◆申方舟

無線通信與移動互聯(lián)網(wǎng)安全

基于5G需求的高鐵專網(wǎng)覆蓋思考

◆申方舟

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司南京分公司 江蘇 210003）

本文闡述分析了5GNR（5G New Radio，5G新空口）高鐵覆蓋的組網(wǎng)方案策略，就車體穿損、鏈路預(yù)算、覆蓋范圍、切換區(qū)規(guī)劃、方位與下傾角、站軌距、天線選擇等進行了較為詳細的分析，同時結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)測試、網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)，給出了解決方案。

高鐵；5G；專網(wǎng)；覆蓋方案

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，如何在運營中的高鐵列車上保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋成為運營商的重要問題。本文以中國移動為例，對比4G網(wǎng)絡(luò)高鐵專網(wǎng)覆蓋的技術(shù)要求，研究給出5G高鐵覆蓋方案。

1 高鐵覆蓋面臨的問題

信號損耗：高速鐵路列車車廂主要為鋼、鋁合金等構(gòu)成，車窗玻璃上還覆蓋有特殊貼膜影響信號穿透，無線信號穿透損耗大[1]。而最新型的復(fù)興號的車廂穿透損耗超過30dB（2.6G/3.5G頻段下）。

多普勒效應(yīng)造成的頻率偏移：信號頻率因車廂和基站的相對運動造成變化，高鐵場景下4G、5G系統(tǒng)受到多普勒效應(yīng)影響最大[2]。

小區(qū)間切換頻繁：高鐵用戶終端速度快、終端在某個小區(qū)在網(wǎng)時間短，容易脫網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)掉線等。

用戶行為特殊：用戶分布集中，所有的用戶都在列車內(nèi)，用戶主要使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，用戶對業(yè)務(wù)體驗較敏感。

2 高鐵5G覆蓋需求分析

2.1 覆蓋需求

5G系統(tǒng)覆蓋的評價指標(biāo)，主要以RSRP （Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率），對比TD-LTE，相應(yīng)的可得出NR（2.6GHz）的要求：RSRP>-107dBm（CRH）、RSRP>-110dBm（復(fù)興號）。

2.2 感知需求

通過現(xiàn)網(wǎng)話務(wù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和測試，可以評估上、下業(yè)務(wù)的感知體驗速率，進而確定小區(qū)邊緣用戶速率要求，指導(dǎo)建網(wǎng)策略。根據(jù)用戶行為、業(yè)務(wù)模式分析，考慮中期用戶行為變化情況，5G高鐵建網(wǎng)初期eMBB場景需求下，以下行3~5Mbps、上行500kbps~1Mbps作為基準指標(biāo)，可滿足用戶體驗需求。

2.3 容量需求

本次測算以兩列高鐵相遇、車內(nèi)上座率100%、移動用戶滲透率70%作為測算依據(jù)，總數(shù)據(jù)量需求不高于1000Mbps，在移動獲得100M（2.6G）頻段資源的情況下，高鐵專網(wǎng)建設(shè)主要為覆蓋受限、容量基本滿足需求。

3 5G高鐵覆蓋方案

3.1 車體穿損測算

本次測算基于2.6Ghz頻段考慮，采用目前較為常見的和諧號動車組28db穿損作為測算基準，和諧號穿損約31db、復(fù)興號穿損約33db。

3.2 不同站間距下的鏈路損耗測算

根據(jù)車速、時間、幾何關(guān)系來計算，切換+重選時延=0.5s，切換遲滯過渡區(qū)=2dB，計算結(jié)果如圖1：

由測算結(jié)果可見，若滿足-105~-107dbm左右覆蓋要求，可考慮400米左右站間距。

3.3 切換重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃

切換和重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃，5G高鐵切換重疊區(qū)的規(guī)劃方法，與TD-LTE基本相同。

3.3.1 LTE切換重疊覆蓋區(qū)計算

LTE基站站間距：

L=2*（覆蓋半徑2－站點離鐵路距離2）?－2*單向重疊覆蓋長度

不同的高鐵項目，站間距、站軌距均不同，切換重疊區(qū)也不同，移動集團要求4G網(wǎng)絡(luò)切換重疊區(qū)為200米。例如，典型站間距500m，站軌距100米，估算重疊切換區(qū)約為170米（優(yōu)化前）。

