高鐵場(chǎng)景5G 覆蓋策略研究

龔陳寶

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

5G 相比4G 具有帶寬大、延時(shí)小、支持更高移動(dòng)速率及接納更多連接用戶數(shù)的優(yōu)勢(shì)，而高鐵具有瞬時(shí)用戶數(shù)多、速度快、多普勒頻移效應(yīng)明顯等特殊性，盡快實(shí)現(xiàn)高鐵5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋至關(guān)重要。

1 高鐵場(chǎng)景覆蓋難點(diǎn)

1.1 列車穿透損耗大

高速列車采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，安全舒適的車廂設(shè)計(jì)增大了車體損耗，22 種類型的CRH（中國(guó)高鐵）列車具有不同的穿透損耗，損耗最大的列車車型高達(dá)40dB。

1.2 多譜勒效應(yīng)明顯

目前滬寧高鐵上運(yùn)行的列車主要以CRH2C 和CRH380D型為主，京滬高鐵上運(yùn)行的列車以CRH380B 與復(fù)興號(hào)CR400列車為主。多普勒頻偏如圖1 所示。

圖1 多譜勒頻偏

根據(jù)多普勒原理，在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)頻率變低，計(jì)算出目前高鐵會(huì)帶來的多普勒頻偏，詳情見表1 所示。

表1 各頻段不同速率多譜勒偏移量

可以看出，速度越快頻率越高，帶來的多普勒頻偏影響越大，在車速350 公里/小時(shí)的情況下，3.5G 上行的頻偏達(dá)到了2.2KHz。雖然NR（新空口）3.5G 使用了100M 的寬頻帶，但由于子載波都是使用30Khz 的小帶寬，所以頻偏對(duì)接收機(jī)性能下降影響較大，終端極易上行失步，導(dǎo)致接入失敗等現(xiàn)象。

1.3 高鐵覆蓋場(chǎng)景復(fù)雜

我國(guó)幅員廣闊，地形復(fù)雜多樣，高速鐵路穿越的區(qū)域類型多種多樣，一條高速鐵路可能經(jīng)過市區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村等多個(gè)行政區(qū)域，貫穿了多種地形地貌，如平原、山地、丘陵，以及長(zhǎng)江大橋、隧道等特殊場(chǎng)景，不同的場(chǎng)景需要采取不一樣的覆蓋策略，才能在投入和覆蓋效果方面取得最優(yōu)的平衡。

2 高鐵場(chǎng)景5G 覆蓋策略

2.1 5G 覆蓋規(guī)劃策略

（1）BBU 規(guī)整及站間距原則

目前5G 采用100M 帶寬，一個(gè)BBU（基帶處理單元）有12 個(gè)光口對(duì)接小區(qū)，沿線每個(gè)基站采用兩個(gè)扇區(qū)覆蓋高鐵，經(jīng)過估算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，可以對(duì)連續(xù)6 個(gè)高鐵站進(jìn)行小區(qū)合并，減少切換且無容量擁塞問題，所以在建設(shè)高鐵專網(wǎng)之前，需提前對(duì)BBU 進(jìn)行機(jī)房規(guī)整，方便后續(xù)合并小區(qū)。

（2）高速鐵路線路覆蓋原則

電波在自由空間傳播損耗=32.4+20lgD+20lgF。

D 為距離，單位：Km；F 為頻率，單位：MHz。

所以距離一定的情況下，頻率越高，損耗越大，3.5G 頻段相比1.8G 頻段損耗大6dB 左右。

根據(jù)傳播損耗模型：終端接收功率=基站發(fā)射功率-自由空間傳播損耗-車體損耗

如將終端接收功率RSRP（參考信號(hào)接收功率）=-105dBm，設(shè)為小區(qū)覆蓋邊緣信號(hào)接收強(qiáng)度，可以得到基站此時(shí)的小區(qū)邊緣覆蓋距離R。

站軌距與掠射角的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 站軌距與掠射角關(guān)系

通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證，我們確定了高鐵5G 覆蓋如下原則：

（1）站軌距及高度

NR3.5G 站點(diǎn)距離軌道150-250 米、高于鐵軌15-20 米效果最佳，目前江蘇境內(nèi)高鐵大部分都是采用高架架設(shè)，從而杜絕與其它鐵路的相互影響及受到破壞，高架的高鐵基本在15～20米之間，所以一般天線掛高要求在35～40 米。

（2）天線選用

雖然4G 和5G 的穿透損耗、最小掠射角基本相同，但路徑損耗差別大，單站覆蓋距離相差500 米，所以建議站間距較大路段，5G 原則上使用8TR 高性能天線。

（3）信源選擇

由于當(dāng)前AAU（有源天線單元）暫不支持高速特性，滬寧線路又特別繁忙，江蘇高鐵滬寧線基站都是采用BBU+RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）覆蓋。江蘇境內(nèi)高鐵穿越市縣城區(qū)，特別是滬寧高鐵穿越了最繁華的蘇錫常等蘇南5 個(gè)地市的核心城區(qū)，高鐵沿線基站都是以覆蓋高鐵為主，其它區(qū)域?yàn)檩o。

