基于高鐵環(huán)境下的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與規(guī)劃

何 麗

（中移鐵通有限公司云南分公司，昆明 650000）

1 概述

隨著信息通信技術(shù)進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景擴(kuò)展，人們對移動通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率要求越來越高，移動通信技術(shù)也從2G、3G、4G，逐步演進(jìn)到第五代移動通信系統(tǒng)（5G）。2018年5月，國際移動標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP工作組在韓國釜山召開了5G第一階段標(biāo)準(zhǔn)制定的最后一次會議，確定了3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)的全部內(nèi)容，并于6月正式完成并發(fā)布首個真正完整意義的國際5G第一階段標(biāo)準(zhǔn)。隨后中國三大運(yùn)營商開始在上海等試點(diǎn)城市進(jìn)行5G部署和規(guī)劃工作。2019年6月，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，中國正式進(jìn)入5G商用元年。5G網(wǎng)絡(luò)速度更快、容量更大、連接更多，具有增強(qiáng)型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband， eMBB）、高 可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications， uRLLC）、海 量 機(jī) 器 類 通 信（massive Machine Type Communications，mMTC）等3大場景，將為移動通信領(lǐng)域帶來革命性變化，助力形成萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)社會。5G將與垂直行業(yè)進(jìn)行深度融合，匹配垂直行業(yè)需求。目前高鐵下一代移動通信將采用5G技術(shù)，所以研究在高鐵環(huán)境下如何建設(shè)好5G網(wǎng)絡(luò)具有重要意義，是推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)在不同場景下建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容。

本文針對不同的5G網(wǎng)絡(luò)部署，結(jié)合高鐵環(huán)境，對5G網(wǎng)絡(luò)在高速鐵路環(huán)境下部署的參數(shù)以及面臨的問題進(jìn)行研究，并給出一些適用的部署方案。

2 5G組網(wǎng)形態(tài)

5G具有高速度、高可靠性、低延時、廣連接等特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)劃分核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)，其中無線接入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)有兩種，分別是改造升級后的增強(qiáng)型4G基站（ng-eNB）和5G基站（gNB）。gNB與ng-eNB都可以提供用戶面和數(shù)據(jù)面管理，包括無線信號頻率資源管理，無線連接建立、管理、控制，上行、下行信道用戶應(yīng)用服務(wù)調(diào)度，數(shù)據(jù)壓縮、加密、監(jiān)督和糾錯，接入和移動性管理，用戶端口管理等。要在高鐵環(huán)境下實(shí)現(xiàn)5G應(yīng)用，首先需要建設(shè)和部署5G網(wǎng)絡(luò)，參考網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 5G network structure diagram

目前5G無線接入網(wǎng)（RAN）有兩種部署方式，分別為獨(dú)立組網(wǎng)（Stand Alone，SA）與非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）。SA獨(dú)立組網(wǎng)指的是從零開始新建5G網(wǎng)絡(luò)，包括基站、回程鏈路和核心網(wǎng)。NSA非獨(dú)立組網(wǎng)指的是利用現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施對5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，基于NSA架構(gòu)的5G承載僅承載用戶數(shù)據(jù)，控制信令仍然通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。5G NSA非獨(dú)立組網(wǎng)和SA獨(dú)立組網(wǎng)的設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)形式如圖2所示。

圖2 5G獨(dú)立組網(wǎng)與非獨(dú)立組網(wǎng)Fig.2 5G independent network and non-independent network

5G NSA非獨(dú)立組網(wǎng)的設(shè)備連接形態(tài)為移動臺通過4G基站或5G基站連接4G核心網(wǎng)。5G SA獨(dú)立組網(wǎng)的設(shè)備連接形態(tài)為移動臺通過5G基站連接5G核心網(wǎng)。5G NSA非獨(dú)立組網(wǎng)有2種體系，分別是2系和5系。5G SA獨(dú)立組網(wǎng)共有3種體系，分別是3系、4系、7系，其中3系又細(xì)分為選項(xiàng)3、選項(xiàng)3a和選項(xiàng)3x，4系又細(xì)分為選項(xiàng)4和選項(xiàng)4a，7系又細(xì)分為選項(xiàng)7、選項(xiàng)7a和選項(xiàng)7x。這樣一來，5G NSA非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)共有10種部署方案，可以進(jìn)行靈活部署。這10種部署方案如圖3所示。

