高鐵場景5G覆蓋的研究探討

羅海港，王 磊，李超杰

（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著高鐵路網(wǎng)密度快速增長，旅客發(fā)送量不斷增加，高鐵成為越來越多人的首選出行方式；據(jù)統(tǒng)計，高鐵旅客以旅行、出差居多，約占全部乘客數(shù)量的近9成。

高鐵線路中包括大量長隧道，由于列車速度快、車體穿透損耗大、設(shè)備安裝空間狹小等，與普通鐵路隧道相比，高鐵隧道的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計和建設(shè)實施更加困難，這對高鐵線路場景的移動通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如何解決高鐵場景的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，是各大運營商高鐵場景無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)。

1 面臨挑戰(zhàn)

高鐵場景由于人流量大且集中，加上列車車廂封閉型好，行駛過程中高鐵車速較快，高鐵車型不同的穿透損耗不一樣，高鐵經(jīng)過區(qū)域也存在差異，因此，高鐵場景是個相對復(fù)雜的場景，這使得高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在較大的挑戰(zhàn)。

高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨的挑戰(zhàn)主要有穿透損耗更大、多普勒效應(yīng)頻偏更大、切換更頻繁等，具體如下：

（1）穿透損耗更大。由于車體穿透損耗大：高速列車采用封閉式設(shè)計，車體普遍采用的高強(qiáng)度不銹鋼或合金材料，會對無線信號產(chǎn)生很大的穿透損耗，導(dǎo)致覆蓋受限，信號質(zhì)量差。如，中國的和諧號CRH5列車車體為中空鋁合金，對1.8G信號垂直入射的穿透損耗可達(dá)24dB，而高鐵網(wǎng)絡(luò)通常沿著鐵路線做帶狀覆蓋，信號掠射角較小，車體的穿透損耗更大。同時，相比較低頻的3G/4G頻譜，N78、N41等5G主流頻段的車體屏蔽會更強(qiáng)。中國的和諧號CRH5列車車體為中空鋁合金，對1.8G信號垂直入射的穿透損耗可達(dá)24dB，而高鐵網(wǎng)絡(luò)通常沿著鐵路線做帶狀覆蓋，信號掠射角較小，車體的穿透損耗更大。同時，相比較低頻的3G/4G頻譜，N78、N41等5G主流頻段的車體屏蔽會更強(qiáng)。

另外，各運營商頻段損耗相比，目前國內(nèi)運營商（除廣電）5G網(wǎng)絡(luò)主要部署在2.6GHz和3.5GHz頻段，以電信和聯(lián)通的3.5GHz頻段為例，該頻段相比LTE1.8GHz頻段高近一倍。根據(jù)自由空間傳播損耗與頻率的關(guān)系，3.5GHz頻段的傳播損耗比1.8GHz頻段高將近6dB。

在傳輸介質(zhì)不變情況下，頻率越大，穿透損耗越大。另外，高鐵車型不一樣其相應(yīng)的穿透損耗也不同，復(fù)興號高鐵列車比普通高鐵列車穿透損耗更大。根據(jù)測試結(jié)果，在3.5GHz頻段和諧號高鐵列車的穿透損耗約33dB，復(fù)興號高鐵列車的穿透損耗約36dB，因此，在3.5GHz頻段高鐵場景5G覆蓋傳播損耗和車體穿透損耗更大。

（2）多普勒效應(yīng)頻偏更大。當(dāng)移動終端運動時，特別是在高速運動情況下，移動終端和基站接收端的信號頻率會發(fā)生變化，成為多普列效應(yīng)。其計算公式為fd=f/c×v×cosθ。其中，f為載波頻率；c為光速電磁波傳播速度；v為移動終端的移動速率；θ為移動終端相對于基站的運動方向與基站信號傳播方向的夾角。接收信號理論上，根據(jù)公式可以看出，當(dāng)移動終端與基站間的相對移動速度v越大，多普勒頻移越大。而目前國內(nèi)高鐵線路設(shè)計時速高達(dá)350km/h，高鐵列車的速度越快，頻偏也越大，高速將導(dǎo)致基站信號接收性能下降，引起大頻偏，導(dǎo)致KPI惡化以及吞吐率下降等網(wǎng)絡(luò)性能問題。

圖1 多普列效應(yīng)

（3）切換更頻繁。以3.5GHz頻段規(guī)劃站址為例，如確保連續(xù)覆蓋，該頻段下站間距更小，相比1.8GHz站間距縮小一倍，高鐵經(jīng)過的區(qū)域較多且路線較長，高鐵用戶在使用移動網(wǎng)絡(luò)時，切換頻率會增加一倍，會產(chǎn)生頻繁的小區(qū)切換、重選。此時對切換帶、切換參數(shù)的設(shè)置要求更高，否則將導(dǎo)致?lián)Q較慢、切換失敗等一系列影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的問題。

總之，相比3G/4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，高鐵線路的5G規(guī)劃覆蓋中將面臨更大挑戰(zhàn)。

