5G時代高鐵覆蓋解決方案研究

林鐵力（中國聯(lián)通廣東省分公司，廣東廣州 528000）

1 概述

我國高鐵里程2025年預(yù)計將達(dá)3.8萬km，累計發(fā)送旅客人數(shù)已超70億人次。在4G時代，各大運(yùn)營商針對高鐵覆蓋屬于品牌場景網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重中之重。隨著高鐵用戶規(guī)模增長及多樣化的業(yè)務(wù)感知要求，在5G大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用中，對5G高鐵覆蓋解決方案的需求是非常迫切的。5G高鐵覆蓋方案將面臨諸多困境，如5G網(wǎng)絡(luò)高頻段、高功耗、高傳輸帶寬需求、多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大等。本文針對高鐵多種場景，研究并提出對高鐵的5G覆蓋解決方案和規(guī)劃設(shè)計方法，指導(dǎo)快速推進(jìn)5G時代的高鐵覆蓋及精品高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

2 5G高鐵覆蓋重要性及技術(shù)難點(diǎn)

2.1 5G高鐵覆蓋的重要性

高鐵建設(shè)全面鋪開，快速化、信息化已成為趨勢：中國高鐵里程占全球60%，成為中國人出行第一選擇，年增長率超35%。在高鐵信息化及高鐵用戶快速增長的趨勢下，5G時代運(yùn)營商需要針對高鐵覆蓋擬定針對性的方案，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋及用戶體驗(yàn)上形成優(yōu)勢。

高鐵乘客特征和運(yùn)營商價值客戶高度重合，高鐵是運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)品牌的重要展示窗口：高鐵運(yùn)輸能力大，單車容納能力高，且環(huán)境舒適，用戶業(yè)務(wù)使用比例高，整體業(yè)務(wù)需求較其他場景大；高鐵用戶中商務(wù)人士乘坐比例高，高端客戶占比大，對于提升網(wǎng)絡(luò)品牌具有重要意義，是5G時代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。

2.2 5G高鐵覆蓋技術(shù)難點(diǎn)

高鐵普遍存在的三大挑戰(zhàn)：多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大。由于5G主流的3.5 GHz頻段頻率高于4G，5G時代高鐵覆蓋更加困難，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案需要重點(diǎn)關(guān)注站點(diǎn)規(guī)劃與布局、系統(tǒng)切換重疊區(qū)域設(shè)計、頻率糾偏等方面，實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2.1 多普勒頻偏影響接收機(jī)解調(diào)性能

5G系統(tǒng)支持大于500 km/h的移動性，高速移動下的多普勒頻偏（接收信號頻率會偏離基站側(cè)中心頻點(diǎn)）會影響接收機(jī)解調(diào)性能，多普勒頻偏對5G網(wǎng)絡(luò)影響更大，3.5 GHz相對1.8 GHz頻偏增大1倍，在3.5 GHz情況下，列車速度達(dá)到350 km/h時，上行多普勒頻偏將大于2.2 kHz（見表1），因此，在高頻段、終端高速移動狀態(tài)下如何克服多普勒頻偏是5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。多普勒效解決方案主要通過基站設(shè)備糾偏算法，進(jìn)行用戶的頻率糾正來消除多普勒頻偏移帶來影響。

表1 不同頻段的上行最大多普勒頻偏

2.2.2 超高速移動導(dǎo)致切換區(qū)不足及頻繁切換問題

5G無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性需求為99.999%，端到端時延＜1 ms，在列車時速350 km/h，切換區(qū)域超過90 m時，高速移動時所需要的重疊覆蓋距離明顯高于普通場景，且由于5G站距相對更小，頻繁切換問題明顯。高鐵列車速度350 km/h，在站距500 m情況下，平均3 s切換一次，終端用戶在小區(qū)頻繁切換，切換時帶來的吞吐率體驗(yàn)下降明顯，甚至掉話增加（如圖1所示）。

圖1 高鐵小區(qū)切換示意

頻繁的小區(qū)切換將極大降低用戶的感知，成為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。需要合理的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)更快的小區(qū)重選和合理的小區(qū)重疊區(qū)，滿足小區(qū)間切換要求，同時通過小區(qū)合并可減少小區(qū)間切換次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)速率及可靠性。

2.2.3 5G高頻段的車體穿透損耗更大

5G無線通信系統(tǒng)的目前使用頻段為3.5 GHz，自由空間損耗及車廂損耗較1.8 GHz頻段高，其中自由空間傳播損耗高6 dB，車體傳播損耗高3～5 dB。CRH380A車廂整體穿透損耗平均值約為20 dB，3.5 GHz頻段穿透損耗更高約為25 dB，不同車型采用材質(zhì)不同，穿透損耗差異也很大（見表2），且基站到高鐵的入射角越小，損耗越大，因此，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計時入射角應(yīng)控制在10°以上，基站到高鐵最小距離為80～200 m。

