高鐵場景的5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化

董帝烺 杜丕加 許紹松

【摘? 要】為了做好高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃及優(yōu)化，介紹了5G在高鐵場景面臨的挑戰(zhàn)，研究了高鐵場景的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、天線選擇、站點選擇等方面的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，分析并給出覆蓋、切換、隨機接入方面的參數(shù)優(yōu)化建議。

【摘? 要】高鐵;5G;多普勒效應(yīng);大規(guī)模MIMO;網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

1? ?引言

2018年5G標(biāo)準(zhǔn)的R15版本凍結(jié)，三大運營商開始在試點城市進行組網(wǎng)規(guī)劃、驗證測試、商用部署。中國聯(lián)通把高鐵列入重點口碑場景，建設(shè)了高鐵3G和4G網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過多年的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，高鐵的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到較高的水平。通過高鐵出行的人群同樣是5G的重要目標(biāo)客戶，為了提升運營商品牌形象，高鐵場景下的5G網(wǎng)絡(luò)也同樣需要具有良好的覆蓋質(zhì)量。

2? ?5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋在高鐵場景面臨的挑戰(zhàn)

在移動通信的網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，高鐵場景一直是一個很復(fù)雜的場景。高鐵列車的封閉性很好、列車速度很快、用戶集中、高鐵沿線網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景的多樣化等特征使得5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋在高鐵場景中存在一些挑戰(zhàn)。

2.1? 傳播損耗和穿透損耗更大

目前5G NR的主流頻段在C波段，以中國聯(lián)通分配的頻段為例，5G使用的主要頻段為3.4 GHz～3.5 GHz，這個頻段比現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)1.8 GHz的頻段高了一倍。根據(jù)傳播損耗和頻率成平方反比的關(guān)系，從理論上來說，3.5 GHz頻段的傳播損耗比1.8 GHz頻段高5.8 dB。

穿透損耗與網(wǎng)絡(luò)使用的頻率沒有明確的線性關(guān)系，但對于同一介質(zhì)來說，穿透損耗是隨著頻率的增加而增加。車廂型號不同對應(yīng)的穿透損耗也不同，復(fù)興號全封閉的新型列車就會比普通高鐵列車穿透損耗更大。從實際測試的情況來看，高鐵列車的穿透損耗達(dá)到了33 dB～36 dB，如表1所示：

在3.5 GHz頻段下，5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵場景有更大的傳播損耗和車體穿透損耗。特別是高鐵列車是線狀覆蓋，如果基站與高鐵列車的入射角更小，信號還會更差。

2.2? 多普勒效應(yīng)帶來的頻偏

我國的高鐵列車速度可高達(dá)300 km/h～500 km/h，這么快的速度會產(chǎn)生多普勒頻移，導(dǎo)致基站的發(fā)射和接收頻率不一致。高鐵的速度越快，頻偏也越大，這將導(dǎo)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(diào)性能的提升是一個極大的挑戰(zhàn)。圖1為高鐵多普勒效應(yīng)：

多普勒頻移計算公式如式（1）所示：

fd=f0/c×v×cosθ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，c表示光速，取值為3×108 m/s，v表示UE的移動速率，θ表示UE相對于基站的運動方向與基站信號傳播方向的夾角。從公式（1）可以看到，當(dāng)UE與基站間的相對移動速度越大，多普勒頻移越大。通過計算可以得到表2，5G網(wǎng)絡(luò)中，基站接收到UE的頻偏比LTE網(wǎng)絡(luò)高很多，已經(jīng)高于pleamble的子載波間隔（1.25 kHz）。

多普勒頻移將使接收頻率偏移，產(chǎn)生OFDM符號內(nèi)和符號間干擾，嚴(yán)重時會造成接收方無法解調(diào)出發(fā)送方的發(fā)射數(shù)據(jù)，最終造成UE無法接入網(wǎng)絡(luò)。若UE無法支持對應(yīng)頻率和速度下的頻偏范圍，將會導(dǎo)致UE入網(wǎng)困難、KPI惡化以及吞吐率下降等性能問題。

2.3? 用戶集中多，容量需求大

目前乘坐高鐵的用戶越來越多，每當(dāng)高鐵過境時，覆蓋高鐵的基站用戶數(shù)劇增，移動網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷瞬間飆升。以現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)來說，在高鐵列車過境時，RRC連接用戶數(shù)瞬間飆升了100多個，導(dǎo)致瞬間的PRB利用率過高，基站負(fù)荷過高，用戶感知下降。