2 高鐵5G覆蓋方案

目前，高鐵用戶的業(yè)務(wù)主要為視頻、微信、游戲等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由于高鐵場景天窗期短、入場難，因此在規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)時，要綜合考慮業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)資源，為避免資源規(guī)劃不到位，高鐵場景的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)做到長遠(yuǎn)考慮、一步到位，具體規(guī)劃方案中要考慮穿透損耗、多普勒效應(yīng)頻偏和頻繁切換等問題，針對高鐵覆蓋中各場景的特性制定針對性解決覆蓋方案。

2.1 場景特征

高鐵相比其他場景相對復(fù)雜，主要涉及線路沿線、隧道、車站大廳和站臺等場景。

（1）線路沿線。高鐵線路沿線一般經(jīng)過區(qū)域多為城區(qū)、農(nóng)村開闊地帶，少量山區(qū)（山區(qū)基本多為隧道）。

（2）隧道。高鐵線路經(jīng)過的山區(qū)區(qū)域涉及隧道，隧道主要分布在紅線內(nèi)，隧道根據(jù)其長度，可分為長隧道（超過500m）和短隧道（不到500m）。

（3）車站大廳。高鐵車站大廳多數(shù)設(shè)置在城市或縣城郊區(qū)，一般為封閉場館，內(nèi)部寬敞，但人流大密集，容量需求高。

（4）站臺。高鐵站臺主要設(shè)置在車站，主要為用戶乘車上下車及等待的區(qū)域，空間較開放，車輛進(jìn)出站時車速較慢，用戶在上下車的等待中移動性相對較少且人流密集。

2.2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則

5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為NSA和SA這兩種模式。NSA的組網(wǎng)模式是利用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)作為錨點，5G網(wǎng)絡(luò)的控制信令走在4G網(wǎng)絡(luò)上，5G的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)走在5G網(wǎng)絡(luò)。而SA的組網(wǎng)模式是控制和數(shù)據(jù)都在5G網(wǎng)絡(luò)上承載，不需要借助4G網(wǎng)絡(luò)。

目前，在高鐵5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，要按目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)規(guī)劃，盡量采用SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為確保連續(xù)覆蓋，合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實現(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。根據(jù)傳播模型和鏈路預(yù)算計算，考慮小區(qū)切換重疊覆蓋區(qū)，建議在城市區(qū)域小區(qū)站間距為600m，農(nóng)村區(qū)域小區(qū)站間距為900m。因此，高鐵5G小區(qū)建議規(guī)劃站間距在600m-900m，站軌距100m左右，基站應(yīng)交錯布置高鐵兩側(cè)。在設(shè)備選擇上應(yīng)針對覆蓋的不同場景選擇室外宏站、泄露電纜等合適方案部署。

2.3 解決方案

（1）高鐵線路沿線。高鐵線路沿線區(qū)域主要分布在郊區(qū)及部分城區(qū)周邊，地處開闊區(qū)域，一般用宏站進(jìn)行覆蓋，建議采用8T8R高增益窄波束天線。在實施過程中，盡量利舊現(xiàn)有4G存量站點，對于那些站間距不滿足或覆蓋不足的區(qū)域規(guī)劃新站址，站軌距一般在100m左右，規(guī)劃時盡量使基站與終端之間存在直射徑，這樣便于提高基站覆蓋性能。高鐵沿線的5G站點分布建議采用“之”字型的方式，交錯分布在高鐵兩側(cè)，利于無線信號的均勻分布和覆蓋區(qū)切換更好銜接。如果受地理環(huán)境限制，在有拐彎時，站點盡可能部署在鐵軌的內(nèi)拐彎處。

（2）隧道。當(dāng)隧道小于500m時，可以在隧道的兩端用AAU+天線對打的方式進(jìn)行覆蓋。在隧道超過500m時，隧道空間狹小，考慮輻射型泄漏電纜覆蓋均勻，且具有方向性，宜采用5/4漏纜輻射型泄露電纜覆蓋。

（3）車站大廳。車站候車大廳區(qū)域由于其密閉性較好、人流量較大且數(shù)據(jù)流量需求加大，如采用傳統(tǒng)的室外宏站進(jìn)行覆蓋，效果不太理想，一般采用室內(nèi)覆蓋方式，采用AAU設(shè)備掛墻進(jìn)行覆蓋或者用新型有源室內(nèi)分布進(jìn)行覆蓋。

（4）高鐵站臺。由于站臺地處室外，多為開闊區(qū)域，人員移動性大，列車進(jìn)出速度慢，高鐵站臺可考慮用附近的宏站兼顧覆蓋。

3 結(jié)束語

雖然目前高鐵場景5G覆蓋尚未規(guī)模部署，但考慮高鐵場景的重要性，為提升客戶網(wǎng)絡(luò)使用感知，在做高鐵沿線5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，做到長遠(yuǎn)規(guī)劃、一次部署到位，要結(jié)合根據(jù)高鐵場景的特征開展規(guī)劃、規(guī)劃制定對應(yīng)覆蓋方案。

在高鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，盡量采用SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時規(guī)劃時要考慮連續(xù)覆蓋，避免頻繁回落到LTE，站間距建議在600m-900m，基站到鐵軌距離為100m左右，避免掠射角過小，基站交錯部署在高鐵兩側(cè)，同時根據(jù)不同的高鐵場景選擇合適部署方式。后期需結(jié)合覆蓋場景優(yōu)化建設(shè)方案和網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到高鐵場景的高質(zhì)量覆蓋。