高鐵專網(wǎng)感知保障及智能優(yōu)化方案研究

文丨摘要：隨著高鐵網(wǎng)絡的快速拓展和5G通信技術的廣泛應用，改善高鐵乘客的網(wǎng)絡體驗已成為研究焦點。本文專注于高速鐵路專用網(wǎng)絡的智能化優(yōu)化，依托于大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）與5G技術的深度融合，提出了一系列創(chuàng)新性優(yōu)化策略。通過推動5G網(wǎng)絡在高鐵領域的快速部署，本文運用先進的智能天線技術，以及實施基于用戶速度識別的公網(wǎng)與專網(wǎng)動態(tài)切換策略，探索了多方面優(yōu)化途徑。同時，本文還深入研究了基于5G的虛擬道路測試技術和RRU級別的精確覆蓋定位方案，以顯著提升高鐵網(wǎng)絡的覆蓋范圍和用戶滿意度。通過實施多種智能化的優(yōu)化措施，本文旨在構建一個新型高鐵信息基礎設施，幫助安徽省融入長三角一體化發(fā)展進程。

一、引言

隨著2023年高鐵出行需求呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，安徽省高鐵乘客同比增長 120% 。然而，伴隨高鐵用戶數(shù)量的急劇增加，網(wǎng)絡體驗方面的投訴率也逐步上升，主要體現(xiàn)為網(wǎng)速欠佳、語音通話中斷等問題，這對高鐵用戶的感知體驗造成了嚴重影響。當前，高鐵專網(wǎng)的高質(zhì)量運行面臨諸多挑戰(zhàn)，主要集中于以下幾個方面：4G專網(wǎng)容量達到瓶頸；站址受限導致部分路段覆蓋薄弱；公專網(wǎng)協(xié)同不足，資源分配失衡；高鐵專網(wǎng)問題發(fā)現(xiàn)和定位效率低。

二、高鐵專網(wǎng)感知保障及智能優(yōu)化思路

本文旨在提升高鐵用戶感知，從“加快推動高鐵線路5G升級、解決站址原因引發(fā)的弱覆蓋、攻堅公專網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化、提升高鐵問題定位效率”等方面著手，在擴充高鐵專網(wǎng)容量的基礎上，對高鐵智能優(yōu)化方法予以優(yōu)化，以達成快速、高效定位并解決問題，進而提升高鐵用戶感知的目標[2]。

① 依據(jù)高鐵用戶良好感知速率，評估高鐵各線路4G專網(wǎng)可承載的用戶數(shù)量，規(guī)劃高鐵5G升級的優(yōu)先級，推動高鐵網(wǎng)絡開通5G專網(wǎng)。

② 引入融合多種新型智能天線的分場景方案[3，著力解決因大站間距、大站軌距引發(fā)的弱覆蓋問題，實現(xiàn)高鐵線路5G專網(wǎng)信號的連續(xù)覆蓋。

③ 研究公網(wǎng)用戶低速遷出、高鐵用戶高速遷入算法，提升公專網(wǎng)協(xié)同水平[。制定公專網(wǎng)覆蓋與調(diào)度的最優(yōu)策略，結合RF調(diào)整、參數(shù)優(yōu)化等手段，實現(xiàn)公專網(wǎng)分層覆蓋，降低公專網(wǎng)干擾影響，確保高鐵用戶占用更多高鐵專網(wǎng)資源。

④ 基于虛擬路測，通過軟硬件數(shù)據(jù)的應用，提高對高鐵網(wǎng)絡覆蓋及質(zhì)量情況的掌握效率；基于TRP概念的5G網(wǎng)絡RRU級覆蓋定位，精準識別合并小區(qū)內(nèi)的RRU級弱覆蓋、越區(qū)覆蓋、乒乓切換、重疊覆蓋等問題，提高問題定位效率。

三、高鐵專網(wǎng)感知保障及智能優(yōu)化方案

（一）推進高鐵網(wǎng)絡5G升級

1.建立4G頻段用戶數(shù)與感知速率關系

為優(yōu)化高鐵用戶的網(wǎng)絡體驗，首要任務是評估用戶常用業(yè)務對應的優(yōu)質(zhì)感知速率。一般而言，下行速率達到5Mbps可視為良好。基于網(wǎng)管統(tǒng)計所得的用戶數(shù)量與感知速率之間的關系，能夠推導出不同頻段可承載的用戶數(shù)量，從而為高鐵專網(wǎng)的優(yōu)化提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

2.規(guī)劃高鐵5G升級優(yōu)先級

結合現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡配置，以及節(jié)假日和日常用戶承載狀況，本研究提出了高鐵5G升級的優(yōu)先級規(guī)劃方

