曾慶博

（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 第四分公司，河南 鄭州 450052）

0 引 言

隨著5G建設(shè)的不斷深入，5G網(wǎng)絡(luò)將逐漸朝著深度覆蓋、容量提升以及重點(diǎn)場景覆蓋的方向發(fā)展，但是由于5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)在空間傳播與穿透損耗方面存在著一定的差距，因此在一定程度上阻礙了5G高鐵連續(xù)場景的覆蓋?，F(xiàn)階段，為切實(shí)解決上述問題，深入研究高鐵場景的5G覆蓋成為了一項(xiàng)極為必要的工作。

1 高鐵場景5G覆蓋面臨的挑戰(zhàn)

2019年，我國正式發(fā)放5G牌照，5G網(wǎng)絡(luò)體系迅速在全國范圍內(nèi)開始鋪設(shè)，截止到2020年年底，開通的5G基站數(shù)量超過了7.18×105個(gè)。高鐵作為國內(nèi)交通的重要組成部分，2019年年底，我國的高鐵營業(yè)總里程達(dá)到了3.5×104km，截止到2020年年底，高速鐵路營業(yè)總里程超過了3.7×104km。高速場景不僅是5G網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建過程中不可忽略的關(guān)鍵點(diǎn)，同樣也是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點(diǎn)與難點(diǎn)。具體來說，由于5G信號(hào)所需的工作頻段較高，因此在高鐵覆蓋過程中，信號(hào)傳輸存在一定的穿透損耗、路徑損耗以及多普勒信號(hào)頻移等問題，并且往往會(huì)降低信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[1]。

1.1 場景較為復(fù)雜

在高鐵運(yùn)行過程中，經(jīng)過的外界環(huán)境較為復(fù)雜。具體來說，從高鐵經(jīng)過區(qū)域的人口與建筑密度角度來看，場景主要可以分成密集城區(qū)、一般城區(qū)、城郊以及農(nóng)村等區(qū)域；從區(qū)域地形的角度來看，場景主要可以分成平原和山區(qū)等。并且在經(jīng)過不同區(qū)域的過程中，高鐵的行駛速度往往存在一定的差別，這種情況導(dǎo)致無線信號(hào)的傳播特性存在一定的差異?，F(xiàn)階段，為切實(shí)保障5G信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性，制定具有針對性的高鐵覆蓋方案成為了一項(xiàng)必要的工作[2]。

1.2 多普勒信號(hào)頻移

由多普勒頻移理論可知，物體的移動(dòng)速度越快，多普勒頻移效應(yīng)越發(fā)明顯。高鐵的運(yùn)行速度超過了259 km/h，多普勒頻移效應(yīng)越發(fā)明顯。同時(shí)，即使是在相同的運(yùn)動(dòng)速度下，系統(tǒng)工作頻率越高，多普勒頻移效應(yīng)將會(huì)越發(fā)明顯。這種情況的存在將會(huì)使系統(tǒng)的解調(diào)性能大幅度下降，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。部分頻段在不同速度下多普勒頻移的具體情況如表1所示[3]。

表1 不同運(yùn)動(dòng)速度下不同頻段信號(hào)的多普勒頻移

1.3 車廂穿透損耗大

高速列車車廂采用的是全封閉式設(shè)計(jì)，部分車型的車廂應(yīng)用了金屬鍍膜玻璃，在保證列車行車安全的同時(shí)，大大減少了信號(hào)傳輸?shù)膿p耗，進(jìn)而增加了乘客使用信號(hào)的可靠性。在當(dāng)前5G信號(hào)場景覆蓋的過程中，可以根據(jù)不同的測試情況計(jì)算損耗。舉例來說，和諧號(hào)車廂在2.6 GHz下的穿透損耗為30 dB、3.5 GHz下的損耗為33 dB，復(fù)興號(hào)車廂在2.6 GHz下的穿透損耗率為33 dB、3.5 GHz下的損耗為36 dB[4]。

1.4 切換較為頻繁

假設(shè)列車的行進(jìn)速度為350 km/h，并且經(jīng)過的外界環(huán)境小區(qū)切換較為頻繁，若小區(qū)間的信號(hào)重疊度相對較低，高鐵覆蓋的切換帶設(shè)置不夠合理或者切換參數(shù)設(shè)置不夠合理，那么信號(hào)端在高鐵上進(jìn)行信號(hào)切換時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)切換速度較慢或掉線等問題，進(jìn)而導(dǎo)致乘客終端信號(hào)質(zhì)量較差，掉話率提升，影響用戶業(yè)務(wù)感知[5]。

