5G高鐵網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)及天饋發(fā)展趨勢(shì)研究*

楊艷，張濤，李福昌

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 引言

高鐵出行已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)人最優(yōu)的出行方式之一。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)數(shù)據(jù)，2020年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.63萬(wàn)公里，其中，高鐵營(yíng)業(yè)里程3.8萬(wàn)公里，占比26%。高鐵客運(yùn)量比重達(dá)到70.7%，客運(yùn)周轉(zhuǎn)量比重達(dá)到58.6%[1]。從出行習(xí)慣上來(lái)看，旅客在高鐵上普遍會(huì)使用手機(jī)等終端進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，如網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上會(huì)議、在線(xiàn)視頻或者在線(xiàn)游戲等，這些業(yè)務(wù)的使用都對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和安全性的要求極高。但是高速場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)部署的難度比低速場(chǎng)景要大。一方面，受到頻率的影響，車(chē)廂的穿透損耗很大，高鐵部署向著高頻、超高頻部署的需求與技術(shù)難度呈現(xiàn)日益擴(kuò)大的剪刀差；另一方面，高鐵屬于安全要求等級(jí)極高的場(chǎng)景，無(wú)法容忍車(chē)體的過(guò)度改造，新型設(shè)備進(jìn)行涉及車(chē)廂改造的流程和論證過(guò)程復(fù)雜。

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家已經(jīng)對(duì)5G和B5G高鐵技術(shù)開(kāi)展了研究，包括5G高鐵關(guān)鍵技術(shù)、信道估計(jì)、天線(xiàn)技術(shù)和部署方案等。文獻(xiàn)[2-4]介紹了5G高鐵部署中面臨的問(wèn)題及一些建議的技術(shù)方案；文獻(xiàn)[5-7]研究了高速和高頻部署下，高鐵的信道估計(jì)方法及優(yōu)化措施；文獻(xiàn)[8-11]介紹了MIMO（MultipleInput Multiple Output）、多用戶(hù)接入和智能超表面（IRS,Reconfigurable Intelligent Surfaces）等天線(xiàn)方面的技術(shù)在5G高鐵的應(yīng)用；文獻(xiàn)[12-15]從5G基站上高鐵和常規(guī)5G部署方面對(duì)高鐵部署方案提出了建議。

本文首先介紹了5G高鐵的業(yè)務(wù)需求，然后給出了5G高鐵部署方案的三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并從實(shí)際測(cè)試入手，給出了主流5G頻段下高鐵的覆蓋性能；再次，介紹了5G高鐵部署需要進(jìn)行的天線(xiàn)改進(jìn)和創(chuàng)新，最后進(jìn)行了總結(jié)。

1 5G高鐵通信需求分析

5G網(wǎng)絡(luò)的成熟極大地催生了移動(dòng)業(yè)務(wù)的豐富化，如高清視頻、高清直播、游戲和移動(dòng)線(xiàn)上會(huì)議等都成為目前最為普遍的5G通信業(yè)務(wù)。而高鐵作為中、短距離的主要出行工具，“高鐵+辦公”、“高鐵+娛樂(lè)”已經(jīng)逐漸普及化，也越來(lái)越被人們認(rèn)同。

高清視頻、高可靠業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有極高的要求，目前3GPP等標(biāo)準(zhǔn)化組織都對(duì)該類(lèi)業(yè)務(wù)的保證速率等進(jìn)行了規(guī)定，如表1中4K和VR的保證速率要求。

表1 5G典型業(yè)務(wù)保障參數(shù)

按照列車(chē)的長(zhǎng)度及用戶(hù)的分布情況，一般情況下一列高鐵車(chē)上的全部用戶(hù)會(huì)接入到一個(gè)小區(qū)，按照不同運(yùn)營(yíng)商用戶(hù)滲透率和8列編組車(chē)廂列車(chē)乘客數(shù)計(jì)算可知，每小區(qū)的小區(qū)容量至少在3 Gbit/s以上。

2 5G高鐵部署方案及架構(gòu)