2.4? 頻繁切換重選影響感知

高鐵經(jīng)過的區(qū)域較多，路線較長，高鐵上用戶在使用移動網(wǎng)絡(luò)時，會產(chǎn)生頻繁的小區(qū)切換、重選。如果高鐵覆蓋的切換帶設(shè)置不合理、切換參數(shù)設(shè)置不合理的話，將會導(dǎo)致高鐵用戶在高鐵上切換時產(chǎn)生切換較慢、切換失敗、掉線等網(wǎng)絡(luò)問題。

3? ?高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋有兩種方式：與公網(wǎng)同頻組網(wǎng)和異頻的專網(wǎng)組網(wǎng)。5G頻段有限，中國聯(lián)通主要使用3.5 GHz

～3.6 GHz頻段，這個頻段范圍內(nèi)高鐵的覆蓋將采用與公網(wǎng)同頻組網(wǎng)的方式。在5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，需要考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、Massive MIMO的選擇、高鐵站間距和各種場景的天線設(shè)備選擇。

3.1? NSA/SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為NSA和SA這兩種模式。NSA的組網(wǎng)模式是利用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)作為錨點，5G網(wǎng)絡(luò)的控制信令走在4G網(wǎng)絡(luò)上，5G的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)走在5G網(wǎng)絡(luò)。而SA的組網(wǎng)模式是控制和數(shù)據(jù)都在5G網(wǎng)絡(luò)上承載，不需要借助4G網(wǎng)絡(luò)。

2018年年底3GPP R15 F40標(biāo)準(zhǔn)版本凍結(jié)，這個版本相對比較成熟，已經(jīng)有完善的NSA和SA方案。但是SA組網(wǎng)模式核心網(wǎng)目前只具備初級功能，不支持計費、語音和漫游等功能，而且SA模式的智能終端芯片剛推出，預(yù)計要到2019年年底才有商用智能終端推出。這意味著SA組網(wǎng)模式端到端的技術(shù)成熟度比較晚，要到2020年SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)才具備端到端的組網(wǎng)能力。

高鐵場景下用戶的業(yè)務(wù)需求主要是視頻、微信、游戲等主流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，目前的4G網(wǎng)絡(luò)基本上都可以滿足，用戶對高鐵5G網(wǎng)絡(luò)的需求還沒那么強烈。高鐵場景的5G網(wǎng)絡(luò)一般會隨著運營商拿到商用牌照，進行全國性的商用部署時才會進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)，部署的時間大概在2020年。高鐵場景的網(wǎng)絡(luò)，一般要求全國性連續(xù)覆蓋，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資會比較大。為了避免NSA再升級SA網(wǎng)絡(luò)的額外投資，高鐵場景下的5G網(wǎng)絡(luò)部署將一步到位，即使用SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。規(guī)劃上需要全國統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少不同區(qū)域NSA和SA模式不同帶來的復(fù)雜性，需要都統(tǒng)一采用option 2的SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。對于要在今年進行高鐵網(wǎng)絡(luò)部署的城市，由于SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還不具備端到端的方案，可以選擇option 3x的NAS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.2? 連續(xù)覆蓋規(guī)劃

在NSA網(wǎng)絡(luò)下，錨點網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)將導(dǎo)致終端需要進行過多的測量，影響用戶感知速率及終端耗電。高鐵車速快，NSA下NR覆蓋如果不連續(xù)，會頻繁地添加、刪除NR輔小區(qū)，用戶根本無法享受到5G帶來的高速率服務(wù)，所以建議NSA場景下NR覆蓋一定要連續(xù)。同樣在SA網(wǎng)絡(luò)下，為了避免高鐵SA網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)覆蓋而回落到LTE網(wǎng)絡(luò)帶來的感知下降，SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下NR也必須要連續(xù)覆蓋。圖2是高鐵場景下不連續(xù)覆蓋的問題示意圖：

