高鐵環(huán)境下無線通信的特點及覆蓋方案探討

摘 要 高鐵具有線性大跨度的特點，而且由于列車移動速度比較快，在無線通信覆蓋上存在諸多困難。本文就對如何進(jìn)行高鐵環(huán)境下無線通信無蓋做出了研究，首先分析高鐵無線通信環(huán)境的特點，然后對不同環(huán)境下如何進(jìn)行覆蓋方案的設(shè)計進(jìn)行了探討，最后針對高鐵的特殊性，研究如何加強優(yōu)化，保證信號的穩(wěn)定，提升高鐵用戶通信速度。

關(guān)鍵詞 高鐵;無線通信;特點;覆蓋方案;5G

引言

高鐵具有非?？斓男旭偹俣龋偌由宪噹拿芊庑苑浅：?，倒是無線信號的很容易出現(xiàn)中斷等其他情況，覆蓋非常困難。但是隨著高鐵性能和舒適性的提升，越來越多的人選擇高鐵，如何保證高鐵無線覆蓋也變得非常重要。目前，高鐵的無線通信存在信號損耗嚴(yán)重、多普勒效應(yīng)等問題，同時，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)開始，必須充分分析高鐵的環(huán)境，結(jié)合特點做好無線通信覆蓋，提升高鐵的舒適度。

1高鐵環(huán)境下無線通信的特點

1.1 信號損耗嚴(yán)重

目前，國內(nèi)的高鐵列車都有非常好的密封性能，雖然保證了舒適性，卻也造成了信號穿透損耗的增加。所以，對無線通信覆蓋進(jìn)行設(shè)計時，就需要考慮列車車體的損耗，確保列車通信功能的正常。而且在高高速運動是，信號的損耗要大于車輛靜止是的損耗，為了保證通信正常，需要對把所有通信設(shè)備的損耗都考慮進(jìn)去，無論是手機還是車載設(shè)備。

1.2 多普勒效應(yīng)帶來的信號頻率偏移

如果高鐵以兩三百公里的速度高速行駛，車輛上的終端也是隨著車一起移動的，由于多普勒效應(yīng)，會導(dǎo)致終端接受移動通信信號時有頻率偏移的現(xiàn)象，高鐵的車速越快，偏移的情況就會越明顯。由于所有的基站和移動設(shè)備對通信信號的接受頻率都是有范圍的，如果信號頻率的變化超出范圍，就會出現(xiàn)通信連接錯誤或者信號中斷的情況。

1.3 信號衰落問題

無線電信號的信道是典型的多徑衰弱信道，其中快衰落表現(xiàn)形式之一，在無線信號發(fā)出之后，一直到傳輸?shù)搅熊嚿系慕K端，往往會由于收到環(huán)境的影響出現(xiàn)直射、反射和散射的問題，如果有不同相位和振幅的信號疊加，就會導(dǎo)致設(shè)備在接收信號的時候出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

1.4 移動終端頻繁切換

列車行駛的速度越快，通過通信終端范圍的實踐就會越短，在一個基站的位置，馬上就會被新的基站代替，所以移動終端會不斷更新，這就給通信技術(shù)的硬件和軟件都提出了全新的挑戰(zhàn)。

1.5 特殊的天線選擇

由于鐵道狹長的地面覆蓋，所以不同型號的天線對信號的影響非常大，而維拉防止塔下黑的問題，一般要在50米垂直范圍內(nèi)設(shè)置基站，并利用一個二功分器引出兩個不同方向的信號源，來對鐵路禁行范圍覆蓋。如果出現(xiàn)塔下黑的問題，就需要增加天線的數(shù)量，保證局部覆蓋的效果[1]。

2高鐵5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃

目前高鐵網(wǎng)絡(luò)有兩種覆蓋方式，分別是和公網(wǎng)同頻組網(wǎng)，以及異頻的專網(wǎng)組網(wǎng)，由于5G的頻段有心，所以高鐵的覆蓋可以采用與公網(wǎng)同頻組網(wǎng)的方式。在5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃當(dāng)中，需要考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、Massive MIMO的選擇、高鐵站的間距和設(shè)備的選擇。

2.1 NSA/SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)目前主要包括NSA和SA這兩種架構(gòu)形式，其中NSA組網(wǎng)模式是利用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)作為錨點，然后5G網(wǎng)絡(luò)的空指令走4G網(wǎng)絡(luò)，5G的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在5G網(wǎng)絡(luò)上傳輸。SA的組網(wǎng)模式無論是控制還是數(shù)據(jù)都在5G網(wǎng)絡(luò)上，并不需要借助4G網(wǎng)絡(luò)，但是這種模式的核心網(wǎng)還只具備初級的功能，不支持計費、語音和漫游等功能，并且SA智能終端芯片推出的也比較晚，因此在技術(shù)成熟度上相對NSA而言比較低。