2 高鐵場景5G覆蓋的具體方法

當(dāng)前高鐵需要覆蓋5G信號(hào)的場景包括候車廳、售票處以及站臺(tái)等部分在內(nèi)的車站與軌行區(qū)兩部分。其中，車站作為室內(nèi)高流量的場景，用戶移動(dòng)速度慢，人員密集，所需流量吞吐量大，因此在布置這部分場景5G數(shù)據(jù)的過程中，可以依據(jù)車站的規(guī)格和人流量等情況，選擇合適的布線系統(tǒng)或數(shù)字化室分系統(tǒng)，完成5G信號(hào)的覆蓋。高鐵軌行區(qū)作為室外場景，有著速度快、人員集中、列車經(jīng)過基站時(shí)業(yè)務(wù)量明顯增加以及地理環(huán)境變化情況較為復(fù)雜等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，為滿足高鐵對于5G信號(hào)的需要，可以通過室外宏蜂窩基站對軌行區(qū)進(jìn)行線性數(shù)據(jù)信號(hào)覆蓋，同時(shí)為滿足軌行區(qū)軌道部分對于信號(hào)的需要，可以在考慮到軌道長度的基礎(chǔ)上，通過在隧道口進(jìn)行宏蜂窩覆蓋、在軌道中進(jìn)行內(nèi)泄漏電纜、小板狀天線覆蓋等方式，保證軌道內(nèi)的信號(hào)穩(wěn)定性[6]。

2.1 高鐵場景建設(shè)原則

在當(dāng)前的高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，為切實(shí)保證乘客能夠在通行過程中正常應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信功能，需要保證高鐵場景建設(shè)能夠滿足共享共建、站址選擇、針對性規(guī)劃以及小區(qū)合并組網(wǎng)等方面的原則。

2.1.1 共享共建原則

在5G無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，受基站站址和供電資源等方面的限制，若單獨(dú)由一家運(yùn)營商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)，則可能會(huì)消耗較多的人力、物力以及時(shí)間資源?，F(xiàn)階段，為切實(shí)滿足快速、低成本高鐵線路5G無線網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)要求，可以由多家運(yùn)營商以共建共享原則為基礎(chǔ)，開展網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)工作，降低網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)困難[7]。

2.1.2 站址選擇原則

從高鐵天線的角度來看，現(xiàn)網(wǎng)高鐵天線主要可以分成33°窄水平波束天線與65°寬水平波束天線兩種，兩者的差異主要體現(xiàn)在水平波束寬度、垂直波束寬度與增益等方面，在F頻段（1.9 GHz）間的差別如表2所示?，F(xiàn)階段，為降低5G高鐵場景覆蓋投資，可以在明確當(dāng)前信號(hào)基站的基礎(chǔ)上，圍繞高鐵路線與無線信號(hào)穿透損耗等情況，以舊基站為主，建設(shè)新基站。在實(shí)際建設(shè)過程中，5G基站與軌道的垂直距離可以為150～200 m[8]。

表2 33°窄水平波束天線與65°寬水平波束天線間的差別

2.1.3 針對性規(guī)劃原則

在當(dāng)前的高鐵場景5G覆蓋體系構(gòu)建的過程中，對于站內(nèi)、室外路線與軌道場景需采用不同的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。一般情況下，在進(jìn)行高鐵站內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)過程中，面對站內(nèi)乘客對網(wǎng)絡(luò)信號(hào)容量需求較大以及對信號(hào)穩(wěn)定性要求較高的情況，可以將有源室分覆蓋方式應(yīng)用于高鐵站內(nèi)。在進(jìn)行隧道5G網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)過程中，可以采用泄漏電纜的方式實(shí)現(xiàn)5G信號(hào)的全覆蓋，需要注意的是，由于傳統(tǒng)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用無法支持3.5 GHz頻段信號(hào)的13/8時(shí)漏纜，為切實(shí)滿足5G信號(hào)傳輸?shù)男枰枰獙⒙├|更換為5/4時(shí)漏纜。在進(jìn)行室外5G網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)過程中，宏基站是保證信號(hào)覆蓋的主要方式。5G網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建過程中，可以在對4G基站進(jìn)行優(yōu)化，疊加5G基站的同時(shí)，通過在信號(hào)弱覆蓋區(qū)域建設(shè)少量新站點(diǎn)的方式，滿足室外5G場景覆蓋的需要，降低建設(shè)成本[9]。