3.3? Massive MIMO選擇

Massive MIMO是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，通過大規(guī)模天線可以達(dá)到32T32R、64T64R，具有波束賦型和MU-MIMO的特性，可以提升覆蓋和容量。但高鐵場景下，UE隨著高鐵快速移動，無線信道時變非?？?，業(yè)務(wù)波束很難快速捕捉并及時跟蹤信道的變化，很難實現(xiàn)波束賦型。同時，高鐵場景的用戶非常集中，很難達(dá)到MU-MIMO的用戶配對。因此，兼顧天線成本，高鐵場景下天線不采用64T64R的大規(guī)模天線，而是采用8T8R高增益窄波束天線。當(dāng)高鐵穿過城區(qū)，車速會放緩，為了兼顧大網(wǎng)的用戶，高鐵場景下城區(qū)區(qū)域可以采用32T32R天線。

3.4? 高鐵覆蓋站點規(guī)劃

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]的鏈路預(yù)算方法，可以得到以下在上行/下行不同邊緣速率情況下的上行/下行最大允許路徑損耗的表格（如表3）。

從表3可以看到，下行允許的最大路徑損耗比上行多17個dB，也就是說上行的覆蓋更容易受限。因此，以上行1 Mb/s的上行最大路徑損耗來計算小區(qū)的覆蓋半徑。目前5G網(wǎng)絡(luò)主流頻段使用3.5 GHz頻段，而且在高鐵場景下基站大部分都是用宏站，視距傳播，以3GPP 38.901的傳播模型來計算，可以得到在城區(qū)5G NR基站的小區(qū)覆蓋半徑為430 m，農(nóng)村的小區(qū)覆蓋半徑為570 m。

在高鐵場景下，基站到鐵軌的垂直距離主要和掠射角有關(guān)，掠射角越小，穿透損耗就會越大，一般掠射角不能小于10°，基站到鐵軌的垂直距離在100 m左右。

關(guān)于高鐵沿線5G NR小區(qū)的切換時間，從切換的測量、判斷、執(zhí)行的時間來看，一般在1 s內(nèi)就能完成切換，考慮到一定的冗余時間，以高鐵2 s行駛的距離作為5G小區(qū)的切換重疊覆蓋區(qū)，高鐵速度按照350 km/h來計算，重疊覆蓋區(qū)即為194 m。

根據(jù)邊緣速率，通過鏈路預(yù)算和傳播模型的公式，可以計算得到高鐵5G小區(qū)在城區(qū)和農(nóng)村的覆蓋半徑。結(jié)合5G高鐵小區(qū)的切換重疊覆蓋區(qū)，可以計算高鐵5G小區(qū)的站間距，在城區(qū)場景高鐵5G小區(qū)站間距為666 m，農(nóng)村場景高鐵5G小區(qū)站間距為946 m。因此，高鐵5G小區(qū)的站間距范圍為660 m～940 m。

3.5? 高鐵主要場景的規(guī)劃

對于移動通信來說，高鐵是個很復(fù)雜的場景，因為高鐵沿線會有隧道、橋梁等特殊場景的覆蓋需求。

（1）高鐵候車大廳

高鐵的候車大廳一般都是封閉的場館，通過室外的宏站進行覆蓋，效果會較差，一般采用室內(nèi)覆蓋的方式。候車大廳內(nèi)比較寬敞，但是人流非常密集，容量需求非常高。在候車大廳這種場景，可以采用多個5G的AAU掛墻進行覆蓋或者用數(shù)字化室內(nèi)分布進行覆蓋。

（2）高鐵站臺

高鐵站臺是用戶在高鐵上下車及等待的區(qū)域，整個區(qū)域比較開放，可以用附近的宏站進行覆蓋。高鐵在進出站臺時，車速都會比較慢，幾乎沒有多普勒效應(yīng)，用戶在上下車的等待中移動性相對較少，基站的天線可以采用64T64R，同時兼顧站點用戶的人流密集的容量需求。

（3）高鐵沿線

高鐵沿線一般經(jīng)過城區(qū)和農(nóng)村開闊地帶，都是用宏站進行覆蓋，采用8T8R的高增益窄波束天線。在建設(shè)過程中盡量利舊現(xiàn)有的4G基站，在覆蓋不足的區(qū)域需要新建基站，基站與鐵軌的垂直距離一般在100 m左右，盡量使得基站與終端之間存在直射徑，這樣可以提供更好的覆蓋性能。高鐵5G基站的分布采用“之”字型的方式（如圖3所示），站點交錯分布在高鐵的兩側(cè)，這有利于5G無線信號的均勻分布，使得切換覆蓋區(qū)的銜接更好。如果高鐵有拐彎時，盡量部署在鐵軌的內(nèi)拐彎處。

