發布日期：2022-10-18 點擊率：78
摘要：
針對5G高鐵覆蓋面臨諸多困境，從5G網絡高頻段、高功耗、高傳輸帶寬需求、多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大等方面進行了分析。針對高鐵場景特征及業務體驗需求，研究并提出5G高鐵覆蓋解決方案和規劃設計方法，為運營商在高鐵場景快速部署5G網絡提供技術支撐。
01 概述
截至2018年底我國高鐵里程達2.9萬km，2025年將達3.8萬km，累計發送旅客人數已超70億人次，在4G時代，各大運營商針對高鐵覆蓋屬于品牌場景網絡建設的重中之重。
隨著高鐵用戶規模增長及多樣化的業務感知要求，在5G大規模建設和應用中，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網絡高頻段、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覆蓋解決方案和規劃設計方法，指導快速推進5G時代的高鐵覆蓋及精品高鐵網絡建設。
02 5G高鐵覆蓋重要性及技術難點
2.1 5G高鐵覆蓋的重要性
高鐵建設全面鋪開，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，累計發送旅客人次已超70億，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時代運營商需要針對高鐵覆蓋擬定針對性的方案，在網絡覆蓋及用戶體驗上形成優勢。
高鐵乘客特征和運營商價值客戶高度重合，是運營商的網絡品牌的重要展示窗口：高鐵運輸能力大，單車容納能力高，且環境舒適，用戶業務使用比例高，整體業務需求較其他場景大；高鐵用戶中商務人士乘坐比例高，高端客戶占比大，對于提升網絡品牌具有重要意義，是5G時代網絡建設的重點。
2.2 5G高鐵覆蓋技術難
高鐵普遍存在的三大挑戰：多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大。
由于5G主力的3.5GHz頻段頻率高于4G， 5G時代高鐵覆蓋更加困難，5G網絡覆蓋解決方案需要重點關注站點規劃與布局、系統切換重疊區域設計、頻率糾偏等方面，實現更好網絡性能。
2.2.1 多普勒頻偏影響接收機解調性能
5G無線通信系統要求峰值移動性支持≥500km/h，高速移動下的多普勒頻偏（接受信號頻率會偏離基站側中心頻點）會影響接收機解調性能，多普勒頻偏在5G網絡影響更大，3.5G相對1.8G頻偏增大一倍，在3.5GHz情況下，列車速度達到350km/h時，上行多普勒頻偏將大于2.2kHz。
因此，在高頻段、終端高速移動狀態下如何克服多普勒頻偏是5G網絡關鍵技術難點之一。多普勒效解決方案主要為通過基站設備糾偏算法，進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 超高速移動導致切換區不足及頻繁切換問題
5G無線通信系統的系統可靠性需求為99.999%，端到端時延＜1ms，在列車時速350 km/h，切換區域超過90米，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。
高鐵速度350km/h、站距500米情況下，平均3s切換一次，終端用戶在小區頻繁切換，切換時帶來的吞吐率體驗下降明顯，甚至掉話增加（如圖1所示）。
圖1 高鐵小區切換示意
頻繁的小區切換將極大降低用戶的感知，成為5G網絡關鍵技術難點之一。
解決辦法需要合理的無線網絡規劃和參數設置，實現更快的小區重選和合理的小區重疊區滿足小區間切換要求，同時，通過小區合并可以減少小區間切換次數，提高速率性能及可靠性。
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20 dB，3.5 GHz頻段穿透損耗更高約25 dB，不同車型采用材質差異，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，在網絡規劃設計時入射角應控制在10°以上，基站到高鐵最小距離為：80~200 m。
表2不同列車不同頻段的穿透損耗（dB）
03 高鐵多場景覆蓋規劃方案
3.1 規劃目標建議