高鐵的公眾通信部署方式從最初的信號(hào)直接穿透車(chē)窗的方式向著多元化的方向發(fā)展，涌現(xiàn)出了穿透方案、基站上高鐵方案和IRS高鐵方案等，下文將分別介紹。

2.1 傳統(tǒng)穿透式部署架構(gòu)及性能分析

傳統(tǒng)穿透方案是高鐵沿途的基站在一定的入射角要求范圍內(nèi)，信號(hào)直接穿透車(chē)窗對(duì)車(chē)廂內(nèi)的終端進(jìn)行覆蓋的方案，如圖1所示：

圖1 主流5G頻段穿透部署方案示意圖

在低速場(chǎng)景下，可以通過(guò)Massive MIMO技術(shù)充分的復(fù)用空間資源有效提升小區(qū)容量，也可以通過(guò)加密站址等方式擴(kuò)展用戶(hù)業(yè)務(wù)容量的需求。而在高鐵場(chǎng)景下，車(chē)廂的密閉性帶來(lái)了極大的穿透損耗（如表2所示），以中國(guó)聯(lián)通主流5G頻段可知，穿透損耗將達(dá)到35 dB以上，嚴(yán)重影響信號(hào)的強(qiáng)度，導(dǎo)致用戶(hù)吞吐量下降，無(wú)法滿(mǎn)足5G高帶寬、低時(shí)延和高可靠業(yè)務(wù)需求。

表2 不同列車(chē)的穿透損耗

為了獲取傳統(tǒng)方案的實(shí)際應(yīng)用效果，我們?cè)诰埜哞F開(kāi)展了一系列5G高鐵試驗(yàn)和驗(yàn)證，圖2～圖3是在平均站間距500 m、3.5 GHz和2.1 GHz主流頻點(diǎn)高鐵覆蓋情況下測(cè)試得到的網(wǎng)絡(luò)能力。圖2中給出了在復(fù)興號(hào)列車(chē)條件下，采用3.5 GHz和2.1 GHz頻段，在5G SA部署方式下的信號(hào)強(qiáng)度。不難看出，2.1 GHz頻段的信號(hào)衰減明顯優(yōu)于3.5 GHz的，差值為9 dB，這主要是由頻率產(chǎn)生的穿透損耗導(dǎo)致的信號(hào)衰弱。

圖2 主流5G頻段穿透部署方案RSRP比較

圖3則是從上下行吞吐量情況進(jìn)行了分析，從圖中可以看到，上行的速率低于下行的速率，其中2.1 GHz好于3.5 GHz，下行3.5 GHz的吞吐量為2.1 GHz的2倍。

圖3 主流5G頻段穿透部署方案吞吐量比較

從總體上來(lái)看，穿透損耗對(duì)傳輸速率超成了較大的影響，現(xiàn)在的部署方式將難以滿(mǎn)足對(duì)5G業(yè)務(wù)的高需求。此外，如果采用毫米波以上的頻率進(jìn)行高鐵部署，典型的穿透方案將無(wú)法使用，目前美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)面臨這樣的問(wèn)題。

2.2 基站上高鐵架構(gòu)分析

根據(jù)典型穿透方案的分析可以看到，如何節(jié)省穿透損耗和提升天線(xiàn)能力將成為未來(lái)高鐵部署方案需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。本節(jié)將對(duì)基站上高鐵的架構(gòu)進(jìn)行探索和研究。目前，較為主流的解決方案是將基站或類(lèi)似基站的設(shè)備直接安裝在列車(chē)上，從而節(jié)省穿透損耗。主流的方案包括直放站方案、小站方案和中繼方案。

（1）直放站方案架構(gòu)

直放站方案是在高鐵車(chē)體上部署直放站，并通過(guò)定向天線(xiàn)進(jìn)行車(chē)內(nèi)用戶(hù)覆蓋，車(chē)廂間使用光纖或者新型線(xiàn)纜進(jìn)行部署。其原理是在基站和用戶(hù)終端間引入直放站，將不同頻段的信息進(jìn)行合理的放大后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。直放站方案只是將信號(hào)放大，仍可以顯示運(yùn)營(yíng)商log，對(duì)核心網(wǎng)和終端無(wú)影響，如圖4所示。

