高速環(huán)境下5G覆蓋惡化應(yīng)對(duì)策略研究

摘要：隨著5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)和終端滲透率的提高，高速移動(dòng)環(huán)境下的5G覆蓋已經(jīng)成為一種常見(jiàn)場(chǎng)景，但同時(shí)也帶來(lái)了5G無(wú)線覆蓋質(zhì)量的惡化。本文首先重點(diǎn)介紹了三種技術(shù)手段，以克服高速移動(dòng)環(huán)境下的5G覆蓋惡化，再以此技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)高鐵、磁懸浮等高速移動(dòng)環(huán)境下的5G組網(wǎng)方案進(jìn)行分析和探討，并對(duì)5G基站上車方案進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：5G；高速移動(dòng)環(huán)境；無(wú)線覆蓋；組網(wǎng)方案

一、引言

近幾年，隨著全國(guó)高速鐵路的快速建設(shè)和發(fā)展，以及高鐵、磁懸浮等一些高速交通工具的應(yīng)用，高效率出行已成為今天人們?nèi)粘３鲂械氖走x。但在高速移動(dòng)環(huán)境下的5G覆蓋質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)惡化，主要有以下幾點(diǎn)原因：

①終端高速移動(dòng)時(shí)多普勒頻偏大，影響終端接入，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致語(yǔ)音掉話或數(shù)據(jù)掉坑；

②與2G、4G頻段相比，5G工作頻段較高，站址間距進(jìn)一步縮短，高速移動(dòng)環(huán)境下終端切換更為頻繁且切換時(shí)間短，切換成功率不高，導(dǎo)致信令負(fù)荷加重、掉話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶感知的網(wǎng)絡(luò)性能下降；

③覆蓋高速干線（高鐵或磁懸浮）的專用小區(qū)和周邊小區(qū)存在同頻干擾，導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生相對(duì)相位差，影響SINR值和終端業(yè)務(wù)速率。

目前，隨著高鐵不斷提速，運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)350公里/小時(shí)，磁懸浮時(shí)速達(dá)431公里/小時(shí)，加之5G工作頻段高、頻率資源緊張，導(dǎo)致上述問(wèn)題尤為突出。本文將通過(guò)三種技術(shù)手段來(lái)克服上述難題，并基于此對(duì)組網(wǎng)方案進(jìn)行分析和探討，針對(duì)不同周邊環(huán)境給出組網(wǎng)方案建議，以更為靈活的方式實(shí)現(xiàn)高速環(huán)境下的5G良好覆蓋，提升用戶5G體驗(yàn)，這對(duì)于鞏固我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)先地位具有重要意義。

二、克服高速移動(dòng)環(huán)境下5G覆蓋惡化的方法

（一）5G上行頻譜估計(jì)校正，下行預(yù)糾偏技術(shù)可應(yīng)對(duì)多普勒頻移

1.多普勒頻移的產(chǎn)生

根據(jù)多普勒原理，高速移動(dòng)的車體內(nèi)接收機(jī)產(chǎn)生頻移的值主要與幾個(gè)因素相關(guān)：車輛行駛方向（即接收機(jī)移動(dòng)方向）、信號(hào)傳播方向的角度、車輛行駛速度（即接收機(jī)移動(dòng)速度）以及載波頻率。多普勒頻移公式如下所示：

其中，f是信號(hào)頻率，對(duì)于5G移動(dòng)通信基站或終端而言，上下行頻率相同，目前國(guó)內(nèi)5G主用的室外載波頻率一般是2.6GHz或3.5GHz；θ是角度，是接收機(jī)信號(hào)和接收機(jī)移動(dòng)方向夾角；v是車輛行駛速度；c是波速，（即3×108m/s）；

接收機(jī)在高鐵場(chǎng)景通信時(shí)頻移產(chǎn)生如圖1所示，接收到多普勒頻移后的頻率為fx；終端接近5G移動(dòng)通信基站時(shí)，fx為f＋fy，終端離開(kāi)5G移動(dòng)通信基站時(shí)，fx為f－fy。

結(jié)合上述分析來(lái)看，多普勒頻移效應(yīng)最大值是在接收機(jī)信號(hào)和接收機(jī)移動(dòng)方向夾角接近平角時(shí)。

2.頻偏估計(jì)與補(bǔ)償

多普勒頻移產(chǎn)生的頻偏會(huì)帶來(lái)了子載波間的干擾，從而抬升信道噪聲、降低信噪比，但也有可能增加載波符號(hào)間的相位偏差，對(duì)信道估計(jì)產(chǎn)生不利影響。由于頻偏和干擾，惡化的無(wú)線信道環(huán)境會(huì)降低接收機(jī)的調(diào)制性能，其影響程度與接收機(jī)的晶振品質(zhì)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，不同品牌的手機(jī)終端抗多普勒頻移的能力相差較大。