目前階段高鐵主要以視頻、游戲、社交、辦公類等eMBB業務為主。根據4G高鐵數據統計，高鐵業務模型與大網eMBB類似，文字、圖片帶寬需求變化不大，視頻業務占比56%左右，未來業務較長時間內仍以“高清視頻”為核心，帶動流量增長。
5G初期，eMBB主要以2K視頻+智能手機、4K視頻+HDTV/VR為主要業務（見表3）；其中2K視頻是5G業務最小業務要求，高鐵場景大部分時間處于200~350kmh高速運行，邊緣速率規劃建議按照4K視頻業務需求：下行速率要求>50Mbps，上行速率可根據不同覆蓋目標要求確定，初期建議UL>1Mbps，后續再分階段考慮>5Mbps滿足1080P視頻上傳要求。
高鐵場景邊緣速率規劃建議：DL 50Mbps，UL 1 Mbps /5Mbps。
表3 eMBB業務帶寬需求
3.2 鏈路預算分析
合理站址規劃是網絡質量基石，在網絡規劃選址既要充分考慮利用現有資源，同時也要考慮站址規劃合理性。
目前中國獲取5G頻譜資源為3500~3600 MHz， 根據業界內專家的初步評估，3.5 GHz頻段的總損耗比1.8 GHz約大14 dB，主要表現在空間損耗、車廂穿透損耗及間隙發射帶來損耗。
基于目標邊緣吞吐量的小區半徑鏈路預算分析如表4所示，從表4可以看出，5G站址規劃站距勢必比4G網絡更密。
表4 基于目標邊緣吞吐量的小區半徑鏈路預算
（2.5ms單周期）
從基于目標邊緣吞吐量的小區半徑鏈路預算分析，Cost-Hata模型與3GPP模型測算站距差異較大，按目前廣東聯通高鐵4G現有存量站址站距600~800 m，至少需增加1倍以上站址方可滿足5G網絡覆蓋要求，這對運營商來說是一項艱巨的任務，主要表現在站址選取、物業協調、工程建設、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過密問題、降低建設成本，成為重中之重。
NR下行可以和LTE現網1:1共站，通過上下行解耦、DC雙連接提升上行覆蓋：從鏈路預算及速率滿足情況來看，5G高鐵覆蓋主要表現為上行受限，小區邊緣速率超過50Mbps，可以實現和4G現網站點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。
小區實際覆蓋半徑可根據具體站點規劃情況確定，在1:1基礎上，進行個別站點補充滿足規劃目標。
圖2給出了邊緣吞吐率與小區半徑的關系示意。
圖2 邊緣吞吐率與小區半徑的關系
3.3 切換區域設計
由于5G無線通信系統的需求，系統可靠性為99.999%，端到端時延＜1ms，在列車時速達350 km/h，雙向切換區域范圍較大。
終端用戶在小區頻繁切換，切換時帶來的吞吐率體驗下降明顯，甚至掉話增加，因此，減少小區間切換是提升高鐵用戶體驗感知的關鍵。
5G系統需要的切換重疊區域測算如圖3所示，A過渡區為信號到滿足切換電平遲滯（~2dB）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。
B切換區域：時延1為終端測量上報周期+切換時間遲滯，時延2為切換執行時延，包括信令面及數據面執行時延。
圖3 切換重疊區域測算示意
合理的重疊覆蓋區域規劃是實現業務連續的基礎，重疊覆蓋區域過小會導致切換失敗，過大會導致干擾增加，影響用戶業務感知，實際規劃中，根據網絡參數配置及時延要求評估，進行合理的切換區域設計。
考慮單次切換時，重疊距離= 2* (電平遲滯對應距離+切換觸發時間對應距離+切換執行距離)。
以常用配置（切換測量及判決160ms、切換執行20ms）為例，不同列車速度對應的重疊距離需求如表5所示，5G網絡的小區間重疊覆蓋距離150m，可以滿足小區間切換重疊覆蓋區要求。
表5 不同列車速度對應的重疊距離需求
小區合并應用建議：根據4G網絡經驗，綜合考慮大網用戶的容量和性能，合理選擇RRU共小區方案，是減少頻繁切換、提高用戶感知的有效方案。
5G網絡中也需要繼續采用RRU合并解決切換問題，5G采用hypercell（相同邏輯小區）技術小區合并后，廣播信道共小區，形成一個邏輯小區，其業務信道TRP可獨立調度，容量無損，有效保障用戶感知。
Hyper Cell：基站側基于上行信號判斷切換，用戶在同一個邏輯小區內移動時不感知TRP變更。
3.4 高鐵線路覆蓋方案
線路站址規劃：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通信質量最佳。
站軌距：據無線信號傳播特點，信號入射角越小，穿損越大，通常建議入射角大于10度，考慮到天線水平波瓣在90度方向增益約為0dBi，為保證不出現塔下黑，根據鏈路預算，建議站點離鐵軌距離不超過200m。