圖4 直放站方案架構(gòu)

1）優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)方案簡(jiǎn)單，設(shè)備投資省，組網(wǎng)簡(jiǎn)潔，不需要改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2）存在的主要問(wèn)題：

◆干擾大：直放站與施主站存在覆蓋交疊，時(shí)延差會(huì)導(dǎo)致干擾，引起SINR惡化。另外，直放站級(jí)聯(lián)會(huì)造成噪聲的累加，整體抬升宏站底噪。噪聲累加程度的不同，會(huì)造成每個(gè)車(chē)廂網(wǎng)絡(luò)性能的不均衡。

◆性能差：車(chē)內(nèi)外同頻，SINR差，難以達(dá)成多流感知，多普勒糾偏能力實(shí)現(xiàn)困難，性能有待驗(yàn)證。

◆運(yùn)維能力差：直放站系統(tǒng)網(wǎng)管簡(jiǎn)單，只提供各類(lèi)告警，難以實(shí)現(xiàn)精確問(wèn)題定位和精細(xì)化運(yùn)維。

（2）小基站方案架構(gòu)

小基站方案是將小基站放置在車(chē)體上，車(chē)外宏站作為回傳鏈路（類(lèi)似與光纖回傳）與小基站相連，車(chē)內(nèi)使用分布式室分系統(tǒng)進(jìn)行用戶(hù)覆蓋。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 小基站方案架構(gòu)

1）優(yōu)點(diǎn)：部署架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，與現(xiàn)在的室內(nèi)外部署相似。

2）存在的主要問(wèn)題：

◆核心網(wǎng)改造太大。目前運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)基站都是相對(duì)固定的，不存在核心網(wǎng)頻繁跨省的問(wèn)題，如果采用小基站方案，或許需要重新建設(shè)高鐵專(zhuān)用核心網(wǎng)或者對(duì)核心網(wǎng)進(jìn)行整體改造。

◆回傳問(wèn)題。如果車(chē)廂內(nèi)覆蓋的是5G信號(hào)，則CPE需要作為回傳設(shè)備使用，但目前回傳的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議都是按照有線(xiàn)傳輸規(guī)定的，其丟包率要求近乎為0%。而目前CPE作為回傳設(shè)備使用時(shí)空口的丟包率為5%，難以滿(mǎn)足要求。如果需要采用新的物理層傳輸技術(shù)（可行性需要進(jìn)一步評(píng)估），會(huì)降低傳輸效率，且在高速場(chǎng)景下無(wú)法實(shí)現(xiàn)多次發(fā)送同一數(shù)據(jù)。

◆CPE與小基站連接的協(xié)議還未落實(shí)，具體網(wǎng)元選取及使用還需要研究。

上文定性分析了小站方案，下文將從鏈路預(yù)算的角度分析下小站方案。一般來(lái)講，小站方案分為CPE+DAS系統(tǒng)和CPE+數(shù)字化基站兩種，下文將以CPE+DAS系統(tǒng)為例進(jìn)行覆蓋和造價(jià)分析。

表3為采用小站方案的覆蓋能力分析：

表3 采用小站方案的覆蓋能力分析（漏纜無(wú)穿損場(chǎng)景，采用5/4漏纜）

下文從投資的角度進(jìn)行分析，可知采用基站上高鐵后，車(chē)廂內(nèi)部的改造費(fèi)用將有較大的提升，但是周邊站的站間會(huì)擴(kuò)大，目前評(píng)估將為1 km以上，這樣建站成本會(huì)下降，如表4所示：

表4 采用小站方案的成本能力分析

（3）基于中繼的基站上高鐵架構(gòu)

如表6所示，基于中繼（Relay）的基站上高鐵方案是將Relay設(shè)備放置在車(chē)體外，車(chē)內(nèi)使用數(shù)字化室分系統(tǒng)進(jìn)行部署的方案。