案。根據(jù)各線路的用戶數(shù)量和需求，優(yōu)先對京滬、合蚌、滬漢蓉、商合杭等重點線路進行升級，以保障高鐵用戶能夠率先享受到5G網(wǎng)絡帶來的高效網(wǎng)絡體驗。

（二）新型智能天線覆蓋方案

1.基于站址位置的高鐵天線選型

目前，高鐵覆蓋主要依靠普通基站板狀天線。然而，在地形復雜或站址受限的情況下，該類天線的性能難以滿足大站間距和大站軌距的覆蓋需求。本研究通過對比不同類型的天線，提出了適用于高鐵場景的智能天線選型方案。

基站板狀天線：適用于常規(guī)場景，可消除不同平臺導致的覆蓋差異，全面增強基礎覆蓋強度。

透鏡天線：適用于大站間距場景，能夠解決遠端弱覆蓋問題。

比薩天線：適用于大站軌距場景，可解決近端塔下弱覆蓋問題。

2.結合“兩距”打造天線實際應用模型

根據(jù)不同高鐵天線的覆蓋方向圖和實測數(shù)據(jù)，針對高鐵基站的不同站間距和站軌距，明確了各類天線的適用場景，為高鐵建設規(guī)劃中的天線選型提供了科學依據(jù)。針對大橋超遠覆蓋和站址選擇困難的特殊場景，如大站間距和大站軌距，綜合運用2228基站板狀天線、透鏡天線和比薩天線等多種天線類型，有效解決了無須新建站點的覆蓋難題，以保障高鐵5G網(wǎng)絡實現(xiàn)良好覆蓋，如圖1所示。

圖1不同天線類型在高鐵站間距與站軌距條件下的應用場景（三）基于精準計算用戶速率的公專網(wǎng)遷出遷入

公專網(wǎng)基站能夠?qū)崟r解析用戶上報的頻率偏移信息，通過精準計算用戶的移動速率，相應觸發(fā)遷入遷出門限，達成公網(wǎng)低速率用戶遷出專網(wǎng)、高鐵高速率用戶遷入專網(wǎng)的目標，以此保障高鐵專網(wǎng)用戶的使用體驗。

1.基于站址位置的高鐵天線選型

通過解析用戶上報的頻率偏置信息，基站可精準計算用戶的移動速率，并據(jù)此觸發(fā)公專網(wǎng)的遷入遷出策略。根據(jù)高鐵基站的線性組網(wǎng)架構與天線參數(shù)，計算不同角度和頻率下的頻率偏移值，進而識別用戶的移動速率，確保高速率用戶優(yōu)先占用高鐵專網(wǎng)資源。

頻偏計算公式如下：

其中， f₀ 表示信號的原始頻率， ∣c∣ 表示光速， ν 相對速度（如用戶移動的速度）。根據(jù)高鐵基站線性組網(wǎng)架構，線網(wǎng)平均天線絕對掛高、站間距、站軌距基本一致，計算 θ 角在 2.4^° 和 9.5^° 之間。

2.低速遷出策略

當公網(wǎng)用戶占用高鐵專網(wǎng)資源時，會致使專網(wǎng)無線資源減少，進而對專網(wǎng)用戶的業(yè)務感知質(zhì)量產(chǎn)生影響。為解決該問題，基站可通過實時監(jiān)測用戶的頻偏信息，精準識別低速移動用戶。若識別為低速用戶，系統(tǒng)將借助重定向功能將該用戶從專網(wǎng)遷出，使其返回公網(wǎng)。此策略能夠有效釋放專網(wǎng)資源，保障高鐵用戶在高速移動場景中的優(yōu)先使用權，從而提升高鐵專網(wǎng)的整體服務效能。

3.高速遷回策略

當高速移動的高鐵用戶從專網(wǎng)脫網(wǎng)并接入公網(wǎng)時，由于公網(wǎng)未啟用高速特性，可能會引發(fā)覆蓋不連續(xù)、乒兵切換頻繁等狀況，甚至出現(xiàn)掉話或卡頓等問題。為此，公網(wǎng)基站可通過識別用戶的頻偏信息，精準判斷其是否為高速高鐵用戶。一旦確認，系統(tǒng)將利用重定向功能將該用戶遷回專網(wǎng)，以確保高速用戶在高鐵場景中的網(wǎng)絡穩(wěn)定性與服務質(zhì)量。

4.多手段解決公專網(wǎng)干擾

（1）公網(wǎng)小區(qū)降功率或限制RB，開啟波束級協(xié)同特性

當高鐵小區(qū)識別到列車抵達時，借助 Xn 鏈路協(xié)同機制，通知周邊公網(wǎng)鄰區(qū)降低發(fā)射功率或限制資源塊（RB），以此降低重疊覆蓋或干擾資源碰撞的概率，進而提升高鐵5G通信體驗。