高鐵上的乘客主要的業(yè)務(wù)需求包括視頻、游戲、即時通信等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，目前繼續(xù)使用4G網(wǎng)絡(luò)就能滿足要求，因此對于5G網(wǎng)絡(luò)的需求并不強烈。并且，為了實現(xiàn)全國性覆蓋的成本控制，必須要減少NSA升級SA網(wǎng)絡(luò)的額外投資，實現(xiàn)對高鐵場景下5G網(wǎng)絡(luò)的部署，就要一步到位地使用SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少由于NSA和SA在模式不同所導(dǎo)致的復(fù)雜性。

2.2 連續(xù)覆蓋的規(guī)劃

在NSA網(wǎng)絡(luò)下，由于錨點網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)，所以終端需要進(jìn)行多次測量，不僅會影響用戶的感知速率，而且還會導(dǎo)致終端耗電增加。而且，由于高鐵的車速特別快，如果NSA和NR覆蓋不連續(xù)，就需要頻繁進(jìn)行錨點的添加和伸出，導(dǎo)致用戶不能真正體驗到5G所帶來的高速服務(wù)，而在同樣的SA網(wǎng)絡(luò)下，為了防止高鐵SA網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)覆蓋導(dǎo)致感知下降，SA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下也要NR連續(xù)覆蓋。

2.3 Massive MIMO的選擇

Massive MIMO是5G網(wǎng)絡(luò)中的一項十分關(guān)鍵的技術(shù)，能夠提升容量和覆蓋量，使用大規(guī)模天線，可以達(dá)到32T32R和64T64R。但是在高鐵的場景下，由于列車的移動速度非?？?，所以業(yè)務(wù)波束很難快速捕捉并且跟蹤到信道的變化，導(dǎo)致很難實現(xiàn)波束賦型。并且，由于在高鐵中的用戶非常集中，導(dǎo)致很難達(dá)到MU-MIMO的用戶配對，為了兼顧成本，高鐵場景下天線不采用64T64R的大規(guī)模天線，所以都是用8T8R高增益窄波束天線。在高鐵穿越城區(qū)時，車速會放緩，為了兼顧大網(wǎng)用戶，高鐵場景下城區(qū)區(qū)域可以采用32T32R天線。

2.4 高鐵主要場景的規(guī)劃設(shè)計

高鐵擁有一個十分復(fù)雜的場景，所以在移動通信的規(guī)劃設(shè)計需要考慮很多特殊的需求，尤其是在隧道和橋梁，往往需要針對性地進(jìn)行特殊規(guī)劃。

（1）高鐵候車大廳的規(guī)劃

高鐵候車大廳一般都是封閉的場館，利用室外的基站進(jìn)行覆蓋效果會比較差，所以要采用室內(nèi)覆蓋的方式。后車大廳比較寬敞，但是人流比較密集，對容量的需求非常高。所以在候車大廳，可以采用多個5G的AAU掛墻覆蓋，或者利用數(shù)字化室內(nèi)分布實現(xiàn)覆蓋。

（2）高鐵站臺

高鐵站臺是乘車人員上下車和等車的區(qū)域，這個區(qū)域比較開放，可以用宏基站來進(jìn)行覆蓋。在高鐵進(jìn)入站臺時，由于車速比較慢，因此多普勒效應(yīng)可以忽略，并且多數(shù)用戶在上下車和等車的時候都是在固定的位置，移動比較少，因此可以選擇使用64T64R的基站天線，既能滿足密集人流量的特點，同時也能確保大流量的需求。

（3）高鐵沿線規(guī)劃

高鐵沿線一般都在城區(qū)和農(nóng)村的開闊地帶，并且都是使用宏基站進(jìn)行覆蓋的，比較適合使用8T8R的高增益窄波束天線，在規(guī)劃的時候，需要盡量使用現(xiàn)有的4G基站，如果出現(xiàn)覆蓋不足，在使用全新的基站。一般情況下，基站和鐵軌之間的直線距離都在100米左右，設(shè)計的時候要金蓮保證基站和終端之間存在直射徑，從而最大程度上保證覆蓋性能。對于高鐵的5G基站，一般都是交錯分布在高鐵的量測，以便5G信號能均勻地分布，也能保證不同覆蓋區(qū)之間能夠有更好的銜接，并且能保證5G信號的均勻分布。而對于高鐵拐彎的情情況，則要將基站分布在鐵路彎角的內(nèi)部，讓基站的覆蓋作用更好發(fā)揮。

（4）高鐵隧道

如果高鐵隧道比較短，比如長度在500米以內(nèi)，只需要在隧道的兩端用天線對打就能實現(xiàn)信號在隧道內(nèi)的覆蓋。但是如果隧道比較長，在長度大于500米時，由于隧道的空間比較狹小，就需要使用輻射型泄漏電纜實現(xiàn)覆蓋的目的。如果在隧道中部署4T4R的5G網(wǎng)絡(luò)，可以并排設(shè)置4根漏纜。高鐵的隧道中每隔500米就有一個設(shè)備洞室，可以在洞室中存放5G的設(shè)備，泄漏電纜安裝在高鐵列車的窗口對應(yīng)位置，能最大程度提升設(shè)備的容量和感知能力，為了確保覆蓋效果，還可以使用兩根泄漏電纜構(gòu)成一個雙流MIMO。高鐵的隧道口和隧道內(nèi)都要安裝特型天線，對于長距離隧道，隧道兩側(cè)可以分屬不同的小區(qū)，而且可以將切換區(qū)設(shè)置在隧道內(nèi)部。