1）優(yōu)點(diǎn)：部署架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，中繼是一種MAC層設(shè)備，可以進(jìn)行一些數(shù)字信號(hào)的處理。

2）存在的主要問(wèn)題：

◆Relay標(biāo)準(zhǔn)尚未凍結(jié)，后期開(kāi)發(fā)難度大；

◆車(chē)載Relay需要與宿主基站同廠家，格局約束大；

◆Relay不支持切換，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)頻繁切換的要求。

（4）基站上高鐵方案中的天線(xiàn)技術(shù)

基站上高鐵方案對(duì)天線(xiàn)也有新的要求，從實(shí)現(xiàn)的本質(zhì)可以分為提升天線(xiàn)增益和天線(xiàn)智能化需求。

高鐵車(chē)體天線(xiàn)指安裝在車(chē)體上的天線(xiàn)，是針對(duì)基站上高鐵方案提出的一種新型天線(xiàn)，需要關(guān)注列車(chē)行駛安全和天線(xiàn)性能。從布放位置，分為車(chē)體外天線(xiàn)和車(chē)廂內(nèi)天線(xiàn)。

車(chē)體外天線(xiàn)主要是指車(chē)廂頂部的天線(xiàn)，目前都是單流的天線(xiàn)，尚無(wú)MIMO特性的天線(xiàn)，嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的性能提升，因此在后續(xù)研究中，需要針對(duì)車(chē)體外天線(xiàn)開(kāi)展研究，包括：

（1）車(chē)體MIMO天線(xiàn)：通過(guò)多天線(xiàn)技術(shù)提升列車(chē)的傳輸效率，提升頻譜效率。

（2）多頻智能天線(xiàn)：如果基站上車(chē)后，由于安全要求和安裝環(huán)境有限，天線(xiàn)需要盡可能地小型化、集成化，并應(yīng)當(dāng)集成較多的頻段，達(dá)到一副天線(xiàn)全頻段支持的需求。

車(chē)廂內(nèi)天線(xiàn)主要指車(chē)廂內(nèi)進(jìn)行用戶(hù)覆蓋和信號(hào)回傳的天線(xiàn)，這類(lèi)天線(xiàn)需要考慮按需進(jìn)行功率控制，并需要配置智能化的裝置，減少車(chē)外飄入信號(hào)對(duì)車(chē)內(nèi)有用信號(hào)的干擾。

圖6 基于中繼的基站上高鐵架構(gòu)

2.3 基于IRS的高鐵部署架構(gòu)

IRS[16-20]是一種新型的智能化超表面設(shè)備，通過(guò)對(duì)設(shè)備表面的陣子或可編程接入點(diǎn)進(jìn)行編程，改變接收信號(hào)的傳播方向或路徑特性。在高鐵中使用IRS進(jìn)行部署，可以很好地克服快速時(shí)變的車(chē)體外環(huán)境影響，也可以改良車(chē)廂內(nèi)用戶(hù)的信號(hào)強(qiáng)度分布，從而解決車(chē)體的干擾。目前較為明顯的部署位置為鐵路沿線(xiàn)、車(chē)體頂部、車(chē)體玻璃外、車(chē)廂內(nèi)4處，圖7給出了基于IRS的高鐵架構(gòu)圖：

圖7 基于IRS的基站上高鐵架構(gòu)

鐵路沿線(xiàn)放置IRS設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)較好的收波功能，將一些傳播方向偏離的信號(hào)進(jìn)行回歸式調(diào)整。IRS設(shè)備放置在車(chē)體頂部可以與基站上高鐵設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，將單天線(xiàn)進(jìn)行IRS擴(kuò)展，提升天線(xiàn)的面積。IRS設(shè)備放置在車(chē)體玻璃外，靈活地應(yīng)用IRS薄膜化的特征，對(duì)信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)，減少穿透損耗。IRS設(shè)備放置在車(chē)廂內(nèi)，可以將用戶(hù)信號(hào)進(jìn)行智能化加強(qiáng)，提升用戶(hù)的整體接入性能。