3 高鐵多場景覆蓋規(guī)劃方案

3.1 規(guī)劃目標(biāo)建議

表2 不同列車不同頻段的穿透損耗（dB）

目前階段高鐵業(yè)務(wù)主要以視頻、游戲、社交、辦公類等eMBB業(yè)務(wù)為主。根據(jù)4G高鐵數(shù)據(jù)統(tǒng)計，高鐵業(yè)務(wù)模型與大網(wǎng)eMBB類似，文字、圖片帶寬需求變化不大，視頻業(yè)務(wù)占比56%左右，未來業(yè)務(wù)較長時間內(nèi)仍以“高清視頻”為主，帶動流量增長。

5G初期，eMBB業(yè)務(wù)以2K視頻+智能手機(jī)、4K視頻+HDTV/VR為主（見表3）；其中2K視頻是5G業(yè)務(wù)最小業(yè)務(wù)要求，高鐵用戶大部分時間處于200～350 km/h高速運(yùn)行，邊緣速率規(guī)劃建議按照4K視頻業(yè)務(wù)需求：下行速率要求＞50 Mbit/s，上行速率可根據(jù)不同覆蓋目標(biāo)要求確定，初期建議UL＞1 Mbit/s，后續(xù)再分階段考慮＞5 Mbit/s，滿足1080P視頻上傳要求。

表3 eMBB業(yè)務(wù)帶寬需求

高鐵場景邊緣速率規(guī)劃建議：DL 50 Mbit/s，UL 1、5 Mbit/s。

3.2 鏈路預(yù)算分析

合理的站址規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量基石，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃選址時既要充分考慮利用現(xiàn)有資源，也要考慮站址規(guī)劃的合理性。目前國內(nèi)5G頻譜資源為3 500～3 600 MHz，根據(jù)評估，3.5 GHz頻段的總損耗比1.8 GHz頻段約大14 dB，主要表現(xiàn)在空間損耗、車廂穿透損耗及間隙發(fā)射帶來損耗?；谀繕?biāo)邊緣吞吐率的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算分析如表4所示，從表4可以看出，5G站址規(guī)劃站距勢必比4G網(wǎng)絡(luò)更密。

從基于目標(biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算分析，Cost-Hata模型與3GPP模型測算站距差異較大，按目前廣東聯(lián)通高鐵4G現(xiàn)有存量站址站距600～800 m，至少需增加1倍以上站址方可滿足5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，這對運(yùn)營商來說是一項艱巨的任務(wù)，主要表現(xiàn)在站址選取、物業(yè)協(xié)調(diào)、工程建設(shè)、投資成本以及管道傳輸資源等方面。如何克服高頻段損耗站點(diǎn)過密問題、降低建設(shè)成本，成為重中之重。

NR下行可以和LTE現(xiàn)網(wǎng)1∶1共站，通過上下行解耦、DC雙連接提升上行覆蓋：從鏈路預(yù)算及速率滿足情況來看，5G高鐵覆蓋主要表現(xiàn)為上行受限，小區(qū)邊緣速率超過50 Mbit/s，可以實(shí)現(xiàn)和4G現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)1∶1共站。從上行邊緣速率情況來看，5G相對LTE FDD存在上行覆蓋受限，需要上下行解耦或DC雙連接提升上行覆蓋，解耦后上行速率提升明顯。小區(qū)實(shí)際覆蓋半徑可根據(jù)具體站點(diǎn)規(guī)劃情況確定，在1∶1基礎(chǔ)上，進(jìn)行個別站點(diǎn)補(bǔ)充滿足規(guī)劃目標(biāo)。

圖2給出了邊緣吞吐率與小區(qū)半徑的關(guān)系示意。

3.3 切換區(qū)域設(shè)計

由于5G無線通信系統(tǒng)的可靠性可達(dá)99.999%，端到端時延＜1 ms，在列車時速達(dá)350 km/h，雙向切換區(qū)域范圍較大。終端用戶頻繁切換，將導(dǎo)致吞吐率下降明顯，甚至掉話增加，因此，減少小區(qū)間切換是提升高鐵用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵。

5G系統(tǒng)需要的切換重疊區(qū)域測算如圖3所示，其中過渡區(qū)為信號到滿足切換電平遲滯（～2 dB）需要的距離，并且考慮防止信號波動需重新測量而影響切換的距離余量；切換區(qū)域：時延1為終端測量上報周期+切換時間遲滯，時延2為切換執(zhí)行時延，包括信令面及數(shù)據(jù)面執(zhí)行時延。

