（2020年度“華蘇杯”獲獎論文三等獎）5G高鐵感知優化特性研究

梅立鑫 朱序均 張 燕 褚 旭

中國聯合網絡通信集團有限公司蘇州分公司

0 引言

高鐵作為用戶口碑里最重要的場景之一，歷來是“運營商”必爭之地。蘇州聯通率先啟動高鐵5G試驗項目，經過驗證1000 m站間距無法連續覆蓋，600 m以內站間距覆蓋連續，平均速率可達360 Mbps，600 m效果更優；50 m站軌距覆蓋遠站下弱，150 m站軌距覆蓋短，需根據不同站間距選擇合適站軌距。持續探索高鐵網絡建設最優方案，為后續高鐵5G網絡規劃總結經驗。

1 概述

1.1 5G高鐵覆蓋目標

（1）連續覆蓋目標與4G一致：RSRP＞-110dB占比大于95%。（2）速率感知高于4G：小區邊緣下行大于25 Mbps，上行大于1 Mbps。

1.2 5G高鐵覆蓋挑戰

（1）頻偏更大，多普勒頻偏帶來的接收機解調性能惡化；（2）切換更頻繁，3.5G站間距更小，多通道RF的小區合并更困難，MU多流配對復雜；（3）車體穿損更大，3.5G相對1.8G頻段差異，新型全封閉高速列車的穿透損耗進一步加大。

2 5G高鐵感知優化分析

2.1 高鐵頻偏分析

3.5G相對1.8G頻偏增大一倍。我國的高鐵列車速度可高達300 km/h～500 km/h，這么快的速度會產生多普勒頻移，導致基站的發射和接收頻率不一致。高鐵的速度越快，頻偏也越大，這將導致基站信號接收性能下降，高速引起的大頻偏對于接收機解調性能的提升是一個極大的挑戰。多普勒頻偏增大帶來接收機解調性能惡化，3.5G相對1.8G頻偏增大一倍，對糾偏算法的性能要求更高。

2.2 切換分析

3.5G站間距小導致切換更頻繁，影響用戶感知。為保障3.5G連續覆蓋，若站間距從1 km縮小到0.5 km，切換頻率增大一倍，會產生頻繁的小區切換、重選。如果高鐵覆蓋的切換帶設置不合理、切換參數設置不合理的話，將會導致高鐵用戶在高鐵上切換時產生切換較慢、切換失敗、掉線等網絡問題。

2.3 覆蓋分析

3.5G相對1.8G車體穿損和傳播損耗大。

空間傳播損耗，3.5G相比1.8G大6 dB。

車體穿透損耗，3.5G在CR380B穿損值30 dB，3.5G相比1.8G大3～5 dB，CR400B穿損36.4 dB。

新車型穿損值越來越大：CR400B＞CR400A＞CR380B；鐵塔測試，CR400A穿損33.7 dB，CR400B穿損36.4 dB。

小區間重疊覆蓋分析：高鐵線路場景小區覆蓋半徑需增加84 m。重疊覆蓋帶設計如圖1所示，NR重疊覆蓋切換帶分析詳見表1。

表1 NR重疊覆蓋切換帶分析

圖1 重疊覆蓋設計示意圖

2.4 容量分析

由于容量問題，4G高鐵SFN小區合并已經走向拆分。

跨站SFN小區合并拆分，可顯著降低小區PRB負荷和提升用戶感知，5G HyperCell方案具有優勢。

3 建設方案及其優化設計

3.1 建設方案

線路場景：8T滿足500 m站間距，技術成熟，可提前商用。

覆蓋：8T滿足500 m站間距要求，2/4T無法滿足一般站間距規劃，8T可滿足500-650 m站間距覆蓋。

不同站距仿真如圖2所示。

圖2 不同站距仿真

容量：32T容量是8T的1.25倍，用戶感知速率是8T的1.27倍。

32T理論上覆蓋好于8T，容量略高于8T，但小區合并、波束賦形算法難度大、要求高，還處技術論證階段。

綜合考慮成本、技術成熟度，建議高鐵建設全線8T覆蓋。建議站間距500 m，最大不超過600～650 m。

蘇州本次高鐵驗證場景數據“線路場景”，不涉及隧道等場景。線路場景高鐵5G采用8TRRU+天線疊加方案，如圖3所示。

圖3 高鐵5G RRU+天線

本次高鐵5G性能驗證測試，5G站點分布如圖4所示。

圖4 高鐵5G站點分布圖

3.2 優化設計

為解決高鐵場景高速引起的大頻偏問題，采用5G糾偏技術和5G HyperCell特性，通過對高鐵站間距和站軌距的進一步探索，實現感知速率和用戶體驗快速提升的效果。

3.2.1 5G糾偏方案：上行糾偏+下行預糾偏技術可應對多普勒頻偏

（1）上行：5G基于Additional DMRS的頻偏估計和校正，解決高速頻偏問題。

（2）下行：下行預糾偏算法，降低終端接收偏移量，提升終端糾偏能力；下行預糾偏原理，基站根據用戶在兩個小區的上行頻偏量，對兩相鄰小區下行數據分別進行一定程度的預糾偏，從而減少抱桿間用戶的頻偏量，進而提升下行速率和用戶體驗。

