基于8T8R大功率設(shè)備高鐵場(chǎng)景下的5G覆蓋方案研究

1 引言

截至2019年底，中國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)總里程達(dá)3.5萬(wàn)千米。隨著高鐵路網(wǎng)密度快速增長(zhǎng)，旅客發(fā)送量不斷增加，高鐵通信逐步成為各通信運(yùn)營(yíng)商提升品牌效益和客戶黏合度的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)具有更大的帶寬，有利于提升速率和容量需求，但更高的頻段對(duì)覆蓋能力提出了更高要求。高鐵的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不僅需要保證連續(xù)覆蓋，更要提供優(yōu)質(zhì)、高速的業(yè)務(wù)，提高用戶感知度。

然而由于高鐵具有運(yùn)行時(shí)速快、車體穿透損耗大、業(yè)務(wù)突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得高鐵5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)。本文主要介紹了中國(guó)聯(lián)通濟(jì)南分公司在濟(jì)青高鐵董家鎮(zhèn)段，率先嘗試應(yīng)用400 W 8T8R射頻拉遠(yuǎn)模塊，并結(jié)合華為公司自主研發(fā)的12小區(qū)合并方案，開通了全國(guó)首個(gè)在高鐵場(chǎng)景的5G網(wǎng)絡(luò)。此方案是在高鐵場(chǎng)景下進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的創(chuàng)新方案。本方案針對(duì)性地解決了5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵場(chǎng)景所面臨多普勒頻偏增大、站間距縮小引起切換更頻繁、用戶密集帶來(lái)的容量需求突增等方面的挑戰(zhàn)，提高了5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵場(chǎng)景的覆蓋效果和語(yǔ)音質(zhì)量，為中國(guó)聯(lián)通高鐵5G建設(shè)提供了新的參考依據(jù)。

2 高鐵場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)部署特點(diǎn)

2.1 5G高鐵部署總體分析

與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)具有更高峰值吞吐率（大于10 Gbit/s/用戶）、空口時(shí)延低于0.5 ms、低功耗大連接密度（連接數(shù)密度可達(dá)1 000 k/km2）、高移動(dòng)性（可滿足500 km/h）等特點(diǎn)。為滿足5G網(wǎng)絡(luò)不同場(chǎng)景下的應(yīng)用需求，支持多元化的業(yè)務(wù)應(yīng)用，滿足差異化用戶需求，5G系統(tǒng)的候選頻段需要面向全頻段布局，低頻段和高頻段統(tǒng)籌規(guī)劃，以滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)容量、覆蓋、性能等方面的要求。

無(wú)線電頻率資源是寶貴的戰(zhàn)略資源，不同的頻譜資源，其傳播特性、帶寬大小、所處產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)、電磁環(huán)境等特性均有很大差異，因此在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)對(duì)于潛在頻率資源需要評(píng)估，選擇最優(yōu)的頻譜。

工信部授權(quán)中國(guó)聯(lián)通使用3.5 GHz作為5G頻段。3.5 GHz頻段在全球產(chǎn)業(yè)支撐最好，然而3.5 GHz頻段頻率高，信號(hào)衰減更快。5G技術(shù)在高鐵通信上的應(yīng)用，主要受限于5G網(wǎng)絡(luò)較高的工作頻段。因此高鐵場(chǎng)景的通信將面臨較大的多普勒頻偏、穿透損耗、頻繁切換等問(wèn)題。這些因素將直接導(dǎo)致高鐵覆蓋距離縮短，站間距減少，基站數(shù)顯著增加。同時(shí)由于高速的場(chǎng)景將導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)的MIMO技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，5G高鐵部署面臨多重難題，需要綜合考慮設(shè)備形態(tài)和部署方案。下面我們將詳細(xì)分析影響高鐵部署的主要因素以及本文中所采用的創(chuàng)新高鐵5G覆蓋方案。

2.2 高鐵場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

高鐵場(chǎng)景在5G網(wǎng)路覆蓋時(shí)，相比常規(guī)的室內(nèi)和室外移動(dòng)通信場(chǎng)景，主要面臨如下挑戰(zhàn)。

