5G时代高铁覆盖解决方案研究

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概述

截至2018年底我国高铁里程达2.9万km，2025年将达3.8万km，累计发送旅客人数已超70亿人次，在4G时代，各大运营商针对高铁覆盖属于品牌场景网络建设的重中之重。随着高铁用户规模增长及多样化的业务感知要求，在5G大规模建设和应用中，对5G高铁覆盖解决方案的需求是非常迫切的。5G高铁覆盖方案将面临诸多困境，如5G网络高频段、高功耗、高传输带宽需求、多普勒频偏、频繁切换、穿透损耗大等。本文针对高铁多种场景，研究并提出对高铁的5G覆盖解决方案和规划设计方法，指导快速推进5G时代的高铁覆盖及精品高铁网络建设。

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5G高铁覆盖重要性及技术难点

2.1 5G高铁覆盖的重要性

高铁建设全面铺开，快速化、信息化已成为趋势：中国高铁里程占全球60%，成为中国人出行第一选择，累计发送旅客人次已超70亿，年增长率超35%。在高铁信息化及高铁用户快速增长的趋势下，5G时代运营商需要针对高铁覆盖拟定针对性的方案，在网络覆盖及用户体验上形成优势。

高铁乘客特征和运营商价值客户高度重合，是运营商的网络品牌的重要展示窗口：高铁运输能力大，单车容纳能力高，且环境舒适，用户业务使用比例高，整体业务需求较其他场景大；高铁用户中商务人士乘坐比例高，高端客户占比大，对于提升网络品牌具有重要意义，是5G时代网络建设的重点。

2.2 5G高铁覆盖技术难点

高铁普遍存在的三大挑战：多普勒频偏、频繁切换、穿透损耗大。由于5G主力的3.5GHz频段频率高于4G， 5G时代高铁覆盖更加困难，5G网络覆盖解决方案需要重点关注站点规划与布局、系统切换重叠区域设计、频率纠偏等方面，实现更好网络性能。

2.2.1 多普勒频偏影响接收机解调性能

5G无线通信系统要求峰值移动性支持≥500km/h，高速移动下的多普勒频偏（接受信号频率会偏离基站侧中心频点）会影响接收机解调性能，多普勒频偏在5G网络影响更大，3.5G相对1.8G频偏增大一倍，在3.5GHz情况下，列车速度达到350km/h时，上行多普勒频偏将大于2.2kHz，因此，在高频段、终端高速移动状态下如何克服多普勒频偏是5G网络关键技术难点之一。多普勒效解决方案主要为通过基站设备纠偏算法，进行用户的频率纠正来消除多普勒频偏移带来影响。

表1 不同频段的上行最大多普勒频偏

2.2.2 超高速移动导致切换区不足及频繁切换问题

5G无线通信系统的系统可靠性需求为99.999%，端到端时延＜1ms，在列车时速350 km/h，切换区域超过90米，高速移动时所需要的重叠覆盖距离明显高于普通场景，且由于5G站距相对更小频繁切换问题明显。高铁速度350km/h、站距500米情况下，平均3s切换一次，终端用户在小区频繁切换，切换时带来的吞吐率体验下降明显，甚至掉话增加（如图1所示）。

图1 高铁小区切换示意

频繁的小区切换将极大降低用户的感知，成为5G网络关键技术难点之一。解决办法需要合理的无线网络规划和参数设置，实现更快的小区重选和合理的小区重叠区满足小区间切换要求，同时，通过小区合并可以减少小区间切换次数，提高速率性能及可靠性。

2.2.3 5G高频段的车体穿透损耗更大

5G无线通信系统的目前使用频段为3.5 GHz，自由空间损耗及车厢损耗较1.8 GHz频段高，其中自由空间传播损耗高6 dB，车体传播损耗高3~5 dB。CRH380A车厢整体穿透损耗平均值约20 dB，3.5 GHz频段穿透损耗更高约25 dB，不同车型采用材质差异，穿透损耗差异也很大（见表2），且基站到高铁的入射角越小，损耗越大，因此，在网络规划设计时入射角应控制在10°以上，基站到高铁最小距离为：80~200 m。

表2不同列车不同频段的穿透损耗（dB）

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高铁多场景覆盖规划方案

3.1 规划目标建议

目前阶段高铁主要以视频、游戏、社交、办公类等eMBB业务为主。根据4G高铁数据统计，高铁业务模型与大网eMBB类似，文字、图片带宽需求变化不大，视频业务占比56%左右，未来业务较长时间内仍以“高清视频”为核心，带动流量增长。

5G初期，eMBB主要以2K视频+智能手机、4K视频+HDTV/VR为主要业务（见表3）；其中2K视频是5G业务最小业务要求，高铁场景大部分时间处于200~350kmh高速运行，边缘速率规划建议按照4K视频业务需求：下行速率要求>50Mbps，上行速率可根据不同覆盖目标要求确定，初期建议UL>1Mbps，后续再分阶段考虑>5Mbps满足1080P视频上传要求。