（4）下凹地形

如圖3 所示，狹長(zhǎng)地形的特點(diǎn)是地形內(nèi)凹，具有一定方向性，天線掛高要充分考慮地勢(shì)的影響，以便信號(hào)有效覆蓋。

圖3 下凹地形示意圖

典型下凹地形站軌距離如表2 所示。

表2 下凹地形站軌距離值（單位：米）

其他一些常規(guī)布站原則：對(duì)于直線鐵軌，最佳為“之”字形布站方式，基站沿鐵路線兩側(cè)交叉分布；“）”型彎道鐵軌列車軌道彎曲部分布站時(shí)，站點(diǎn)要選擇在曲線彎曲的內(nèi)側(cè)。

高速鐵路隧道覆蓋原則：

（1）短隧道

沿用現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋方式，采用H 桿+RRU，通過拉遠(yuǎn)方式在隧道口室外信號(hào)內(nèi)打，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道及隧道外延伸區(qū)域的覆蓋。

（2）長(zhǎng)隧道

采用泄漏電纜進(jìn)行覆蓋，漏纜安裝高度一般在車窗上方位置的隧道墻壁，更貼近于用戶終端，為了保證隧道內(nèi)外信號(hào)的平穩(wěn)過渡切換，在隧道兩端要設(shè)置外打天線，對(duì)于隧道覆蓋應(yīng)充分考慮泄漏電纜的使用，隧道內(nèi)應(yīng)采用低耦合損耗、低衰減的泄漏電纜。通過鏈路預(yù)算可以知道，目前鐵路上每500 米一個(gè)洞室能滿足NR3.5G 信源的放置要求，但真正信源的放置位置要結(jié)合與鐵路部門的協(xié)調(diào)來具體確定。

2.2 5G 射頻優(yōu)化策略

5G 較4G 具有頻段高、繞射能力差、覆蓋距離短的特點(diǎn)，相應(yīng)的5G 天線較4G 天線波瓣更窄、增益更高。針對(duì)這一規(guī)律，通過理論和大量的測(cè)試實(shí)踐歸納總結(jié)，得出5G 的SINR（信噪比）和鄰區(qū)內(nèi)6dB 內(nèi)分支數(shù)存在緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系，鄰區(qū)中存在6dB 內(nèi)1 路/2 路/3 路分支時(shí)，最強(qiáng)SINR 分別對(duì)應(yīng)20dB/15dB/10dB，因此對(duì)于鐵路沿線RSRP 高于-85dBm 區(qū)域6dB 內(nèi)少于2 路信號(hào)時(shí)，可以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更優(yōu)。

2.3 5G 參數(shù)優(yōu)化策略

2.3.1 采用專用頻段覆蓋

目前中國(guó)電信大網(wǎng)采用3.4G-3.5G 頻段覆蓋，電信和聯(lián)通5G 一張網(wǎng)，還有聯(lián)通的100M 帶寬沒有使用，高鐵NR3.5G 采用3.5G-3.6G 專用頻段覆蓋，信號(hào)更加純凈，覆蓋質(zhì)量更優(yōu)。

2.3.2 高速標(biāo)簽

高鐵多譜勒效應(yīng)明顯，特別是上行隨機(jī)接入極易失敗，發(fā)生上行失步脫網(wǎng)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)當(dāng)前兩家主流設(shè)備廠家，5G RRU都是支持高速特性的，AAU 暫不支持，覆蓋高鐵線路5G 基站開通前需提前和廠家溝通好高速license，以免開通后小區(qū)不支持高速特性。

2.3.3 5G 切換參數(shù)及4/5G 互操作策略

（1）5G 切換參數(shù)

將5G 同頻切換參數(shù)A3 偏置與遲滯都由默認(rèn)值3 和3 設(shè)置成1 和1，及早觸發(fā)切換，將timetotriger（時(shí)間觸發(fā)器）由默認(rèn)值320ms 設(shè)置成40ms，及早切換成功。

（2）4/5G 互操作策略

在5G 連續(xù)覆蓋路段，優(yōu)先駐留在5G 網(wǎng)絡(luò)；4/5G 邊界，將4/5G 互操作參數(shù)配置成早觸發(fā)、早切換完成，防止信號(hào)急劇劣化，來不及切換拖死現(xiàn)象。

3 高鐵場(chǎng)景5G 覆蓋試點(diǎn)驗(yàn)證

試驗(yàn)路段選?。哼x取京滬高鐵南京北段，從安徽邊界至浦口上張南8 公里左右，涉及高鐵沿線16 個(gè)5G 基站，對(duì)連續(xù)4 個(gè)基站8 個(gè)小區(qū)進(jìn)行BBU 規(guī)整合并，以減少切換次數(shù)，采用3.5G-3.6G 專用頻段。對(duì)測(cè)試日志進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)路段覆蓋率達(dá)到99.24%，應(yīng)用層平均下行速率214Mbps，應(yīng)用層平均上行速率62Mbps，用戶使用感知良好。

4 結(jié)束語

通過對(duì)高鐵場(chǎng)景特性及覆蓋難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了針對(duì)高鐵場(chǎng)景的5G 覆蓋規(guī)劃原則、射頻優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化策略，并在試點(diǎn)高鐵路段取得了很好的覆蓋驗(yàn)證效果，極大提升了高鐵用戶使用感知。