2.2.1 多普勒頻移

我國(guó)高速鐵路運(yùn)行的時(shí)速普遍在200 km/h到350 km/h，列車在高速運(yùn)行的情況下，必然使得接收端接收信號(hào)的頻率發(fā)生變化，即為多普勒效應(yīng)。然而這種多普勒效應(yīng)是時(shí)變的，在列車進(jìn)站、出站、途中調(diào)度，運(yùn)行時(shí)速調(diào)整等情況下都會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致接收機(jī)的解調(diào)性能下降。

多普勒頻移計(jì)算公式為：

其中：Δf為多普勒頻移，上行多普勒頻移計(jì)算時(shí)f對(duì)應(yīng)上行發(fā)射頻率，下行多普勒頻移計(jì)算時(shí)f對(duì)應(yīng)下行發(fā)射頻率，對(duì)于NR 2.6 GHz（TDD雙工方式）的5G系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，上下行頻率是一樣的。

θ 為終端移動(dòng)方向和信號(hào)傳播方向的角度；

v 是終端運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

C 為電磁波傳播速度，3＊108 m/s；

F 為載波頻率。

圖1是高鐵場(chǎng)景通信時(shí)的頻移產(chǎn)生示意圖，假設(shè)頻偏后接收到的頻率為f0，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)靠近基站時(shí)為f0＝f+fd，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站時(shí)為f0＝f-fd。

圖1 多普勒頻移示意圖

假設(shè)上下行頻率都為f0，從圖1中可以得知，UE遠(yuǎn)離基站時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)-fd的頻偏，即UE的工作頻率為f0-fd，因此上行發(fā)射頻率為f0-fd。在上行接收端，由于UE遠(yuǎn)離基站帶來(lái)-fd的頻偏，可知此時(shí)基站接收到的頻率為（f0-fd）-fd=f0-2fd。

同理，UE接近基站時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)fd的頻偏，基站接收到頻率為f0+2fd。

假設(shè)用戶移動(dòng)方向和基站信號(hào)傳播方向的夾角為0或180度，此時(shí)為最大頻偏，不同頻段和不同速度時(shí)候的最大頻偏如表1所示。

表1 車速、頻率和最大頻偏的關(guān)系表

2.2.2 高速切換及重選

高鐵在高速運(yùn)行時(shí)，終端穿越切換區(qū)的時(shí)間變得很短，以至于穿越切換區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)處理切換的最小時(shí)延，導(dǎo)致切換失敗，影響用戶的業(yè)務(wù)感知。

在快速切換的情況下，若重疊覆蓋區(qū)過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致終端在切換未處理完成之前，與服務(wù)小區(qū)失去連接，使得業(yè)務(wù)中斷。所以，對(duì)于高速鐵路沿線的網(wǎng)絡(luò)，要根據(jù)切換啟動(dòng)門限參數(shù)的設(shè)計(jì)，以及完成切換流程所需的時(shí)間統(tǒng)計(jì)，估算切換區(qū)所需的重疊覆蓋區(qū)域大小。只有當(dāng)兩個(gè)小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域設(shè)計(jì)得足夠大，才能保證UE將滿足切換條件的測(cè)量事件上報(bào)之后，有足夠的時(shí)間跨越整個(gè)重疊覆蓋區(qū)。

另外從高鐵實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，列車運(yùn)行過(guò)程中，在小區(qū)切換位置，流量有明顯的低谷區(qū)域，影響整體吞吐量。因此高鐵場(chǎng)景頻繁的小區(qū)切換對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出了更高的要求，需要增加小區(qū)覆蓋距離，減小切換次數(shù)，高鐵小區(qū)切換示意圖如圖2所示。

圖2 高鐵小區(qū)切換示意圖

2.2.3 話務(wù)量突發(fā)性

鐵路沿線一般情況下話務(wù)量需求接近零，列車經(jīng)過(guò)時(shí)話務(wù)量劇增，導(dǎo)致忙時(shí)話務(wù)量和閑時(shí)話務(wù)量差距明顯，呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)趨勢(shì)。特殊情況下，往返兩輛高鐵會(huì)車，話務(wù)量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)劇增，導(dǎo)致容量受限、用戶體驗(yàn)下降。