合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ)，重疊覆蓋區(qū)域過小會導(dǎo)致切換失敗，過大會導(dǎo)致干擾增加，影響用戶業(yè)務(wù)感知，實(shí)際規(guī)劃中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置及時延要求評估，進(jìn)行合理的切換區(qū)域設(shè)計?？紤]單次切換時，重疊距離=2×（電平遲滯對應(yīng)距離+切換觸發(fā)時間對應(yīng)距離+切換執(zhí)行距離）。

以常用配置（切換測量及判決160 ms、切換執(zhí)行20 ms）為例，不同列車速度對應(yīng)的重疊距離需求如表5所示，5G網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)間重疊覆蓋距離150 m，可以滿足小區(qū)間切換重疊覆蓋區(qū)要求。

小區(qū)合并應(yīng)用建議：根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮大網(wǎng)用戶的容量和性能，合理選擇RRU共小區(qū)方案，是減少頻繁切換、提高用戶感知的有效方案。5G網(wǎng)絡(luò)中也需要繼續(xù)采用RRU合并解決切換問題，5G采用Hyper Cell（相同邏輯小區(qū)）技術(shù)小區(qū)合并后，廣播信道共小區(qū)，形成一個邏輯小區(qū)，其業(yè)務(wù)信道TRP可獨(dú)立調(diào)度，容量無損，從而有效保障用戶感知。

Hyper Cell：基站側(cè)基于上行信號判斷切換，用戶在同一個邏輯小區(qū)內(nèi)移動時感知不到TRP變更。

3.4 高鐵線路覆蓋方案

線路站址規(guī)劃：高鐵線路覆蓋站址建議以“之”字形布站，以最大限度保證列車兩邊座位都有比較好的覆蓋，尤其是在列車會車的時候能保證車內(nèi)通信質(zhì)量最佳。

站軌距：據(jù)無線信號傳播特點(diǎn)，信號入射角越小，穿損越大，通常建議入射角大于10°，考慮到天線水平波瓣在90°方向增益約為0 dBi，為保證不出現(xiàn)塔下黑，根據(jù)鏈路預(yù)算，建議站點(diǎn)離鐵軌距離不超過200 m。

表4 基于目標(biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算（2.5 ms單周期）

站高：站高設(shè)計需保證信號直射徑能從列車玻璃穿透，減少信號從車頂穿透幾率，天線相對鐵軌高度在20～45 m為宜；方位角：不同入射角對應(yīng)的穿透損耗不同，入射角越小，穿透損耗大。實(shí)際測試表明，當(dāng)入射角小于10°以后，穿透損耗增加的斜率變大，因此方位角設(shè)置中應(yīng)保證天線與鐵路夾角大于10°；下傾角：5G高鐵場景天線下傾設(shè)置原則，天線垂直波束最大增益方向指向邊緣。

入射角與基站離鐵軌的距離關(guān)系示意如圖4所示。

建議相對站高在20～45 m，站點(diǎn)離鐵軌距離在35～120 m，保證列車兩邊座位都有比較好的覆蓋。

圖2 邊緣吞吐率與小區(qū)半徑的關(guān)系

圖3 切換重疊區(qū)域測算示意

表5 不同列車速度對應(yīng)的重疊距離需求

高鐵線路覆蓋設(shè)備選型建議：高鐵場景中2T/4T無法滿足一般站間距規(guī)劃，8T可滿足500～650 m站間距覆蓋，32T/64T可滿足相對較大覆蓋距離（見表6）。32T/64T理論上覆蓋好于8T，容量高于8T，但小區(qū)合并、波束賦形算法難度更大、要求高，需要根據(jù)高鐵線路場景及業(yè)務(wù)情況，并綜合考慮成本、技術(shù)成熟度，確定建設(shè)方案，從目前廠家設(shè)備情況來看，8T方案的成熟度最高。

表6 不同類型設(shè)備覆蓋對比

3.5 高鐵隧道覆蓋方案

圖4 入射角與基站離鐵軌的距離關(guān)系示意

高鐵隧道由于隧道空間狹小，列車速度快，從生產(chǎn)風(fēng)壓及安全性考慮，無法采用常規(guī)天線覆蓋，建議隧道內(nèi)采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋（見圖5），兩側(cè)洞口采用定向天線朝外延伸，增大隧道外宏站與隧道區(qū)域的重疊覆蓋帶區(qū)域，保證切換的順利完成。

圖5 高鐵隧道覆蓋示意

表7給出了覆蓋方案的對比。

漏纜及POI情況分析及建議：存量13/8漏纜規(guī)格無法支持3.5 GHz，最大截止頻率為2.9 GHz，無法滿足5G演進(jìn)，采用5/4漏纜可支持3.5 GHz，優(yōu)選2T2R漏纜方案。3.5 GHz漏纜的2種部署方案，建議采用漏纜替換方案。