（3）測試驗證：高速特性打開后，高鐵實測下行速率由70 Mbps提升至106 Mbps，用戶感知速率提升51%。

3.2.2 小區合并：本站2扇區+跨站多扇區合并

5G小區合并方案：5G HyperCell相比4G SFN增強，同時提升容量。如表2所示。

表2 5G HyperCell與4G SFN對比

合并優點，控制信道、業務信道在各TRP之間獨立調度；各TRP可獨立空分復用調度，容量等于多個TRP之和；獨立發送避免了交疊區正負頻偏問題，如圖5所示。

圖5 TPR示意圖

高鐵在高速移動過程中，對小區切換要求較高，需在有限時間內完成切換，小區合并后原來多個單RRU小區之間的切換區域變成了同小區接力點，可減少切換，擴大單小區覆蓋距離，降低網絡中UE的小區重選、小區切換的概率，降低掉線率，可有效提升用戶體驗和網絡質量。

以BBU為基準多扇區合并：往返整體覆蓋基本持平，部分站點由于合并后覆蓋范圍變大，邊緣覆蓋稍差，速率由110 Mpbs提升至240 Mbps左右。

在目前5G站點分布不連續的情況下，本站2扇區合并后覆蓋指標略優于跨站多扇區合并，如若NR站點連續覆蓋，在低負荷情況下建議跨站多扇區合并。

在目前5G站點分布不連續的情況下，本站2扇區合并后覆蓋指標略優于跨站多扇區合并，如若NR站點連續覆蓋，在低負荷情況下建議跨站多扇區合并。

3.2.3 站間距驗證：以實際落地600 m與1000 m對比

（1）不同站間距，對比5G掉線率、覆蓋，需尋找最佳站點分布方案來滿足鐵路覆蓋；

（2）站間距600 m以內，5G信號可連續覆蓋，平均速率在360 Mbps左右，整體覆蓋電平值均在-100 dBm以上。為保證連續覆蓋，5G站點站間距需盡量滿足600 m左右。

3.2.4 站軌距驗證：基于600m站間距可連續覆蓋

挑選同等站高，站軌距50 m、150 m的兩個站點對比驗證。合適的天饋方位角與下傾角可最大程度上滿足鐵路覆蓋需求，不同站軌距存在較大差異，需尋找出不同站軌距各自合適的方位角與下傾角（塔高均在35 m左右，鐵路高架在10 m左右），隨著扇區夾角變大，覆蓋距離（＞-100 dBm）先增大在變小，夾角中心電平先變好再變差，說明110度是比較合適的扇區夾角；當扇區夾角130度時覆蓋距離縮短，說明夾角增大到110度后下傾角對覆蓋距離影響明顯。

（1）50 m站軌距，選取很少能占用的唯亭印刷廠基站。

扇區夾角90度時，下傾角12、13組比9、10組的覆蓋距離短50 m，但中心電平要強5 dB；

扇區夾角110度時，覆蓋距離基本相同，但下傾角9、10的中心電平要強7 dB；

扇區夾角130度時，下傾角7、8比5、6的覆蓋距離長70 m，中心電平也強8 dB，都比下傾9、10覆蓋距離遠中心電平強。

（2）150 m站軌距，選取正儀立交基站。

扇區夾角70度時，覆蓋距離和扇區夾角中心電平基本相同，兩組下傾效果差不多；

扇區夾角90度時，下傾角7、8的覆蓋距離比9、10的遠310 m，但中心電平卻低5 dB；

扇區夾角110度時，下傾角4、5和7、8覆蓋距離差不多，中心電平相差4 dB，都比下傾9、10覆蓋距離遠340 m，但電平弱5 dB左右。

3.3 驗證總結

經過5G糾偏特性開通，5G HyperCell特性小區合并，接入類和切換類特性參數優化，現場對5G站點的方位角及下傾角優化，使高鐵場景5G網絡體驗達到最優，最后對高鐵5G進行對比測試，復測后覆蓋和下載速率提升明顯，其中蘇州至昆山南RSRP均值由優化前的-100.6 dBm提升至-90.6 dBm，提升9.67 dB，詳見表3。SINR均值由優化前的11.57 dB提升至16.2 dB，提升4.63 dB，由于覆蓋及質量的顯著提升，調度及速率大幅提升，平均速率由優化前的15.36 Mbps提升至285.71 Mbps，提升270.35 Mbps。8T覆蓋的建設方案和5G糾偏特性、5G HyperCell特性等優化設計完美結合，最終實現5G高鐵感知發生質的飛躍。

表3 高鐵5G測試結果對比

4 結束語

蘇州聯通高鐵5G試驗網，通過多普勒頻偏特性開通、5G HyperCell特性小區合并、不同站軌距、站間距的合適方位角下傾角的多角度驗證優化，在全面分析的基礎上形成清晰的5G高鐵感知優化思路，將8T覆蓋的建設方案和5G糾偏特性、5G HyperCell特性等優化設計相結合，實現5G高鐵感知快速提升。但由于高鐵場景建網初期，高鐵特性的使用效果受限于5G建設規模，5G站點在不連續覆蓋的情況下只能進行本站2扇區合并才有較好的效果，超過600 m站間距不能保證5G高鐵連續覆蓋，連續覆蓋路段站軌距超過150 m高鐵感知會出現下降。后續建議一是要加大高鐵5G站點建設，二是繼續對5G糾偏特性、5G HyperCell特性、接入類和切換類特性參數進行深入研究，挖掘5G高鐵感知優化新思路和新方法，為5G高鐵密集組網感知優化奠定基礎及儲備技術。