5G无线网络在高铁场景下的规划及方案论述

    

    

    

    摘 要：做好高铁场景的5G无线网络信号覆盖是一种挑战，通过对高铁场景的复杂性描述，说明了5G无线网络信号覆盖该环境下存在的难度，分析研究了高铁场景的网络架构、站址规划等，提出了5G网络在高铁场景下的站点参数、天线选择参数设定方案，为实际应用提供理论依据。

    关键词：5G无线网络;高铁场景;网络规划;多普勒频移;网络架构;站址规划

    中图分类号：TN929.53 ?文献标识码：A

    Abstract：It is a challenge to do a good job in 5G wireless network signal coverage of high-speed railway scene.By describing the complexity of the high-speed railway scene，the difficulty of 5G wireless network signal coverage in this environment is illustrated.The network architecture and site planning of high-speed railway scene are analyzed and studied，and the site parameters and antenna selection parameter setting scheme of 5G network in high-speed railway scene is proposed，which provides theoretical basis for practical application.

    Key words：5G wireless network;High-speed rail scenario;Network planning;Doppler shift;Network architecture;Site planning

    目前，高铁技术已经得到广泛应用，国内的三大运营商已经开始试点5G无线网络在高铁场景下的部署和规划，在移动通信的网络覆盖中，高铁场景相对于其他的交通场景来说，比较复杂，它的密封性比较好、车速非常的快，旅客也比较密集，铁路沿线各种多元化的环境都会表明5G无线网络信号的覆盖是一大难题。

    1 场景分析

    1.1 车速和多普勒频移

    我国的高速铁路列车速度可达300km/h—500km/h，该速度必然会引起接收端的接收信号的频率不一样，变化的幅度和高铁运行的快慢有关，因此多普勒频偏决定着设备的高速移动。对接收机来讲，即相当于一个时变的频率对原有接收信号调制。列车的移动速度越快，频率的变化越大，导致快速移动基站的信号频率接收系统性能的下降，快速移动引起的频率变化对于接收机的解调性能提升带来诸多困难。

    1.2 车体穿透损耗

    新型高速铁路列车采用全封闭车厢结构，车体结构为钢材或铝合金等材料，且车窗玻璃较厚，基站信号在穿透车体进入车厢内的衰减较大，无法满足最小覆盖接收电平，通常天线方向与铁路沿线的夹角较小，导致穿透损耗更大。信号穿入车厢的入射角不同，穿透损耗就不同[2]，信号垂直入射时的穿透损耗最小。当基站的垂直位置距离铁道较近时，覆盖区边缘信号进入车厢的入射角小，穿透损耗大[3]，根据信号入射角与穿透损耗关系实测结果图不难看出，入射角值应控为大于10度，这样可大幅降低损耗值，如图1和图2。

    1.3 频繁切换

    在高铁场景下，高速移动的列车在越切换区停留的时间很短，有可能小于系统切换时长，或在较短时间内进行多个小区的频繁切换，从而引起小区的频繁切换，导致终端吞吐量下降，甚至造成业务中断[4]，进而整个网络的性能受到影响，高鐵场景下频繁切换和速率对比如图3：

    如何解决以上描述的频繁切换问题，一方面要延伸单小区的覆盖范围，一方面要将相邻若干个子小区合并为一个小区，这样在同一小区内不存在切换[5]，小区间的切换由于覆盖范围延伸，预留了切换带，保证切换成功的概率提高，从而在整个路段减少了切换的次数，降低了切换失败的可能性，小区合并后切换如图4：

    2 高铁场景5G网络规划

    2.1 NSA/SA网络架构

    在5G网络部署过程中，需要从组网架构、场景覆盖、关键产品特性及业务保障等多个维度来综合考虑组网策略，在保证5G网络按计划组网的同时，兼顾4G网络性能，目前高铁场景下还未实现大规模5G网络覆盖，仍然依靠4G网络实现语音及数据的传送。5G的网络架构主要分为NSA和SA两种模式，NSA组网模式利用现有4G网络为锚点，利用4G网络传送控制信令，业务数据则通过5G传送;SA组网模式则是控制和数据都在5G网络上传送，不需借助4G网络。高铁场景下的网络覆盖，通常会在已实现全国性覆盖的情况下再去部署，网络建设成本较高，因此为了后期NSA再升级至SA网络产生的额外投资，高铁场景下的5G网络应一步到位，建议在网络建设初期就选择SA组网模式。

    2.2 明区间站址规划

    明区间即高铁隧道外部分，合理的站址规划是保证网络覆盖的基础，也是保证高铁专网业务感知的必要条件。对站址规划进行合理性审核是高铁优化工作的重要组成部分。在实际应用中，根据RRU发射功率、解调门限、建模参数，计算得出最大的覆盖范围。目前5G网络主流频段为2.6GHz及3.5GHz，小区内站间距为覆盖半径的两倍，小区间站间距小于覆盖半径的两倍，那是由于为了增加切换成功率，在小区间增加了切换带，一般为200米左右，根据高铁场景传播模型进行链路预算得出的站间距[6]如表2：

    对于直线轨道，高铁沿线相邻站址宜交错分布在铁路两侧，形成“之”字型布局如图5所示，有助于改善切换区域，有利于车厢内两侧信号强度的均衡[7]。对于拐角区域，站点位置应选择在拐角内侧，有助于减小基站覆盖方向和轨道方向夹角，减小多普勒频移的影响[8]。