（2）公網(wǎng)帶寬縮至60M或 80M ，專網(wǎng)SSB位置移頻

若對沿線共站址公網(wǎng)小區(qū)的容量評估顯示無壓力，可將公網(wǎng)帶寬縮頻至 60M ；同時，將專網(wǎng)同步信號塊（SSB）位置調(diào)整至D2，與公網(wǎng)SSB位置進行差異化設置，以降低參考信號覆蓋干擾問題。

（3）優(yōu)化公專網(wǎng)分層覆蓋方案

針對公專網(wǎng)共址站點的干擾問題，可通過天線水平空間分離、天線上下空間分層以及抱桿位置前后整改等方式，規(guī)避公專網(wǎng)之間的干擾。

（四）高鐵干線虛擬路測

1.高鐵用戶識別

鑒于當前5G網(wǎng)絡上報數(shù)據(jù)中高精度定位采樣點的缺失，難以直接依據(jù)定位信息判定用戶是否為高鐵用戶。有鑒于此，在高鐵網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點（如車站、地市邊界、隧道等）設置高速用戶判決點，連續(xù)觸發(fā)多個判決點的用戶將被認定為高鐵用戶。通過預估用戶移動速度，并以 150km/h 作為閾值，剔除高速并線用戶。具體步驟如下：

① 設置網(wǎng)絡關鍵識別點。在高鐵專網(wǎng)上，人為設定多個網(wǎng)絡關鍵識別點，以位置更新帶為主，小區(qū)間切換帶為輔。

② 基于高鐵基站間距離以及對應基站信號時長，估算用戶移動速度。

③ 依據(jù)用戶識別規(guī)則，結合用戶經(jīng)過的網(wǎng)絡關鍵識別點數(shù)量和移動速度，可判定用戶是否為高鐵用戶。若用戶連續(xù)經(jīng)過多個（超過20個）網(wǎng)絡關鍵識別點，且移動速度顯著大于150公里／小時，則該用戶被判定為高鐵用戶。若用戶僅經(jīng)過少量識別點（最多10個），且速度接近150公里／小時，則可能被判定為高速用戶。當用戶僅經(jīng)過1～2個網(wǎng)絡關鍵識別點，且移動速度遠低于150公里/小時，則認定該用戶為公網(wǎng)用戶。

2.高鐵干線擬合與網(wǎng)絡質(zhì)量評估

本文通過時間序列填充與高鐵地理線路擬合，基于識別的高鐵用戶數(shù)據(jù)構建高鐵線路的網(wǎng)絡覆蓋模型。結合RSRP和SINR等網(wǎng)絡質(zhì)量指標，識別網(wǎng)絡中的弱覆蓋點和質(zhì)差點，采用人工智能算法優(yōu)化調(diào)度，輸出網(wǎng)絡質(zhì)量提升建議。

（五）RRU級覆蓋定位方案

本文基于瞬態(tài)響應特性（TRP）的5G射頻拉遠單元（RRU）級覆蓋定位方案，能夠快速定位高鐵合并小區(qū)RRU級別的弱覆蓋、越區(qū)覆蓋、乒乓切換、重疊覆蓋等問題，有效解決合并小區(qū)內(nèi)覆蓋問題難以定位的困境，為高鐵5G網(wǎng)絡優(yōu)化提供智能化、精細化的分析手段。

1.網(wǎng)管與路測數(shù)據(jù)抓取

高鐵專網(wǎng)的優(yōu)化需將網(wǎng)管數(shù)據(jù)和路測數(shù)據(jù)相結合。通過創(chuàng)建跟蹤標識（TraceID）跟蹤任務，可同步采集實時網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。

2.二維擬合呈現(xiàn)RRU地理化覆蓋

借助前后臺“時間 + 空間”數(shù)據(jù)的對應關系，運用二維擬合算法，對實時后臺網(wǎng)管跟蹤數(shù)據(jù)和前臺終端測試數(shù)據(jù)進行地理化輸出，從而實現(xiàn)RRU級覆蓋問題的精準呈現(xiàn)?；诰W(wǎng)管TraceID單用戶跟蹤 +TRP 拓撲呈現(xiàn)，無須進行網(wǎng)管拆分操作，即可隨時對RRU級覆蓋進行評估，縮短評估周期，且實施方式靈活。