站高：站高設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20~45m為宜；方位角：不同入射角對應的穿透損耗不同，入射角越小，穿透損耗大。
實際測試表明，當入射角小于10°以后，穿透損耗增加的斜率變大，因此方位角設置中應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系示意如圖4所示。
圖4 入射角與基站離鐵軌的距離關系示意
建議相對站高在20～45m，站點離鐵軌距離在35～120m，保證列車兩邊座位都有比較好的覆蓋。
高鐵線路覆蓋設備選型建議：高鐵場景中2T/4T無法滿足一般站間距規劃，8T可滿足500~650m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，但小區合并、波束賦形算法難度更大、要求高，需要根據高鐵線路場景及業務情況，并綜合考慮成本、技術成熟度，確定建設方案，從目前廠家設備情況來看，8T方案的成熟度最高。
表6 不同類型設備覆蓋對比
3.5 高鐵隧道覆蓋方案
高鐵隧道由于隧道空間狹小，列車速度快，生產風壓及安全性考慮導致無法采用常規天線覆蓋，建議隧道內采用泄露電纜進行覆蓋（見圖5），兩側洞口采用定向天線朝外延伸，增大室外宏站與隧道區域的重疊覆蓋帶區域，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。
表7 覆蓋方案對比
漏纜及POI情況分析及建議：存量13/8漏纜規格無法支持3.5 GHz，最大截止頻率為2.9GHz，無法滿足5G演進，采用5/4漏纜可支持3.5GHz，優選2T2R漏纜方案。3.5GHz漏纜的2種部署方案，建議采用漏纜替換方案。
存量POI無法支持3.5GHz，也只支持2.6GHz頻段60MHz，NR3.5GHz需新增或替換POI，建議隧道組網使用POI+漏纜，3家運營商共建共享，降低建設難度及成本。
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、站臺小區間干擾控制存在困難。
從用戶分布特點來看，高鐵站大廳用戶密度大，高鐵運行時間段內人流巨大，且用戶流動性強，大量用戶隨列車運行移動。
從業務特征來看，高鐵站廳是典型高流量區域，用戶數密集、業務高熱。
根據高鐵站廳的場景特征，建議使用數字化室設備分進行覆蓋，可選擇新增3/4/5G多模數字化室分模塊，或在現有傳統DSA系統基礎上，新增5G數字化室分模塊混合部署(見圖6)。
圖6 高鐵站廳覆蓋示意
站廳使用數字化室分設備具備如下優勢。
04 高鐵覆蓋解決方案建議
根據5G小區半徑及鏈路預算分析，按目前廣東聯通高鐵4G現有存量站址規模，至少需增加1倍站址才可滿足5G網絡覆蓋要求，這對運營商來說是一項艱巨的任務，且建網成本無法承受。
本文研究克服高頻段損耗站點過密問題的方案，建議NR下行可以和LTE現網1:1共站，通過上下行解耦、DC雙連接提升上行覆蓋，在1:1基礎上根據規劃評估進行部分區域按需補充站點，滿足規劃目標。
高鐵場景終端用戶在小區頻繁切換，切換時帶來的吞吐率體驗下降明顯，減少小區間切換是提升高鐵用戶體驗感知的關鍵。
建議進行合理的重疊覆蓋區域規劃，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度，站點離鐵軌距離不超過200m，天線相對鐵軌高度在20~45m為宜，根據站軌距、高度、入射角規劃設計合理的方位角及下傾角，保障覆蓋效果。
建議隧道內采用泄露電纜進行覆蓋，兩側洞口采用定向天線朝外延伸，增大室外宏站與隧道區域的重疊覆蓋帶區域，保證切換的順利完成，詳細評估當前POI、漏纜演進到5G條件限制，建議隧道組網使用POI+漏纜，3家運營商共建共享，降低建設難度及成本。
高鐵站廳建議使用數字化室設備分進行覆蓋，可選擇新增3/4/5G多模數字化室分模塊，或在現有傳統DSA系統基礎上，新增5G數字化室分模塊混合部署。使用數據化室分具備易部署、易維護、平滑擴容等優勢。
參考文獻
作者簡介：林鐵力，工程師，本科，主要從事無線通信網的規劃建設工作。
本文來源：5G新技術
來源： 無線深海
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