2.2.4 車體損耗大

全封閉高速列車，車身由鋁合金和不銹鋼材料組成，車窗采用特殊材質(zhì)制成，密閉性很好，相對(duì)于普通列車，穿損進(jìn)一步加大。車廂的穿透損耗會(huì)影響車廂內(nèi)終端接收信號(hào)的強(qiáng)度，從而影響到信號(hào)在車廂內(nèi)的覆蓋。新型全封閉高鐵動(dòng)車組列車帶來(lái)的高穿透損耗，相比普通列車增加約10 dB損耗。其中濟(jì)青高鐵復(fù)興號(hào)車體損耗較其他列車穿透損耗更大，目前常見(jiàn)車型的材質(zhì)、穿透損耗值進(jìn)行的測(cè)試統(tǒng)計(jì)值如表2所示。

2.3 高鐵場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)特性分析

2.3.1 頻移估計(jì)與補(bǔ)償

多普勒頻移增大帶來(lái)接收機(jī)解調(diào)性能惡化，對(duì)糾偏算法的性能要求更高。普勒頻偏會(huì)導(dǎo)致終端在高速移動(dòng)時(shí)無(wú)法正常工作，非高鐵下PUSCH高階調(diào)制系統(tǒng)性能也會(huì)有2～3 dB的損失。為應(yīng)對(duì)多普勒頻移，采用了AFC算法進(jìn)行上下行預(yù)糾偏，降低終端接收偏移量，提升終端糾偏能力，提升下行速率和用戶體驗(yàn)。相關(guān)算法如圖3所示。

表2 高鐵不同車體損耗值

圖3 糾偏原理圖

2.3.2 小區(qū)合并能力

華為公司自主研發(fā)的12小區(qū)合并解決方案是將多個(gè)小區(qū)（TRP）合并為一個(gè)小區(qū)，在該小區(qū)中，所有TRP（Transmission and Reception Point：發(fā)射及接收點(diǎn)）使用相同的PCI（Physical-layer cell identity：物理小區(qū)號(hào)）。該小區(qū)下行廣播和控制信道采用多TRP聯(lián)合發(fā)送，使得原先彼此干擾的多個(gè)小區(qū)信號(hào)變成多徑疊加增強(qiáng)的信號(hào)，數(shù)據(jù)信道獨(dú)立發(fā)送，顯著提高小區(qū)容量。該方案可減少小區(qū)切換次數(shù)，提升下行覆蓋，提升下行吞吐率、減少掉話，提升用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。當(dāng)前最大支持12個(gè)TRP合并為一個(gè)小區(qū)。

以高鐵時(shí)速300 km/h，平均站間距500～650米為例，高鐵在高速運(yùn)行中，平均每6～8秒就會(huì)進(jìn)行一次小區(qū)切換，導(dǎo)致掉話率極高，用戶體驗(yàn)感知度較差。華為自主研發(fā)的12小區(qū)合并方案，可以將小區(qū)切換時(shí)間延長(zhǎng)至93秒，這樣就可以減少小區(qū)切換次數(shù)，提升下行吞吐率，減少掉話，提升用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

3 高鐵5G覆蓋案例分析

3.1 設(shè)備選型及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)高速鐵路客運(yùn)特點(diǎn)、列車承載能力和用戶業(yè)務(wù)模型等關(guān)鍵性指標(biāo)，高鐵線路推薦采用BBU+RRU的組網(wǎng)方式進(jìn)行覆蓋，其中RRU和天線是無(wú)線覆蓋的重點(diǎn)，選擇合適的RRU型號(hào)以及天線類型，保證高鐵線路的覆蓋效果。

在本次創(chuàng)新部署方案中，我們選用了業(yè)界最先進(jìn)的，功率配置為400 W，帶寬200 MHz的8T8R華為射頻拉遠(yuǎn)模塊。華為RRU5818產(chǎn)品參數(shù)、環(huán)境指標(biāo)、接口防雷指標(biāo)及環(huán)境遵循標(biāo)準(zhǔn)如表3、表4、表5所示。

表3 高鐵場(chǎng)景RRU產(chǎn)品參數(shù)

表4 RRU5818（3 500 MHz）接口防雷指標(biāo)

表5 高鐵場(chǎng)景RRU環(huán)境指標(biāo)