3高鐵5G覆蓋案例分析

3.1 覆蓋方案

某測試路段的高鐵設(shè)計速度為350km/h，道路全程為5.8公里，該路段周圍的地勢平坦，尉氏縣覆蓋，設(shè)置了8處5G站址，平均間距在大約0.7公里?；緬旄?5米，開通了小區(qū)合并功能。在該路段的公路為400W，施工用8T8R站點，設(shè)備為s11類型?；菊局潦褂昧嗽械蔫F塔，每個AAU基站用-48V直流電源供電，配置兩個光纜，并連接到5GBBU機房。

3.2 設(shè)備參數(shù)的選擇和配置

由于高鐵客運的特點，以及結(jié)合承載能力和用戶模型的分析，使用BBU+RRu的組網(wǎng)模式能夠獲得較好的效果，其中RRU和顯現(xiàn)覆蓋是設(shè)計的重點，必須要選擇合適的天線類型，才能做好覆蓋工作。本方案中，使用了帶寬為200Hz、功率配置為400W的華為8T8R射頻模塊?；镜脑O(shè)置原則上，采用BBU+RRU分布式基站，由于該地區(qū)地勢相對平坦，所以站址選擇的時候主要考慮鐵路周邊的影響，而且充分利用就有資源，實現(xiàn)對鐵塔的充分利用。

3.3 基站設(shè)置的原則研究

（1）站點布局

對于直線軌道，相鄰的站點適合交錯分布在鐵路的左右兩側(cè)，從而改善切換布局，也能讓高鐵車廂兩側(cè)的信號保持均勻，為此在條件允許的情況下都盡可能設(shè)計成了之字形布局。對于鐵路彎道，站址應(yīng)該設(shè)置在彎道的內(nèi)側(cè)，而且要提高入射角，以便能保證覆蓋的均衡。

“之”字形布局

（2）掠射角的選取

掠射角就是基站天線主板方向和鐵路之間形成的夾角，在掠射角越小的情況下，列車穿越時就會有越大的損耗。所以，一般都會將掠射角控制在15°以上，而對于一些站間距比較遠(yuǎn)的位置，應(yīng)該將掠射角控制在10°以下。

3.4 方案覆蓋效果分析

在采用該方案完成覆蓋之后，整個路段都有非常好的5G覆蓋效果，經(jīng)過測試，RSRP的均值為-86.27dBm，滿足5G的覆蓋需求。下載的體驗情況上，該地的平均下載速度達(dá)到了378.65M/s，下載峰值速度為602.68M/s;上傳平局速錄為28.93M/s，峰值速率為87.50M/s，證明測試效果良好。

通過針對該路段的分析，通過使用大功率的8T8R基站設(shè)備，以及結(jié)合多小區(qū)合并策略，保證了5G的覆蓋效果，而且充分使用過去的鐵塔資源，優(yōu)化了建設(shè)。在測試的過程中，并沒有出現(xiàn)切換而導(dǎo)致的掉線或者終端5G脫離，并且經(jīng)過和4G網(wǎng)絡(luò)速度的比對，5G速度超越4G在20倍以上，能夠滿足用戶的使用需求。

4結(jié)束語

雖然目前5G網(wǎng)絡(luò)主要部署在城市當(dāng)中，但是對于高鐵覆蓋的優(yōu)化設(shè)計以及優(yōu)化，也需要進(jìn)行探究。高鐵環(huán)境具有明顯的特殊性，所以對于無線覆蓋有更高的要求，在對無線覆蓋進(jìn)行優(yōu)化時，需要針對不同的場景都進(jìn)行設(shè)計，選擇合理的技術(shù)以滿足覆蓋的需求，減少信號的干擾等問題。在規(guī)劃的過程中，應(yīng)該盡量使用SA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并且確保覆蓋的連續(xù)性，做好優(yōu)化工作，避免網(wǎng)絡(luò)速度回落，根據(jù)不同的場景采取對應(yīng)的部署策略。

參考文獻(xiàn)

[1] 田桂賓，許勇，石朗昱.高鐵無線網(wǎng)絡(luò)特殊場景覆蓋解決方案[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2011（7）：27-31.

作者簡介

張海（1985-），男，貴州遵義人;職稱：中級職稱，現(xiàn)就職單位：貴州省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，研究方向：無線通信，主要包括室內(nèi)分布覆蓋、高鐵高速通信覆蓋等，滾動規(guī)劃、智慧化領(lǐng)域研究等。