綜上所述，多普勒頻移對(duì)高速移動(dòng)的接收機(jī)的高階調(diào)制帶來(lái)的性能下降尤為明顯，即使接收機(jī)還能正常工作，一般也會(huì)產(chǎn)生2dB～3dB的高階調(diào)制的系統(tǒng)性能損失。

上行糾偏：通過(guò)將小區(qū)參數(shù)配置為“高速小區(qū)”，采用AFC算法進(jìn)行自動(dòng)頻率控制。

自動(dòng)頻率控制分為初始糾偏（粗調(diào)過(guò)程）和持續(xù)糾偏（微調(diào)過(guò)程）兩個(gè)過(guò)程。其中，gNB根據(jù)“隨機(jī)接入前導(dǎo)”檢測(cè)到的接入接收機(jī)的頻移，完成初始糾偏；gNB分析接收機(jī)的導(dǎo)頻信號(hào)，并進(jìn)行頻偏估計(jì)，再以其頻偏對(duì)接收機(jī)進(jìn)行持續(xù)糾偏，如圖2所示。

下行預(yù)糾偏：結(jié)合上行糾偏原理，根據(jù)5G移動(dòng)通信基站收集到的接收機(jī)上行頻偏量，預(yù)先對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

（二）Hyper Cell減少頻繁切換，降低合并小區(qū)的容量損失

在高速移動(dòng)環(huán)境下，終端用戶在多個(gè)物理小區(qū)（發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)TRP）間的切換更為頻繁，易引起吞吐率下降和掉話率上升。

Hyper Cell相同邏輯小區(qū)，將多個(gè)TRP物理小區(qū)合并為同一個(gè)邏輯小區(qū)，是基于上行信號(hào)判斷切換，源Hyper cell小區(qū)將數(shù)據(jù)包和調(diào)度參數(shù)傳給目標(biāo)Hyper cell小區(qū)，同一邏輯小區(qū)內(nèi)的TRP間免切換，以提高高速移動(dòng)用戶體驗(yàn)，如圖3所示。在同一邏輯小區(qū)中，所有物理小區(qū)識(shí)別碼應(yīng)設(shè)置為一個(gè)，所有物理小區(qū)PBCH和PDCCH采用聯(lián)合發(fā)送，相鄰物理小區(qū)的信號(hào)會(huì)疊加增強(qiáng)，同時(shí)也降低了彼此間的干擾；各TRP之間業(yè)務(wù)信道獨(dú)立，各TRP可獨(dú)立調(diào)度，業(yè)務(wù)容量等于多個(gè)TRP之和，確保TRP小區(qū)合并后容量不降低。

該方法通過(guò)減少小區(qū)數(shù)和切換次數(shù)，在增強(qiáng)下行覆蓋能力、減少掉話的同時(shí)，使小區(qū)容量基本不下降，有利于提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)效果。在多個(gè)TRP物理小區(qū)合并為同一個(gè)邏輯小區(qū)時(shí)，需按模3方式重新設(shè)置物理小區(qū)識(shí)別碼，以滿足不沖突、不混淆、最優(yōu)化和可擴(kuò)容的原則。

（三）波束輪詢技術(shù)，降低同頻干擾概率

與4G技術(shù)相比，5G可通過(guò)采用波束輪詢技術(shù)，以降低同頻干擾概率。

①LTE是持續(xù)在一個(gè)寬波束進(jìn)行發(fā)送，而NR可支持8個(gè)窄波束進(jìn)行輪詢發(fā)送，將干擾隨機(jī)化。

②LTE CRS持續(xù)發(fā)送，而NR無(wú)CRS，采用CSI-RS，在有用戶調(diào)度時(shí)才發(fā)送，大大減少了同頻干擾。

三、高速移動(dòng)環(huán)境下的5G覆蓋組網(wǎng)方案分析探討

除了克服5G覆蓋惡化，高速移動(dòng)環(huán)境下的5G覆蓋組網(wǎng)方案，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的影響也至關(guān)重要，需要綜合考慮和分析多方面因素，包括現(xiàn)有站址布局、現(xiàn)有4G組網(wǎng)情況、頻率規(guī)劃、錨點(diǎn)設(shè)置、周邊無(wú)線環(huán)境和容量需求等。

