段与铁路GSM-R 频段相距较远。因此只要移动、联通/电信的设备射频指标等满足规范要求，其信号不会对GSM-R 系统造成干扰。

2）铁路专网对公网的干扰分析

GSM-R 系统均采用漏缆进行覆盖，安装高度距轨面4.5 ～4.8 m。考虑公网漏缆耦合损耗和专网漏缆的空间隔离及器件隔离后，GSM-R 系统不会对公网系统造成干扰。

3）天线间隔离度要求

天线间垂直隔离距离即上层天线底端与下层天线顶端的距离，按0.5 m 控制。

4）电磁环境检测

铁路GSM-R 系统承载调度通信等重要业务，直接影响到行车安全，因而本工程实施后，开通的前提条件是引入的公网移动通信系统不能影响铁路GSM-R 系统的正常使用 。故开通前必须由第三方检测机构对公网信号覆盖项目进行电磁兼容测试，电磁兼容测试是多系统运行环境下，对各系统共用的电磁兼容进行现场测试，特别是针对公网系统对GSM-R系统语音、数据通信的干扰进行测试，用以评估公网系统对铁路GSM-R 系统的干扰情况和影响，并根据影响的程度向业主单位提供能否开通的意见。

4 结语

本文主要从无线、电源、传输3 方面对京沪高铁山东段隧道内公网覆盖5G 改造做了细致、完整地研究。从方案研究过程中可以看出，5G 改造与隧道内公网设备既有情况有很大关系，需详细调查、收集各个运营商的实际需求，同时充分征求铁路部门的意见。高频缆、全频缆的选择是以运营商决定是否保留低频系统为基础，本文中对两种缆进行链路预算的结果对比，可为运营商判断是否保留低频系统提供参考。另外，隧道内拆除既有13/8″漏缆等需建设单位与其产权单位提前对接，征得其同意并做好相关手续办理。同时，建议建设单位提前协调各个运营商提供拟采用设备的详细、准确规格参数，如RRU 功率、POI 端口、各设备长/宽/高尺寸等，以减少后期方案反复修改。