（4）高鐵隧道

當(dāng)高鐵隧道較短時，如長度小于500 m，可以在隧道的兩端用天線對打的方式在隧道內(nèi)進行覆蓋。在隧道較長時，如長度大于500 m，由于隧道空間狹小，宜采用輻射型泄露電纜覆蓋，輻射型泄漏電纜覆蓋均勻，且具有方向性，適合覆蓋隧道。在高鐵隧道中基本上每隔500 m就會有個設(shè)備洞室，可以放置5G的BBU和RRU，泄露電纜安裝在與高鐵列車窗口對應(yīng)的位置，為了增加容量和用戶感知，可以采用兩根泄露電纜形成雙流MIMO。

4? ?高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

4.1? 覆蓋的優(yōu)化

覆蓋是移動通信的基礎(chǔ)，在高鐵場景下，5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化主要在于天線及切換帶的大小。在天線方面，天線的入射角會影響到入射信號在高鐵的穿透損耗，因此合理的天饋方位角和俯仰角是保證良好覆蓋的基礎(chǔ)。在優(yōu)化中，盡可能地讓天線近點覆蓋，減小信號衰減，同時根據(jù)站間距及站軌距合理設(shè)置天線入射角度。在切換帶的大小方面，切換帶過小會導(dǎo)致切換失敗，過大則會產(chǎn)生乒乓切換，增加干擾，因此需要合理的RF優(yōu)化，保證切換帶大小適中。

4.2? 多普勒頻偏補償

多普勒效應(yīng)是影響高鐵網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素，一直以來解決多普勒效應(yīng)的頻移問題，主要都是靠設(shè)備廠家在基站上實施的頻偏補償方案。基站通過對接收到上行信號進行頻偏檢測，從而在發(fā)射下行信號時進行頻偏補償，來抵消多普勒效應(yīng)帶來的頻偏問題，改善無線鏈路性能。雖說5G網(wǎng)絡(luò)的頻段較高，帶來的頻偏較大，但目前的設(shè)備性能及頻偏校正算法，能更好地跟蹤高速移動速度，具有更好的信道估計和頻偏檢測能力，能更及時地進行頻偏補償。

4.3? 切換參數(shù)優(yōu)化

高鐵是線覆蓋場景，在高鐵沿線跨區(qū)域跨基站的情況會比較多，而且由于高鐵5G小區(qū)的覆蓋范圍較小，用戶在使用過程中產(chǎn)生的切換會比較頻繁。在高鐵5G網(wǎng)絡(luò)的切換策略上，切換各項參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)高鐵的特點，保證切換的順暢和快速完成。5G網(wǎng)絡(luò)采用A3事件觸發(fā)切換，在觸發(fā)A3事件前要進行MR測量報告的上報。5G的測量報告是UE的物理層進行測量，測量結(jié)果經(jīng)過L3濾波向高層提供測量結(jié)果。高鐵的車速很快，信號波動會比較大，歷史測量結(jié)果的可參考度較低，在L3濾波的參數(shù)設(shè)置上要盡量減少歷史測量結(jié)果的影響。在A3事件參數(shù)設(shè)置中，也要減少A3事件切換時間遲滯，使得目標(biāo)小區(qū)滿足A3事件的RSRP后能盡快觸發(fā)切換。

在高鐵場景下，為了避免頻繁的切換，一般都會采用小區(qū)合并的方式來擴大合并后小區(qū)的覆蓋范圍，減少頻繁的小區(qū)間切換。對于5G網(wǎng)絡(luò)，在使用小區(qū)合并的方法時，還可以采用CU+DU分開的架構(gòu)。同一個CU下的DU之間進行切換，由于控制面集中，PDCP的實例無需復(fù)位或重建，切換流程涉及到的網(wǎng)元交互會減少，可以減少切換的時延，降低切換失敗的概率。