以高鐵覆蓋場(chǎng)景為例，5G覆蓋組網(wǎng)方案主要有是否采用專網(wǎng)覆蓋：

①借鑒當(dāng)前4G專網(wǎng)規(guī)劃，5G覆蓋沿用專網(wǎng)組網(wǎng)策略：當(dāng)前高鐵的4G覆蓋網(wǎng)絡(luò)基本采用專網(wǎng)覆蓋，4G專網(wǎng)覆蓋良好，沿線公專網(wǎng)主要站點(diǎn)相互獨(dú)立（有利于盡可能減少干擾）且分布較為合理，具備很好的專網(wǎng)組網(wǎng)條件；高鐵5G覆蓋采用專網(wǎng)覆蓋，繼承現(xiàn)網(wǎng)4G小區(qū)合并方式，可以盡可能減少高鐵用戶切換，并確保高鐵用戶良好體驗(yàn)。

②共址站建設(shè)優(yōu)先級(jí)：應(yīng)優(yōu)先保證專網(wǎng)建設(shè)，后期如同址有大網(wǎng)建設(shè)需求，為規(guī)避5G同頻干擾，建議大網(wǎng)根據(jù)實(shí)際覆蓋需求在周邊重新選址建設(shè)，對(duì)于只能同址建設(shè)的，方位角予以錯(cuò)開(kāi)（大于90度）。

③頻率規(guī)劃：4G保持公專網(wǎng)異頻；5G公專網(wǎng)同頻100M帶寬（異址），網(wǎng)絡(luò)側(cè)開(kāi)啟廣播窄波束輪詢功能，以降低同頻干擾概率；

同時(shí)也要看到，如對(duì)高鐵等高速干線以專網(wǎng)的形式進(jìn)行5G覆蓋也會(huì)存在如下一些問(wèn)題：

①同頻干擾難以完全消除：由于頻率閑置，5G專網(wǎng)與非專網(wǎng)采用同頻組網(wǎng)，盡管通過(guò)站址布局優(yōu)化、波束輪詢等技術(shù)手段進(jìn)行了適當(dāng)?shù)匾?guī)避，但同頻干擾在一定范圍內(nèi)仍會(huì)存在；

②對(duì)周邊覆蓋帶來(lái)不確定性影響：如某些城市高鐵附近有重要高速公路（如機(jī)場(chǎng)或高速等），專網(wǎng)小區(qū)也會(huì)成為周邊重要道路的主覆蓋小區(qū)，因此，在保證高鐵覆蓋以專網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，周邊重要道路上的用戶存在較大的切入切出風(fēng)險(xiǎn)（專網(wǎng)小區(qū)與周邊小區(qū)的鄰區(qū)關(guān)系很難規(guī)劃）；

③專網(wǎng)覆蓋投資效益不高：由于高鐵等線路長(zhǎng)、穿透損耗大、沿線站址要求高（對(duì)站間距和站軌距要求苛刻），導(dǎo)致沿線基站大部分時(shí)間利用率不高。

綜上所述，對(duì)于高速干線（如高鐵、磁懸浮）的5G覆蓋，在考慮組網(wǎng)方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮覆蓋線路的周邊環(huán)境，采用更為靈活的方式：如對(duì)于市區(qū)內(nèi)容量需求大、高速干線速度相對(duì)較慢的區(qū)域，可以采用非專網(wǎng)的常規(guī)覆蓋方式；對(duì)于高速干線速度較快、周邊重要道路較多的近郊區(qū)域，可以采用使用Hyper cell小區(qū)合并技術(shù)后的非專網(wǎng)模式；對(duì)于高速干線速度快、遠(yuǎn)離市區(qū)的農(nóng)村和山野地區(qū)，可以采用基于4G站址的專網(wǎng)覆蓋模式。

四、結(jié)束語(yǔ)

高速移動(dòng)環(huán)境下的5G覆蓋會(huì)面臨諸多技術(shù)難題，本文通過(guò)頻譜估計(jì)校正和預(yù)糾偏技術(shù)，降低多普勒頻偏；設(shè)置Hyper Cell減少頻繁切換，降低合并小區(qū)的容量損失；用波束輪詢技術(shù)，降低同頻干擾概率。同時(shí)，本文對(duì)組網(wǎng)方案進(jìn)行了分析和探討，給出了結(jié)合無(wú)線環(huán)境和站址條件以及因地制宜的組網(wǎng)方案建議，以更為靈活的方式實(shí)現(xiàn)高速環(huán)境下的5G良好覆蓋，可以在一定程度上解決高速干線上的5G覆蓋難題。然而，無(wú)論是否采用上述技術(shù)手段和組網(wǎng)建議，該場(chǎng)景下對(duì)站址要求仍然很高（站址密度高、位置苛刻、投資大），對(duì)周邊大網(wǎng)的影響也難以完全消除，未來(lái)還可以考慮與線路運(yùn)營(yíng)方進(jìn)行深入合作，研究以基站上車的方式（如“5G+高通量低軌衛(wèi)星”），以解決高鐵、磁懸浮等高速移動(dòng)環(huán)境下的5G覆蓋。

作者單位：劉哲 李書(shū)德 袁杰 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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