3.3.2 5G切換重疊覆蓋區(qū)計算

基于2.6G 的5ms單周期的共存子幀基礎(chǔ)上，計算小區(qū)切換重疊區(qū)，與TD-LTE優(yōu)化后的指標(biāo)一致：

（1）切換遲滯對應(yīng)距離：目前4G的配置是1dB，2.6G組網(wǎng)條件下，5G考慮同樣采用1dB，因此遲滯切換時延也是128ms；

（2）切換測量距離：對應(yīng)切換測量上報TTT，4G高鐵場景下從普通商用的320ms下調(diào)到了128ms，這個參數(shù)主要和終端的測量機制相關(guān)，5G仍為128ms；

（3）切換執(zhí)行時間：切換執(zhí)行時間，從handover command到目標(biāo)小區(qū)msg3的時間，仍為25ms。

結(jié)論：在350km/h下，一次切換所需單向距離約53m。

3.4 方位角和下傾角設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)經(jīng)驗，在垂直波瓣半功率角和水平波瓣半功率對準最遠覆蓋點效果最佳。

方位角設(shè)定：與掠射角相關(guān)，掠射角即為基站天線主瓣與列車車廂外立面的夾角（或鐵路平面），掠射角越小，天線主瓣方向需穿透的車廂壁厚越大，穿透損耗越大[3]。扇區(qū)夾角建議小于等于160°，為避免信號間重疊區(qū)域過大，夾角建議大于等于80°。

下傾角設(shè)定要求：與宏站相同，即天線上垂直波瓣3dB為準邊緣，向內(nèi)推進。

3.5 站軌距規(guī)劃

站軌距即為基站距離鐵路的最小距離，如果基站信號垂直與車廂（玻璃時），入射角最小、信號的穿損也最小，如果信號非垂直入射到車廂內(nèi)，入射角變大，穿透損耗也越大。據(jù)測試，20度內(nèi)，穿損受入射角變化影響較大，若小于10度，則呈指數(shù)衰減（圖2）。

圖2 30度入射角、不同站軌距情況下穿透損耗示意

合理站軌距范圍需要綜合考慮掠射角要求和最佳的覆蓋性能要求，盡量減少工程成本并提升網(wǎng)絡(luò)性能，2.6G NR覆蓋條件下，應(yīng)選擇100-150m站軌距。

3.6 天線選擇

高速鐵路的覆蓋，屬于線型場景的連續(xù)覆蓋、車廂高度變化較小，天線選擇受MIMO技術(shù)影響較小、受天線增益影響較大，天線能量需集中在主瓣方向（正對車廂方向），宜優(yōu)先選擇18dBi以上的2T2R（4G）、8T8R（5G）天線，且天線重量、尺寸應(yīng)滿足承載要求。

根據(jù)測試分析，30度左右天線性能最佳，45度天線覆蓋效果次之。

4 結(jié)束語

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是未來5-10年內(nèi)移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域最重要的任務(wù)之一，大帶寬、高數(shù)據(jù)流量需求場景下的高鐵覆蓋建設(shè)需求，是5G覆蓋建設(shè)需求的重要組成部分。通過合理分析，確定合理、滿足需求、滿足未來演進需求的5G覆蓋指標(biāo)，進而分析確定適宜的高鐵專網(wǎng)規(guī)劃原則，確保建設(shè)完成后網(wǎng)絡(luò)使用體驗滿足用戶需求，提高運營商5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵場景下的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，是本文的主要研究目標(biāo)。

[1]呂晨光，郭建光，王宇欣. 高鐵TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準化，2014（10）：29-32.

[2]常賀，齊志剛. TD—LTE高鐵覆蓋F／D頻段組網(wǎng)分析[J]. 互聯(lián)網(wǎng)天地，2016（3）：30-33.

[3]卜翠. 800MLTE高鐵覆蓋解決方案研究[J]. 移動信息， 2016（8）：142-143.