高铁场景边缘速率规划建议：DL 50Mbps，UL 1 Mbps /5Mbps。

表3 eMBB业务带宽需求

3.2 链路预算分析

合理站址规划是网络质量基石，在网络规划选址既要充分考虑利用现有资源，同时也要考虑站址规划合理性。目前中国获取5G频谱资源为3500~3600 MHz， 根据业界内专家的初步评估，3.5 GHz频段的总损耗比1.8 GHz约大14 dB，主要表现在空间损耗、车厢穿透损耗及间隙发射带来损耗。基于目标边缘吞吐量的小区半径链路预算分析如表4所示，从表4可以看出，5G站址规划站距势必比4G网络更密。

表4 基于目标边缘吞吐量的小区半径链路预算

（2.5ms单周期）

从基于目标边缘吞吐量的小区半径链路预算分析，Cost-Hata模型与3GPP模型测算站距差异较大，按目前广东联通高铁4G现有存量站址站距600~800 m，至少需增加1倍以上站址方可满足5G网络覆盖要求，这对运营商来说是一项艰巨的任务，主要表现在站址选取、物业协调、工程建设、投资成本以及管道传输资源等方面。如何克服高频段损耗站点过密问题、降低建设成本，成为重中之重。

NR下行可以和LTE现网1:1共站，通过上下行解耦、DC双连接提升上行覆盖：从链路预算及速率满足情况来看，5G高铁覆盖主要表现为上行受限，小区边缘速率超过50Mbps，可以实现和4G现网站点1:1共站。从上行边缘速率情况来看，5G相对LTE FDD存在上行覆盖受限，需要上下行解耦或DC双连接提升上行覆盖，解耦后上行速率提升明显。小区实际覆盖半径可根据具体站点规划情况确定，在1:1基础上，进行个别站点补充满足规划目标。

图2给出了边缘吞吐率与小区半径的关系示意。

图2 边缘吞吐率与小区半径的关系

3.3 切换区域设计

由于5G无线通信系统的需求，系统可靠性为99.999%，端到端时延＜1ms，在列车时速达350 km/h，双向切换区域范围较大。终端用户在小区频繁切换，切换时带来的吞吐率体验下降明显，甚至掉话增加，因此，减少小区间切换是提升高铁用户体验感知的关键。

5G系统需要的切换重叠区域测算如图3所示，A过渡区为信号到满足切换电平迟滞（~2dB）需要的距离，并且考虑防止信号波动需重新测量而影响切换的距离余量。B切换区域：时延1为终端测量上报周期+切换时间迟滞，时延2为切换执行时延，包括信令面及数据面执行时延。

图3 切换重叠区域测算示意

合理的重叠覆盖区域规划是实现业务连续的基础，重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大会导致干扰增加，影响用户业务感知，实际规划中，根据网络参数配置及时延要求评估，进行合理的切换区域设计。考虑单次切换时，重叠距离= 2* (电平迟滞对应距离+切换触发时间对应距离+切换执行距离)。

以常用配置（切换测量及判决160ms、切换执行20ms）为例，不同列车速度对应的重叠距离需求如表5所示，5G网络的小区间重叠覆盖距离150m，可以满足小区间切换重叠覆盖区要求。

表5 不同列车速度对应的重叠距离需求

小区合并应用建议：根据4G网络经验，综合考虑大网用户的容量和性能，合理选择RRU共小区方案，是减少频繁切换、提高用户感知的有效方案。5G网络中也需要继续采用RRU合并解决切换问题，5G采用hypercell（相同逻辑小区）技术小区合并后，广播信道共小区，形成一个逻辑小区，其业务信道TRP可独立调度，容量无损，有效保障用户感知。

Hyper Cell：基站侧基于上行信号判断切换，用户在同一个逻辑小区内移动时不感知TRP变更。

3.4 高铁线路覆盖方案

线路站址规划：高铁线路覆盖站址建议以“之”字形布站，以最大限度保证列车两边座位都有比较好的覆盖，尤其是在列车会车的时候能保证车内通信质量最佳。

站轨距：据无线信号传播特点，信号入射角越小，穿损越大，通常建议入射角大于10度，考虑到天线水平波瓣在90度方向增益约为0dBi，为保证不出现塔下黑，根据链路预算，建议站点离铁轨距离不超过200m。

站高：站高设计需保证信号直射径能从列车玻璃穿透，减少信号从车顶穿透几率，天线相对铁轨高度在20~45m为宜；方位角：不同入射角对应的穿透损耗不同，入射角越小，穿透损耗大。实际测试表明，当入射角小于10°以后，穿透损耗增加的斜率变大，因此方位角设置中应保证天线与铁路夹角大于10°；下倾角：5G高铁场景天线下倾设置原则， 天线垂直波束最大增益方向指向边缘。

入射角与基站离铁轨的距离关系示意如图4所示。

图4 入射角与基站离铁轨的距离关系示意

建议相对站高在20～45m，站点离铁轨距离在35～120m，保证列车两边座位都有比较好的覆盖。

高铁线路覆盖设备选型建议：高铁场景中2T/4T无法满足一般站间距规划，8T可满足500~650m站间距覆盖，32T/64T可满足相对较大覆盖距离（见表6）。32T/64T理论上覆盖好于8T，容量高于8T，但小区合并、波束赋形算法难度更大、要求高，需要根据高铁线路场景及业务情况，并综合考虑成本、技术成熟度，确定建设方案，从目前厂家设备情况来看，8T方案的成熟度最高。