圖3 10種5G組網(wǎng)部署方式Fig.3 10 5G network deployment modes

對于SA獨(dú)立組網(wǎng)，2系和5系的相同之處就是他們使用的都是5G核心網(wǎng)，不同之處則是基站設(shè)備有所差異。2系就是僅使用5G核心網(wǎng)和5G基站進(jìn)行部署，是5G的未來發(fā)展方向和最終形態(tài)。5系則是目前的過渡方案，需要對現(xiàn)有的4G基站進(jìn)行改造升級，由原來的4G基站LTE eNB升級為增強(qiáng)型4G基站eLTE eNB，由增強(qiáng)型4G基站eLTE eNB代替5G基站建立與5G核心網(wǎng)的連接。

3 高鐵環(huán)境下的無線信道

高速鐵路環(huán)境的分類如圖4所示。由于地形環(huán)境的不同，從移動臺發(fā)送攜帶信息的電磁波會進(jìn)行散射、繞射、反射等物理現(xiàn)象。此外，電磁波傳播還存在鏈路損耗和空間衰落，如多徑效應(yīng)、大尺度衰落等。因此，對高鐵環(huán)境進(jìn)行分類并根據(jù)各自信道特點(diǎn)進(jìn)行信道模型的構(gòu)建對分析高鐵5G網(wǎng)絡(luò)的部署十分有必要。其次在高鐵滿載時或者在高鐵站等人員密集場所勢必會引起擁塞、掉話等現(xiàn)象，通過合理地對高鐵環(huán)境下的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，改善提高信道容量、提高信息傳輸速率進(jìn)而改善用戶體驗(yàn)也很有必要。

圖4 高鐵典型場景Fig.4 Typical scene of high-speed railway

高速鐵路環(huán)境下建立信道模型的基礎(chǔ)方法有兩種，分別為確知性信道建模和隨機(jī)性信道建模。對于隨機(jī)性信道建?；蛘邊?shù)建模法，更多依賴于信道測量數(shù)據(jù)，如表1所示，從中提取信道特征并總結(jié)出其滿足的多維概率密度函數(shù)、分布函數(shù)等概率特性進(jìn)行隨機(jī)性信道建模。

表1 高鐵無線信道測量數(shù)據(jù)Tab.1 Wireless channel test data of high-speed railway

4 高鐵環(huán)境下的5G建設(shè)與規(guī)劃

國際電信聯(lián)盟給出了不同頻率電磁波在不同天氣條件下的空間傳播損耗，如圖5所示。

圖5 不同頻率電磁波在不同天氣條件下的空間傳播損耗Fig.5 Space propagation loss of electromagnetic waves of different frequencies under different weather conditions

目前公網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要基于Sub6 GHz頻段，帶寬分配情況為：中國電信占用3.4～3.5 GHz頻段，中國聯(lián)通占用3.5～3.6 GHz，中國移動占用2 515～2 615 MHz和4.8～4.9 GHz，中 國廣 電 占 用4.9～5 GHz，4家 運(yùn) 營 商 共 用3.3～3.4 GHz進(jìn)行室內(nèi)覆蓋。高速鐵路5G建設(shè)存在兩種思路，一種是申請專用頻段建設(shè)5G專網(wǎng)，另一種是與運(yùn)營商合作租用5G公網(wǎng)，通過軟切片和硬切片的方式保障鐵路運(yùn)輸通信業(yè)務(wù)需求。國內(nèi)高鐵列車運(yùn)行速度一般在200～500 km/h之間，5G技術(shù)應(yīng)用面臨的首要問題將是多普勒效應(yīng)。高鐵列車運(yùn)行速度越快，多普勒效應(yīng)越明顯。高鐵場景下的多普勒頻偏模型如圖6所示。

圖6 多普勒頻偏模型Fig.6 Doppler frequency offset model diagram

假設(shè)高速鐵路中基站頂端與軌道之間的垂直距離為Dmin，高鐵距離站軌距離最短點(diǎn)的距離為Ds，時間為t，5G電磁波信號與高鐵運(yùn)動方向之間的夾角為θ(t)，高鐵運(yùn)行速度為v，5G信號無線電波波長為λ，可求得頻率偏移的公式如公式（1）所示。