    2.3 暗區间站址规划

    暗区间即高铁隧道内部分，覆盖方式主要采用红线内建设方式，覆盖用杆、塔、机柜及设备安装选择在场坪建设，以保证信号无缝连续覆盖[9]。可以根据现场条件，选择RRU拉远+漏泄电缆方式、隧道口尾巴天线延伸覆盖等多种方式实现信号覆盖。对于传统的2G/4G覆盖，采用的泄露电缆通常为13/8"的泄漏电缆，但由于5G室内覆盖采用3.5GHz的频段，需要采用新型的5/4"泄漏电缆系统，或采用最新的4T4R贴壁天线，在满足了隧道安全的基础上实现4流Massive MIMO。

    对长度超过500米的隧道，内部一般隔500米会有一个洞室，2G/4G网络的RRU设备分别安装在洞室，信号通过POI设备后沿漏缆向两侧分布[10]。但对于采用3.5GHz频段的5G网络，新型漏缆能否达到覆盖250米的距离还是个未知，这就需要根据链路预算结果进行分析，考虑到泄露电缆百米损耗及耦合损耗、车厢损耗、接头损耗、POI插入损耗及干扰余量等因素，得出该频段下的链路预算结果如表3：

    根据上表结果可知，若采用2G/4G网络的覆盖方式，即在间隔500米的洞室安装RRU，覆盖半径应达到250米以上，而上表的覆盖半径仅为175米，因此无法实现5G信号的覆盖。

    而实际应用中，长隧道覆盖的情况较为常见，如何解决有效覆盖这一问题，有两种方法可供参考，第一个，采取降低覆盖质量而获得覆盖效果的方式，例如降低边缘速率;第二个，高铁隧道一般双侧都有洞室，可采用双侧隧道壁布放双漏缆的方式，延伸了覆盖范围，这两种方法使用场景和优缺点各不相同，第一种造价低易于实现，适合在覆盖要求低的区域，第二种信源增加投资较高，适宜在重点覆盖区域。

    3 5G网络在高铁场景下方案研究

    3.1 站点参数的设定

    在高铁场景下，基站距离高铁轨道的距离与入射角有关，即天线与轨道之间的夹角，角度越小，穿透损耗就越大，因此一般入射角不能小于10度，为避免过小的入射角，基站与轨道距离建议为100米到300米之间。天线挂高：高铁规划中的天线挂高为天线相对于轨面的垂直高度，高铁专网基站天线挂高相对铁轨高度建议为15—25米左右，同时应保证天线与轨面视通。

    3.2 天线的选择

    铁路属于狭长地形场景覆盖，为了增加单站的覆盖距离，当站轨距小于150米时，可以根据站间距情况采用高增益窄波瓣天线增益为21dbi，水平波瓣为33度天线。为了减少窄波瓣天线带来的塔下黑影响，站轨矩大于150m的站点建议优先选择18dbi、水平波瓣65度天线。有拐角弧度的区域站点需建设在弧度内侧，并采用65度天线。外部干扰或站间距、站轨矩有特殊要求的，也可以考虑使用24度窄波瓣天线，同时考虑减少平台占用降低铁塔的租费，可选择多频电调天线将原有系统天面整合腾出安装空间，多频天线支持的频段范围包括了TDD-LTE的F、D频段及FDD900、FDD1800频段，5G系统单独新增8T8R高增益窄波束天线。

    4 结语

    随着日益更新的科技发展，智能化的普及越来越广泛，对网络的要求也越来越高，在这种需求的推动下5G网络诞生了。目前5G网络正在紧张建设中，但高铁场景还未大规模部署，本文结合高铁场景下遇到的一些网络规划和建设方面的问题，分析了问题产生的原因，提出了部署5G网络规划和建设方案的一些建议，借助5G网络低时延、高带宽的特性，定会提升高铁用户的网络体验。

    参考文献：

    [1]林佳锋.基于LTE系统的高速铁路专网覆盖及优化问题研究[D].江苏：南京邮电大学，2015.

    [2]刘方森，李寿鹏，李方村，等.TD-LTE高铁覆盖方案研究与测试[J].电信工程技术与标准化，2015（2）：25-29.

    [3]吴广量.高铁场景下电信CDMA<E无线网覆盖设计[J].中国新通信，2015（18）：106.

    [4]李颖.4G网络覆盖分析及解决方案[J].通讯世界，2016（24）：3-4.

    [5]李树磊，樊毅.LTE高铁覆盖建设方案分析[J].邮件设计技术，2018（1）：76-81.

    [6]陈华东.5G无线网络规划以及链路预算[J].信息通信，2016（24）：3-4.

    [7]梅士华，王广增.高铁LTE-TDD-FDD融合组网应用及研究[J].数字技术与应用，2018（1）：24-27.

    [8]张文婷.LTE高铁网络覆盖组网解决方案研究与应用[D].吉林：吉林大学，2015.

    [9]李光文，唐路，沈虎.高铁4G网络建设情况及主要问题探讨[J].通信与信息技术，2017（6）：43-45.

    [10]王升龙.探析5G基站规划建设的难点[J].通讯世界，2019（7）：184-185.

    作者简介：袁晨辉（1988—），男，汉族，陕西咸阳人，本科，通信工程师，研究方向为无线通信。