表6 不同类型设备覆盖对比

3.5 高铁隧道覆盖方案

高铁隧道由于隧道空间狭小，列车速度快，生产风压及安全性考虑导致无法采用常规天线覆盖，建议隧道内采用泄露电缆进行覆盖（见图5），两侧洞口采用定向天线朝外延伸，增大室外宏站与隧道区域的重叠覆盖带区域，保证切换的顺利完成。

图5 高铁隧道覆盖示意

表7给出了覆盖方案的对比。

表7 覆盖方案对比

漏缆及POI情况分析及建议：存量13/8漏缆规格无法支持3.5 GHz，最大截止频率为2.9GHz，无法满足5G演进，采用5/4漏缆可支持3.5GHz，优选2T2R漏缆方案。3.5GHz漏缆的2种部署方案，建议采用漏缆替换方案。

a) 800M~3.6G全带漏缆替换存量漏缆：无额外安装空间要求，对sub3G KPI存在恶化风险。

b) 新增3.5G only窄带漏缆：指标更好，不影响sub3G KPI，但有额外安装空间要求，安装位置导致穿损更大。

存量POI无法支持3.5GHz，也只支持2.6GHz频段60MHz，NR3.5GHz需新增或替换POI，建议隧道组网使用POI+漏缆，3家运营商共建共享，降低建设难度及成本。

3.6 高铁站厅覆盖方案

高铁站枢纽主要功能区包含站厅、站台、出入口等，场景空旷，但容量密度高，站厅、站台小区间干扰控制存在困难。从用户分布特点来看，高铁站大厅用户密度大，高铁运行时间段内人流巨大，且用户流动性强，大量用户随列车运行移动。从业务特征来看，高铁站厅是典型高流量区域，用户数密集、业务高热。

根据高铁站厅的场景特征，建议使用数字化室设备分进行覆盖，可选择新增3/4/5G多模数字化室分模块，或在现有传统DSA系统基础上，新增5G数字化室分模块混合部署(见图6)。

图6 高铁站厅覆盖示意

站厅使用数字化室分设备具备如下优势。

a) 高性能，提升用户体验，pRRU一根缆支持4*4MIMO，提升吞吐率与小区容量。

b) 光纤+网线，缩短施工周期；端到端可维可控，与宏站共网管，降低维护成本。

c) 支持软件扩容，无需硬件改造小区灵活劈裂，应对话务持续增长，保障用户体验。

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高铁覆盖解决方案建议

根据5G小区半径及链路预算分析，按目前广东联通高铁4G现有存量站址规模，至少需增加1倍站址才可满足5G网络覆盖要求，这对运营商来说是一项艰巨的任务，且建网成本无法承受。本文研究克服高频段损耗站点过密问题的方案，建议NR下行可以和LTE现网1:1共站，通过上下行解耦、DC双连接提升上行覆盖，在1:1基础上根据规划评估进行部分区域按需补充站点，满足规划目标。

高铁场景终端用户在小区频繁切换，切换时带来的吞吐率体验下降明显，减少小区间切换是提升高铁用户体验感知的关键。建议进行合理的重叠覆盖区域规划，并采用RRU合并解决切换问题，有效保障用户感知。

高铁完整覆盖解决方案包括线路、隧道、站厅，其中高铁线路覆盖站址建议以“之”字形布站，建议入射角大于10度，站点离铁轨距离不超过200m，天线相对铁轨高度在20~45m为宜，根据站轨距、高度、入射角规划设计合理的方位角及下倾角，保障覆盖效果。

建议隧道内采用泄露电缆进行覆盖，两侧洞口采用定向天线朝外延伸，增大室外宏站与隧道区域的重叠覆盖带区域，保证切换的顺利完成，详细评估当前POI、漏缆演进到5G条件限制，建议隧道组网使用POI+漏缆，3家运营商共建共享，降低建设难度及成本。

高铁站厅建议使用数字化室设备分进行覆盖，可选择新增3/4/5G多模数字化室分模块，或在现有传统DSA系统基础上，新增5G数字化室分模块混合部署。使用数据化室分设具备易部署、易维护、平滑扩容等优势。

参考文献

1、Vincent W.S.Wong、Robrt Schober、Derrich Wing Kwan Ng、Li-Chun Wang 《5G系统关键技术详解》 人民邮电出版社

2、Afif Osseiran、Jose F.Monserrat、Patrich Marsch《5G移动无线通信技术》 人民邮电出版社

3、沈嘉、索世强、全海洋、赵训威、胡海静、姜怡华《3GPP长期研究(LTE)技术原理与系统设计》 人民邮电出版社

4、杨峰义、张建敏、王海宁等《5G网络架构》，电子工业出版社

作者简介：

林铁力，工程师，本科，主要从事无线通信网的规划建设工作。

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