2.1.4 小區(qū)并網(wǎng)原則

面對高鐵列車移動(dòng)速度快和小區(qū)切換較為頻繁的情況，一方面可以采用增加切換區(qū)域重疊區(qū)域長度的方式，滿足信號(hào)切換的時(shí)間需要，另一方面可以采用合并小區(qū)的方式，盡量減少列車經(jīng)過的小區(qū)，切實(shí)提升列車經(jīng)過時(shí)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。需要注意的是，在應(yīng)用小區(qū)合并方案的過程中，需要提升對小區(qū)并網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)容量下降問題的關(guān)注度。

2.2 設(shè)備選型

分析設(shè)備性能時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，64T64R設(shè)備有較強(qiáng)的覆蓋能力，小區(qū)容量較高，8T8R設(shè)備覆蓋能力弱于64T64R設(shè)備，容量也偏低，而32T32R設(shè)備與16T16R設(shè)備則處于上述兩者之間。在實(shí)際應(yīng)用過程中，64T64R設(shè)備的應(yīng)用可以有效提高基站容量，通過多天線實(shí)現(xiàn)較高的分級(jí)接收增益或波束賦形增益，因此多應(yīng)用在人流量較大、移動(dòng)速度較慢以及業(yè)務(wù)需求量高的高鐵站。但對于移動(dòng)較快的高鐵沿線，受無線信號(hào)主要路徑為直射路線的影響，64T64R設(shè)備往往無法有效發(fā)揮自身優(yōu)勢，因此可以通過在應(yīng)用大功率低流量設(shè)備的基礎(chǔ)上疊加高增益窄波束天線的方式，切實(shí)實(shí)現(xiàn)高鐵路線5G信號(hào)的有效覆蓋[10]。

2.3 針對性建設(shè)手段

2.3.1 多普勒頻移問題的處理方式

在當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)高鐵覆蓋工作落實(shí)過程中，多普勒頻移問題是指移動(dòng)端相對基站快速移動(dòng)導(dǎo)致相位與頻率迅速變化，無法有效通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化等方式解決。面對這種情況，設(shè)備廠商在開發(fā)5G網(wǎng)絡(luò)上下行糾偏算法的過程中，需要盡量提升基站與終端糾偏的能力，以便切實(shí)解決上述問題的影響。

2.3.2 信號(hào)頻繁切換問題的處理方案

在實(shí)施4G網(wǎng)絡(luò)高鐵覆蓋的過程中，相關(guān)工作人員通過應(yīng)用多小區(qū)合并技術(shù)減少信號(hào)的切換次數(shù)。但在這一技術(shù)的應(yīng)用過程中，將不可避免地導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量和使用質(zhì)量下降?，F(xiàn)階段，在5G網(wǎng)絡(luò)高鐵覆蓋工作落實(shí)的過程中，若仍使用多小區(qū)合并技術(shù)則需要明確小區(qū)網(wǎng)絡(luò)容量下降的情況，并通過將多個(gè)廣播通道相同小區(qū)合并成一個(gè)邏輯小區(qū)的方式，避免容量大幅度下降的問題[11]。

2.3.3 站間距的設(shè)計(jì)方案

在高鐵場景5G覆蓋的過程中，穿透損耗是不可忽視的關(guān)鍵性問題?，F(xiàn)階段，為切實(shí)避免穿透損耗影響信號(hào)使用穩(wěn)定性，可以設(shè)置高鐵場景站間距如表3所示。

表3 高鐵站間距設(shè)置情況

3 結(jié) 論

在我國高鐵總里程不斷增加的當(dāng)下，為了在滿足乘客交通需求的基礎(chǔ)上滿足其對于通信網(wǎng)絡(luò)的需要，開展高鐵場景5G覆蓋工作成為了極為必要的工作。但在5G覆蓋工作落實(shí)過程中，由于存在列車速度快和信號(hào)車體穿透損耗大等問題，為保證5G信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，就必須制定科學(xué)合理的高鐵場景5G覆蓋方案。