表7 覆蓋方案對比

a）800 MHz～3.6 GHz全帶漏纜替換存量漏纜：無額外安裝空間要求，對sub3G KPI存在惡化風(fēng)險。

b）新增3.5 GHz only窄帶漏纜：指標(biāo)更好，不影響sub3G KPI，但有額外安裝空間要求，安裝位置導(dǎo)致穿損更大。

存量POI無法支持3.5 GHz，也只支持2.6 GHz頻段60 MHz，NR3.5 GHz需新增或替換POI，建議隧道組網(wǎng)使用POI+漏纜，3家運(yùn)營商共建共享，降低建設(shè)難度及成本。

3.6 高鐵站廳覆蓋方案

高鐵站樞紐主要功能區(qū)包含站廳、站臺、出入口等，場景空曠，但容量密度高，站廳、站臺小區(qū)間干擾控制存在困難。從用戶分布特點(diǎn)來看，高鐵站大廳用戶密度大，高鐵運(yùn)行時間段內(nèi)人流巨大，且用戶流動性強(qiáng)，大量用戶隨列車運(yùn)行移動。從業(yè)務(wù)特征來看，高鐵站廳是典型高流量區(qū)域，用戶數(shù)密集、業(yè)務(wù)高熱。

根據(jù)高鐵站廳的場景特征，建議使用數(shù)字化室設(shè)備分進(jìn)行覆蓋，可選擇新增3G/4G/5G多模數(shù)字化室分模塊，或在現(xiàn)有傳統(tǒng)DSA系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增5G數(shù)字化室分模塊混合部署（見圖6）。

圖6 高鐵站廳覆蓋示意

站廳使用數(shù)字化室分設(shè)備具備如下優(yōu)勢。

a）高性能，提升用戶體驗(yàn)，pRRU一根纜支持4×4MIMO，提升吞吐率與小區(qū)容量。

b）光纖+網(wǎng)線，縮短施工周期；端到端可維可控，與宏站共網(wǎng)管，降低維護(hù)成本。

c）支持軟件擴(kuò)容，無需硬件改造小區(qū)靈活劈裂，應(yīng)對話務(wù)持續(xù)增長，保障用戶體驗(yàn)。

4 高鐵覆蓋解決方案建議

根據(jù)5G小區(qū)半徑及鏈路預(yù)算分析，按目前廣東聯(lián)通高鐵4G現(xiàn)有存量站址規(guī)模，至少需增加1倍站址才可滿足5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，這對運(yùn)營商來說是一項艱巨的任務(wù)，且建網(wǎng)成本無法承受。本文研究克服高頻段損耗站點(diǎn)過密問題的方案，建議NR下行可以和LTE現(xiàn)網(wǎng)1∶1共站，通過上下行解耦、DC雙連接提升上行覆蓋，在1∶1基礎(chǔ)上根據(jù)規(guī)劃評估進(jìn)行部分區(qū)域按需補(bǔ)充站點(diǎn)，滿足規(guī)劃目標(biāo)。

高鐵場景終端用戶在小區(qū)頻繁切換，切換時帶來的吞吐率體驗(yàn)下降明顯，減少小區(qū)間切換是提升高鐵用戶體驗(yàn)感知的關(guān)鍵。建議進(jìn)行合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃，并采用RRU合并解決切換問題，有效保障用戶感知。

高鐵完整覆蓋解決方案包括線路、隧道、站廳，其中高鐵線路覆蓋站址建議以“之”字形布站，建議入射角大于10°，站點(diǎn)離鐵軌距離不超過200 m，天線相對鐵軌高度在20～45 m為宜，根據(jù)站軌距、高度、入射角規(guī)劃設(shè)計合理的方位角及下傾角，保障覆蓋效果。

建議隧道內(nèi)采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋，兩側(cè)洞口采用定向天線朝外延伸，增大隧道外宏站與隧道區(qū)域的重疊覆蓋帶區(qū)域，保證切換的順利完成，詳細(xì)評估當(dāng)前POI、漏纜演進(jìn)到5G條件限制，建議隧道組網(wǎng)使用POI+漏纜，3家運(yùn)營商共建共享，降低建設(shè)難度及成本。

高鐵站廳建議使用數(shù)字化室設(shè)備分進(jìn)行覆蓋，可選擇新增3G/4G/5G多模數(shù)字化室分模塊，或在現(xiàn)有傳統(tǒng)DSA系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增5G數(shù)字化室分模塊混合部署。使用數(shù)據(jù)化室分設(shè)具備易部署、易維護(hù)、平滑擴(kuò)容等優(yōu)勢。