3.工具自動化分析

運用TRP覆蓋分析工具，實現(xiàn)6大類優(yōu)化問題的批量自動化輸出。

TRP乒乓切換：若在同一個60秒內(nèi)，相同的物理小區(qū)標識（PCI）下，TRPX作為服務TRP的次數(shù)達到或超過3次，則判定發(fā)生了TRP乒乓切換。若連續(xù)駐留在某個TRP上，則記為1次駐留。

TRP越區(qū)覆蓋：當TRPX與服務TRP的參考信號接收功率（RSRP）差值在6dB以內(nèi)，且累積時長達到5秒時，則判定發(fā)生TRP越區(qū)覆蓋。

TRP覆蓋不足：若TRPX的最強RSRP與小區(qū)的最強RSRP差值大于或等于 20dB ，則判定該TRP的覆蓋不足。

TRP方位角過?。寒敺誘RPX的最強RSRP在衰減 20dB 的過程中，所用時間小于1秒時，則判定該TRP的方位角過小。

TRP切換不及時：當服務TRP的探測參考信號（SRS）RSRP低于其他TRP1dB的連續(xù)時間超過640毫秒時，則判定TRP切換不及時。

TRPID模數(shù)不滿足：當TRPID模6的余數(shù)相同且相隔小于等于1個TRP時，若中間存在相同TRPID的數(shù)值，則判定TRPID模數(shù)不滿足。

4.問題清晰化呈現(xiàn)

對合并小區(qū)內(nèi)的RRU占用情況進行可視化展示，進而精準輸出優(yōu)化方案，精確評估優(yōu)化前后的效果。

四、應用推廣成效

在5G升級優(yōu)先級的指引下，持續(xù)推進安徽省內(nèi)京滬、合蚌、滬漢蓉、商合杭、合安九等高鐵線路的5G網(wǎng)絡升級。通過應用透鏡天線與比薩天線，成功解決240余處覆蓋問題；借助5G虛擬路測技術，排查并解決200余處網(wǎng)絡問題；運用5GRRU級覆蓋定位技術，精準定位并解決70余處RRU級覆蓋問題。此外，完成了915處公專網(wǎng)的干擾優(yōu)化調(diào)整，平均SINR提升了13dB。經(jīng)過對各類定位問題的閉環(huán)處理，網(wǎng)絡覆蓋率提升了1.5個百分點，上網(wǎng)速率提高了 31% 。

全網(wǎng)還啟用了基于高低速用戶識別的公專網(wǎng)遷出遷入功能，整體高鐵用戶數(shù)增長3.75個百分點，業(yè)務量提升2.48個百分點，為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的5G網(wǎng)絡服務。

五、結束語

本文針對高鐵4G專網(wǎng)容量瓶頸、大站間距與大站軌距導致的弱覆蓋、公專網(wǎng)協(xié)同不足引發(fā)的資源分配失衡，以及高鐵專網(wǎng)問題發(fā)現(xiàn)與定位效率低下等問題，提出了加速高鐵5G升級的解決方案。通過創(chuàng)新性研究與應用多種智能優(yōu)化手段，如智能天線、基于高低速用戶識別的公專網(wǎng)遷出遷入、5G高鐵干線虛擬路測、5GRRU級覆蓋定位等，有效化解了高鐵網(wǎng)絡中的難題，提升了用戶的網(wǎng)絡體驗。

本研究通過智能化與信息服務融合的創(chuàng)新性實踐應用，以新型基礎設施建設為切入點，促進并吸引擴大有效投資、穩(wěn)定經(jīng)濟增長，在推動安徽信息通信業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的同時，助力數(shù)字安徽建設躋身全國前列。

作者單位：喬珺李蒙王宇軒戴明艷蔣勇楊冉冉中國移動通信集團安徽有限公司

參考文獻

[1]NetworkEUTRA.3rdGenerationPartnershipProject;TchnicalSpecificationGroupRadioAccessNetwork;EvolvecUniversalTerrestrialRadioAccess（E-UTRA）andEvolvedUniversalTerrestrialRadioAccessNetwork[J].2006.

[2]趙洪偉，謝永芳，劉建華，等.5G高鐵專網(wǎng)部署優(yōu)化策略及應用技術研究[J].鐵道標準設計，2023，67（01）：8.

[3]趙瑞鋒，談振輝，蔣海林.無線系統(tǒng)中的智能天線[J].電子學報，2000，28（12）：77-80.

[4]劉克清，趙墨穎，周俊，等.5G公專網(wǎng)協(xié)同場景的速率算法優(yōu)化[J].電信工程技術與標準化，2023，36（03）：63-69.

[5]李曉華，王宗茹，趙顧良.一種4G，5G 公專網(wǎng)融合集群通信方法及系統(tǒng)CN202110685835.5[PJ.2022-12-23.