3.2 基站設(shè)置原則

新建的高鐵線路采用BBU+RRU分布式基站，站址選擇要綜合考慮鐵路周邊遮擋物的影響，積極推進(jìn)與友商的共建共享，合理利用鐵塔公司資源。

（1）基站到鐵軌的距離

新建基站到鐵軌的距離應(yīng)該控制在100～500米范圍內(nèi)，較為理想的基站到鐵軌的距離為100～300米。

（2）站點(diǎn)布局

對(duì)于直線軌道，相鄰站點(diǎn)宜交錯(cuò)分布于鐵路的兩側(cè)，形成“之”字型布局，有助于改善切換區(qū)域，有利于車廂內(nèi)兩側(cè)信號(hào)質(zhì)量的均衡，在傳輸條件允許的情況下盡量采用“之”字型布局，如圖4所示；對(duì)于鐵路彎道，站址宜設(shè)置在彎道的內(nèi)側(cè)，可提高入射角，保證覆蓋的均衡性，如圖5所示。

圖4 “之”字形基站分布圖

圖5 “）”形基站分布圖

（3）掠射角

“掠射角”是基站天線主瓣方向和鐵路鐵軌之間形成的夾角，“掠射角”越小，列車穿透損耗越大。建議將“掠射角”控制在15°以上，部分站間距較遠(yuǎn)或者共址建設(shè)的基站應(yīng)盡量避免掠射角在10°以下，如圖6所示。

圖6 掠射角示意圖

3.3 覆蓋方案

本案例的測(cè)試路段位于濟(jì)青鐵路北線董家鎮(zhèn)以西至?xí)r家莊村以東，高鐵設(shè)計(jì)速度350千米/小時(shí)，全程約5.8公里，地勢(shì)平坦，建設(shè)8處5G站址，平均站間距0.7千米左右，平均掛高35米，開通小區(qū)合并功能。此路段的規(guī)劃站址分布情況如圖7所示。

圖7 站點(diǎn)規(guī)劃圖

濟(jì)青鐵路北線測(cè)試路段采用功率為400 W，8T8R設(shè)備站點(diǎn)，每個(gè)設(shè)備配置為S11類型，基站站址全部利舊原有鐵塔。5G基站主要覆蓋濟(jì)青鐵路北線董家鎮(zhèn)高鐵路段沿線區(qū)域。每個(gè)AAU基站側(cè)均采用-48V直流電源供電，每配置S11基站需2芯光纜，連接至董家母局5G BBU機(jī)房。

3.4 效果分析

（1）覆蓋效果

此次測(cè)試過(guò)程中5G在該路段全程覆蓋良好，RSRP均值-86.27 dBm，SINR均值為17.996，滿足5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)測(cè)試結(jié)果如表6、圖8、圖9所示。

表6 覆蓋率指標(biāo)分析

圖8 RSRP測(cè)試結(jié)果軌跡圖

圖9 SINR測(cè)試結(jié)果軌跡圖

（2）體驗(yàn)速率測(cè)試效果

終端下載峰值速率602.68 Mbit/s，下載平均速率379.65 Mbit/s；上傳峰值速率87.51 Mbit/s，上傳平均速率28.92 Mbit/s，測(cè)試效果良好。相關(guān)測(cè)試結(jié)果如表7、圖10、圖11所示。

表7 上下行體驗(yàn)速率指標(biāo)分析（Mbit/s）

圖10 下載速率測(cè)試軌跡圖

圖11 上傳速率測(cè)試軌跡圖

通過(guò)本案例的測(cè)試路段分析，在高鐵場(chǎng)景我們通過(guò)利用大功率8T8R的基站設(shè)備，并結(jié)合多小區(qū)合并策略，5G網(wǎng)絡(luò)的RSRP值均大于-115 dBm，未出現(xiàn)切換導(dǎo)致的掉線以及測(cè)試終端5G脫網(wǎng)現(xiàn)象。并且在同車廂同時(shí)進(jìn)行5G/4G對(duì)比測(cè)試，測(cè)試分析顯示5G速率提升超過(guò)4G的22倍以上，極大改善了高鐵移網(wǎng)用戶的速率體驗(yàn)，達(dá)到全國(guó)領(lǐng)先水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高鐵場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)。濟(jì)南聯(lián)通在高鐵場(chǎng)景創(chuàng)新應(yīng)用了華為大功率8T8R射頻拉遠(yuǎn)模塊，取得了較好的測(cè)試效果，為聯(lián)通集團(tuán)高鐵5G建設(shè)提供新的參考方案。本方案成功解決了高鐵場(chǎng)景下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題，同時(shí)探索了5G大功率設(shè)備在更多場(chǎng)景下的應(yīng)用以及可能應(yīng)對(duì)的問(wèn)題，為5G多場(chǎng)景應(yīng)用建設(shè)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。