4.4? PRACH參數(shù)優(yōu)化

高鐵場景下，UE高速移動的時候，頻偏會導(dǎo)致基站在檢測PRACH信道時，時域上出現(xiàn)偽相關(guān)峰，影響基站對PRACH信道的檢查。根據(jù)前面的分析可知，3.5 GHz頻段，時速超過200 km/h的多普勒頻移已經(jīng)超過1.25 kHz的preamble子載波間隔，在這種高速的情況下，如果還是用普通低速模式下的PRACH參數(shù)規(guī)劃，將會嚴(yán)重影響用戶的接入、切換等性能。

3GPP在早期就考慮到多普勒頻移的影響，協(xié)議上提出了生成前導(dǎo)序列時使用循環(huán)移位的限制集合，在參數(shù)High-Speed-Flag中配置Ultra-High-Speed，preamble生成的循環(huán)移位Ncs就會選擇限制集合。5G NR提供了14種preamble Format，其中4種長序列，10種短序列。在3GPP 38.211 Table 6.3.3.1-1表中，F(xiàn)ormat 3的preamble子載波間隔為5 kHz，支持限制集合Type A和B，非常適合高鐵場景。表4為3GPP 38.211 Table 6.3.3.1-1長序列preamble格式：

其他的PRACH參數(shù)的規(guī)劃和LTE類似。小區(qū)中循環(huán)移位的大小Ncs和小區(qū)最大覆蓋半徑有關(guān)系，一般都是根據(jù)PRACH格式和規(guī)劃的小區(qū)覆蓋半徑來規(guī)劃Ncs的大小。在PRACH時域配置時，考慮到上下行的子幀配置的位置以及高鐵用戶密集的情況，在3GPP 38.211 Table 6.3.3.2-3表中，選擇合適的時域配置，一般是在子幀4或子幀9。

5? ?結(jié)束語

目前5G網(wǎng)絡(luò)還只是在試點城市進行部署，高鐵場景的網(wǎng)絡(luò)部署還未開始。本文結(jié)合高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化過程中遇到的一些問題，思考未來5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵場景下的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化，對將來進行高鐵場景下的5G網(wǎng)絡(luò)部署給出了一些建議。

在高鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，盡量采用SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，要保障連續(xù)覆蓋，避免頻繁回落到LTE，天線以8T8R為主，站間距在600 m～900 m，基站到鐵軌距離為100 m左右，避免掠射角過小，基站交錯部署在高鐵兩側(cè)，同時根據(jù)不同的高鐵場景選擇合適部署方式。

高鐵小區(qū)要開啟高速頻偏校正功能，避免多普勒頻偏的影響。高鐵5G小區(qū)的切換帶適中，200 m左右，避免切換失敗或者乒乓切換。高鐵上可以采用CU+DU分開的結(jié)構(gòu)，同一個CU下的DU之間切換時延較短。高鐵切換采用A3事件，要減少L3濾波歷史測量值的影響，減少切換觸發(fā)時間。PRACH使用限制集的循環(huán)移位，采用Format 3的preamble子載波間隔可以達(dá)到5 kHz，PRACH的時域配置要考慮上下行子幀配置的位置。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 38.211 V15.1.0. NR Physical channels and modulation（Release 15）[S]. 2018.

[2] 3GPP TS 38.331 V15.1.0. NR Radio Resource Control （RRC） protocol specification （Release 15）[S]. 2018.

[3] 3GPP TR 38.901 V14.3.0. Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz （Release 14）[S]. 2017.

[4] 王敏，陸曉東，沈少艾. 5G組網(wǎng)與部署探討[J]. 移動通信， 2019，43（1）： 7-14.

[5] 趙洪偉，李玲. 高鐵LTE專網(wǎng)多頻組網(wǎng)優(yōu)化策略研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù)， 2019（3）： 46-51.

[6] 唐艷超. LTE高鐵覆蓋解決方案研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù)， 2014（12）： 20-23.

[7] 李偉，魏運鋒，劉慶東. LTE高鐵覆蓋多場景組網(wǎng)規(guī)劃[J]. 郵電設(shè)計技術(shù)， 2017（5）： 48-53.

[8] 李樹磊，樊毅. LTE高鐵覆蓋建設(shè)方案分析[J]. 郵電設(shè)計技術(shù)， 2018（1）： 76-81.

[9] 劉曾怡，屈姍姍，魯曉峰，等. 基于高鐵場景下的TD-LTE PRACH參數(shù)研究[J]. 移動通信， 2016，40（23）： 76-81.