1 引言

截至2019年底，中國高速鐵路營業(yè)總里程達3.5萬千米。隨著高鐵路網(wǎng)密度快速增長，旅客發(fā)送量不斷增加，高鐵通信逐步成為各通信運營商提升品牌效益和客戶黏合度的競爭領(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行時速快、車體穿透損耗大、業(yè)務(wù)突發(fā)性強等特點，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聯(lián)通濟南分公司在濟青高鐵董家鎮(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，開通了全國首個在高鐵場景的5G網(wǎng)絡(luò)。此方案是在高鐵場景下進行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的創(chuàng)新方案。本方案針對性地解決了5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵場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)在高鐵場景的覆蓋效果和語音質(zhì)量，為中國聯(lián)通高鐵5G建設(shè)提供了新的參考依據(jù)。

2 高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)部署特點

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）、空口時延低于0.5 ms、低功耗大連接密度（連接數(shù)密度可達1 000 k/km2）、高移動性（可滿足500 km/h）等特點。為滿足5G網(wǎng)絡(luò)不同場景下的應(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)對容量、覆蓋、性能等方面的要求。

無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，因此在進行網(wǎng)絡(luò)部署時對于潛在頻率資源需要評估，選擇最優(yōu)的頻譜。

工信部授權(quán)中國聯(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。同時由于高速的場景將導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)的MIMO技術(shù)難以實現(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 高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

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

2.2.1 多普勒頻移

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

多普勒頻移計算公式為：

其中：Δf為多普勒頻移，上行多普勒頻移計算時f對應(yīng)上行發(fā)射頻率，下行多普勒頻移計算時f對應(yīng)下行發(fā)射頻率，對于NR 2.6 GHz（TDD雙工方式）的5G系統(tǒng)來說，上下行頻率是一樣的。

θ 為終端移動方向和信號傳播方向的角度；

v 是終端運動速度，m/s；

C 為電磁波傳播速度，3＊108 m/s；

F 為載波頻率。

圖1是高鐵場景通信時的頻移產(chǎn)生示意圖，假設(shè)頻偏后接收到的頻率為f0，當(dāng)移動臺靠近基站時為f0＝f+fd，當(dāng)移動臺遠(yuǎn)離基站時為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)離基站時候會產(chǎn)生一個-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-fd的頻偏，可知此時基站接收到的頻率為（f0-fd）-fd=f0-2fd。

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

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

高鐵在高速運行時，終端穿越切換區(qū)的時間變得很短，以至于穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時延，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)過小，將會導(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，對于高速鐵路沿線的網(wǎng)絡(luò)，要根據(jù)切換啟動門限參數(shù)的設(shè)計，以及完成切換流程所需的時間統(tǒng)計，估算切換區(qū)所需的重疊覆蓋區(qū)域大小。只有當(dāng)兩個小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域設(shè)計得足夠大，才能保證UE將滿足切換條件的測量事件上報之后，有足夠的時間跨越整個重疊覆蓋區(qū)。

另外從高鐵實測數(shù)據(jù)來看，列車運行過程中，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。因此高鐵場景頻繁的小區(qū)切換對網(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)過時話務(wù)量劇增，導(dǎo)致忙時話務(wù)量和閑時話務(wù)量差距明顯，呈現(xiàn)明顯的波動趨勢。特殊情況下，往返兩輛高鐵會車，話務(wù)量會在短時間內(nèi)劇增，導(dǎo)致容量受限、用戶體驗下降。

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，相對于普通列車，穿損進一步加大。車廂的穿透損耗會影響車廂內(nèi)終端接收信號的強度，從而影響到信號在車廂內(nèi)的覆蓋。新型全封閉高鐵動車組列車帶來的高穿透損耗，相比普通列車增加約10 dB損耗。其中濟青高鐵復(fù)興號車體損耗較其他列車穿透損耗更大，目前常見車型的材質(zhì)、穿透損耗值進行的測試統(tǒng)計值如表2所示。

2.3 高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)特性分析

2.3.1 頻移估計與補償

多普勒頻移增大帶來接收機解調(diào)性能惡化，對糾偏算法的性能要求更高。普勒頻偏會導(dǎo)致終端在高速移動時無法正常工作，非高鐵下PUSCH高階調(diào)制系統(tǒng)性能也會有2～3 dB的損失。為應(yīng)對多普勒頻移，采用了AFC算法進行上下行預(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。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小區(qū)（TRP）合并為一個小區(qū)，在該小區(qū)中，所有TRP（Transmission and Reception Point：發(fā)射及接收點）使用相同的PCI（Physical-layer cell identity：物理小區(qū)號）。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小區(qū)信號變成多徑疊加增強的信號，數(shù)據(jù)信道獨立發(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。當(dāng)前最大支持12個TRP合并為一個小區(qū)。

以高鐵時速300 km/h，平均站間距500～650米為例，高鐵在高速運行中，平均每6～8秒就會進行一次小區(qū)切換，導(dǎo)致掉話率極高，用戶體驗感知度較差。華為自主研發(fā)的12小區(qū)合并方案，可以將小區(qū)切換時間延長至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。

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)高速鐵路客運特點、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)方式進行覆蓋，其中RRU和天線是無線覆蓋的重點，選擇合適的RRU型號以及天線類型，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）站點布局

對于直線軌道，相鄰站點宜交錯分布于鐵路的兩側(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

本案例的測試路段位于濟青鐵路北線董家鎮(zhèn)以西至?xí)r家莊村以東，高鐵設(shè)計速度350千米/小時，全程約5.8公里，地勢平坦，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 站點規(guī)劃圖

濟青鐵路北線測試路段采用功率為400 W，8T8R設(shè)備站點，每個設(shè)備配置為S11類型，基站站址全部利舊原有鐵塔。5G基站主要覆蓋濟青鐵路北線董家鎮(zhèn)高鐵路段沿線區(qū)域。每個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機房。

3.4 效果分析

（1）覆蓋效果

此次測試過程中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測試結(jié)果軌跡圖

圖9 SINR測試結(jié)果軌跡圖

（2）體驗速率測試效果

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，測試效果良好。相關(guān)測試結(jié)果如表7、圖10、圖11所示。

表7 上下行體驗速率指標(biāo)分析（Mbit/s）

圖10 下載速率測試軌跡圖

圖11 上傳速率測試軌跡圖

通過本案例的測試路段分析，在高鐵場景我們通過利用大功率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)致的掉線以及測試終端5G脫網(wǎng)現(xiàn)象。并且在同車廂同時進行5G/4G對比測試，測試分析顯示5G速率提升超過4G的22倍以上，極大改善了高鐵移網(wǎng)用戶的速率體驗，達到全國領(lǐng)先水平。

4 結(jié)束語

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