其中：

多普勒頻率偏移與高鐵運(yùn)行速度v、電磁波波長λ、電磁波傳播方向與高鐵運(yùn)動方向的夾角為θ(t)有關(guān)。當(dāng)高鐵運(yùn)行方向與5G電磁波信號方向夾角小于90°時，多普勒頻率偏移為正時，接收端頻率增大。反之接收頻率減少。

在高鐵運(yùn)行時，信號在4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz頻段下的頻率偏移分別近似為1.8 GHz頻段下的頻率頻移的3倍、2倍和1.5倍。原有4G基站分布的站間距和抗多普勒頻移算法難以解決像5G頻段這么高的頻率偏移。高鐵環(huán)境下5G基站應(yīng)配備裝有多普勒頻率偏移補(bǔ)償算法的設(shè)備，負(fù)責(zé)與移動臺之間的建立連接，實(shí)時監(jiān)控列車速度與位置，對上行信道采取多普勒頻率偏移補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償，從而改善頻偏帶來的影響。多普勒頻率便宜補(bǔ)償算法包括基于導(dǎo)頻的頻偏估算法、循環(huán)前綴的頻偏估計(jì)法、無限環(huán)境圖的頻偏估計(jì)法、導(dǎo)頻分段的頻偏估計(jì)等算法。除了物理層要解決多普勒頻偏和補(bǔ)償，高鐵網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃也非常重要。網(wǎng)絡(luò)部署首先要進(jìn)行鏈路預(yù)算，鏈路預(yù)算步驟如圖7所示。

圖7 高鐵5G通信鏈路預(yù)算步驟Fig.7 5G communication link budget steps of high-speed railway

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃最優(yōu)先考慮的應(yīng)該是小區(qū)覆蓋半徑，通過對路徑損耗進(jìn)行計(jì)算再根據(jù)3GPP的標(biāo)準(zhǔn)模型，如Rayce射線跟蹤模型等進(jìn)行基站小區(qū)半徑規(guī)劃，進(jìn)而得到單個5G基站gNB的覆蓋面積，再由總的信號覆蓋面積得到5G基站gNB的個數(shù)與位置規(guī)劃參數(shù)以及小區(qū)邊緣速率。如果小區(qū)半徑過大，邊緣接收天線的接收功率勢必降低，吞吐量下降，容易導(dǎo)致掉話。如果小區(qū)半徑過小，會引起小區(qū)盲點(diǎn)增多，這種情況只能依靠鄰近小區(qū)補(bǔ)盲。

為了保證高鐵環(huán)境下車輛兩側(cè)良好的信號覆蓋，5G基站gNB在軌道兩旁以“Z”字形的路線在軌道兩側(cè)逐次選址建設(shè)，確保在兩輛高鐵車輛會車時均能夠得到比較好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。為盡量降低車體穿透損耗，需要調(diào)整基站高度、基站與高鐵軌道之間的站軌距離使得θ（t）≥10°，站軌距離控制在35～120 m范圍內(nèi)，基站與高鐵之間的最小距離保持在80～200 m之間。高鐵列車經(jīng)過隧道時，采用泄露電纜可以解決基站無法在隧道中覆蓋的問題。高鐵列車經(jīng)停高鐵站時，推薦采用數(shù)字化分室覆蓋。采用多種移動通信數(shù)字化技術(shù)混合部署如（4G與5G混合部署的非獨(dú)立組網(wǎng)NSA）或者額外增加5G數(shù)字化分室模塊進(jìn)行部署。

5 結(jié)論

本文主要闡述了5G網(wǎng)絡(luò)與高鐵建設(shè)的研究背景及意義，介紹國內(nèi)外5G網(wǎng)絡(luò)部署的發(fā)展現(xiàn)狀以及5G無線接入網(wǎng)的部署種類與方法，給出高鐵5G網(wǎng)絡(luò)的無線信道分類及測量數(shù)據(jù)，分析指出多普勒頻率偏移問題是影響高速鐵路5G部署的關(guān)鍵問題之一，需要采用有效的抗多普勒頻移算法及設(shè)備，在5G網(wǎng)絡(luò)部署前須進(jìn)行完善的鏈路預(yù)算。