3 5G高鐵沿線(xiàn)天線(xiàn)技術(shù)研究方向

高鐵沿線(xiàn)天線(xiàn)普遍是指在鐵路沿線(xiàn)的天線(xiàn)系統(tǒng)，按照?qǐng)鼍皝?lái)看，目前可以粗略分為紅線(xiàn)外和隧道內(nèi)兩個(gè)場(chǎng)景。

3.1 紅線(xiàn)外高鐵天線(xiàn)

紅線(xiàn)外高鐵天線(xiàn)需要考慮天線(xiàn)增益提升的要求，主要的方法有：

（1）通過(guò)MIMO技術(shù)進(jìn)行發(fā)送和接收增益的提升，如沿線(xiàn)的天線(xiàn)的TR數(shù)提升為8或者16。

（2）通過(guò)采用特性天線(xiàn)，如龍伯透鏡天線(xiàn)，最大限度地將信號(hào)集中在高鐵長(zhǎng)條狀的覆蓋帶上，實(shí)現(xiàn)高鐵覆蓋范圍內(nèi)的天線(xiàn)增益提升。

（3）智能超表面技術(shù)的引入，可以通過(guò)在必要的區(qū)域添加IRS，改變信號(hào)傳播的路徑，減少遮擋等不必要的信號(hào)衰減。

（4）分布式天線(xiàn)可以擴(kuò)大單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)多物理站址間的協(xié)同部署，極大地減少小區(qū)切換，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的有效數(shù)據(jù)通信時(shí)長(zhǎng)。

3.2 隧道內(nèi)高鐵天線(xiàn)

目前高鐵隧道都是采用漏纜進(jìn)行部署，如13/8或者5/4漏纜，但是漏纜都有明顯的使用頻段，當(dāng)超出漏纜的支持頻率（截止頻率）時(shí)，信號(hào)質(zhì)量出現(xiàn)極大的衰減，從而導(dǎo)致通信中斷。而在5G及B5G高鐵部署中，通常要使用到3.5 GHz以上的頻段，這個(gè)與現(xiàn)存漏纜支持的頻率有較大差異，無(wú)法進(jìn)行全頻段漏纜覆蓋。相對(duì)地，天線(xiàn)可以支持頻率的范圍較大，可以很好地解決高頻覆蓋的問(wèn)題，如對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)就是一種比較常見(jiàn)的貼壁天線(xiàn)。同時(shí)使用可以將隧道天線(xiàn)與RIS系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信道優(yōu)化，從而提升天線(xiàn)的性能。但是天線(xiàn)在隧道內(nèi)部署缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需要進(jìn)行全面的安全分析和測(cè)試，以防列車(chē)帶來(lái)的高風(fēng)壓造成設(shè)備脫落，進(jìn)而影響高鐵行駛安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

高鐵通信是一種高速或超高速列車(chē)運(yùn)行下，使用多種通信覆蓋技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)內(nèi)用戶(hù)通信的通信模式。高速運(yùn)行的列車(chē)對(duì)安全的要求極高，車(chē)廂都比較厚或使用多層膜狀材料，穿透損耗很大。而5G的主流頻段是3.5 GHz和2.1 GHz，如果采用直接穿透的部署方法，將帶來(lái)35 dB以上的穿透損耗，極大地削弱網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，造成較高的建網(wǎng)成本。因此在5G業(yè)務(wù)豐富化、高質(zhì)量化的前提下，如何進(jìn)行5G高鐵的部署成為當(dāng)前5G高鐵部署的關(guān)鍵問(wèn)題。本文結(jié)合高鐵部署的需求、傳統(tǒng)部署方式的測(cè)試情況，進(jìn)一步分析5G上高鐵的架構(gòu)和天線(xiàn)需求。5G和B5G高鐵部署將成為未來(lái)高鐵通信的主要研究方向，需要進(jìn)行深入的研究，打造5G+高鐵復(fù)合新名片。