［馬丹 遲明仁 李鳳花 馬云剛］

1 引言

截止2021 年底，中國高速鐵路里程突破4 萬公里，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(yùn)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。高鐵的5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不僅需要保證連續(xù)覆蓋，又要提供優(yōu)質(zhì)、高速的業(yè)務(wù)，提高用戶感知度。因此在解決高鐵5G 覆蓋需求時(shí)，建設(shè)高質(zhì)量的高鐵5G 網(wǎng)絡(luò)對于運(yùn)營商提升品牌形象和增強(qiáng)高端客戶粘合度非常重要。

但5G 網(wǎng)絡(luò)更高的頻段對覆蓋能力提出了更高要求，使得高鐵5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，如高鐵具有運(yùn)行時(shí)速快、車體穿透損耗大、上行PUSCH 受限、小區(qū)切換頻繁、業(yè)務(wù)突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)。針對高鐵5G 建設(shè)存在的問題，山東聯(lián)通致力于高鐵5G 覆蓋技術(shù)的研究，并在魯南高鐵進(jìn)行了多項(xiàng)功能的測試及網(wǎng)絡(luò)性能對比，積累了寶貴的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)高鐵5G 建設(shè)提供了新的參考依據(jù)。

2 高鐵5G 覆蓋技術(shù)

2.1 高鐵5G 覆蓋存在的問題

高鐵具有列車速度快、車體穿透損耗大、鐵路線路長和穿越地形種類多等特點(diǎn)，是一個(gè)比較特殊的覆蓋場景，高鐵覆蓋主要面臨以下問題[1]。

（1）快衰落影響

快衰落變化速度與UE 行進(jìn)速度、工作頻率有關(guān)，比如對于2.1 GHz 頻率覆蓋時(shí)速350 km 的高速火車，快衰落變化速度為1 360 Hz，變化幅度可達(dá)數(shù)10 dB。當(dāng)UE行進(jìn)速度大于150 km/h 時(shí)，快速功率控制失效，列車快速靠近或遠(yuǎn)離基站時(shí)，遠(yuǎn)近效應(yīng)產(chǎn)生的干擾會影響系統(tǒng)性能。

（2）多普勒頻移影響

接收機(jī)采用相干解調(diào)的檢波方式，解調(diào)載波應(yīng)與接收信號的頻率和相位相同，多普勒頻移會影響接收機(jī)解調(diào)性能，降低通信質(zhì)量。

（3）終端頻繁小區(qū)切換、重選

時(shí)速350 km 的列車相當(dāng)于每秒走97 m，如果小區(qū)覆蓋范圍為2 km，則每20 s 會發(fā)生1 次小區(qū)切換或重選。1 次60 s 時(shí)長的語音通話，會發(fā)生3 次切換。如此頻繁的切換和重選，再加上信號起伏較大，會降低切換和重選的成功率，影響通信質(zhì)量。

針對上述問題，目前采用的解決辦法主要有以下幾種。

1、提高覆蓋設(shè)計(jì)指標(biāo)，使高鐵沿線保持較高的覆蓋電平，留一定余量來抵抗快衰落。

2、基站設(shè)備采用克服多普勒頻移的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻偏補(bǔ)償。

3、擴(kuò)大單小區(qū)覆蓋距離，減少小區(qū)切換和重選次數(shù)。

4、相鄰小區(qū)間設(shè)置足夠長的重疊區(qū)域，保證小區(qū)切換和重選順利完成。

2.2 高鐵5G 覆蓋建設(shè)關(guān)鍵點(diǎn)

高鐵線路5G 覆蓋在建設(shè)過程中需考慮站軌距的規(guī)劃、天線方位角及下傾角規(guī)劃，還需兼顧容量和覆蓋需求進(jìn)行小區(qū)合并。

（1）站軌距規(guī)劃

站規(guī)距是指站址到鐵軌的垂直距離，站規(guī)距越小，多普勒頻移越顯著。站規(guī)距小于100 m 時(shí)，對頻移影響明顯，郊區(qū)鐵路沿線地貌空曠時(shí)，站規(guī)距最好大一些，城區(qū)建筑物較多較多，站規(guī)距可以取值比較小。根據(jù)相關(guān)測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，高鐵列車車廂穿透損耗隨著掠射角的減小而增加，當(dāng)掠射角在10°內(nèi)時(shí)，列車穿透損耗快速增加，所以在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，掠射角應(yīng)不小于10°，建議在20°以上。站軌距與掠射角的關(guān)系：假定覆蓋半徑R=300 m，站高h(yuǎn) 為30 m，掠射角θ=20°，此時(shí)站軌距D=102 m；若站軌距縮小到D=52 m，則此時(shí)掠射角=10°。所以建議站軌距為100～150 m，考慮工程實(shí)施難度，最大可放寬到50～200 m，站軌距與掠射角的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 站軌距與掠射角示意圖

（2）天線方位角及下傾角規(guī)劃

對于原有4G高鐵已優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，且5G站點(diǎn)按4G站點(diǎn)1：1 建站的情況，優(yōu)先考慮繼承原有4G 站點(diǎn)的方位角和下傾角；對于新建5G 站點(diǎn)，初始方向角規(guī)劃需遵循：垂直波瓣上半功率角和水平波瓣外側(cè)半功率對準(zhǔn)最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)，最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)需考慮100～110 m 左右的切換帶，即覆蓋邊緣為兩個(gè)相鄰小區(qū)軌道覆蓋中點(diǎn)偏移1/2 切換帶的位置；初始下傾角與方位角算法類似，使用天線上半功率角對準(zhǔn)覆蓋邊緣，方位角及下傾角規(guī)劃示意圖如圖2 所示[2]。

圖2 方位角及下傾角規(guī)劃示意圖

（3）小區(qū)合并兼并容量及覆蓋

常用的多RRU 小區(qū)合并方式有：雙RRU 背靠背小區(qū)合并、多RRU 共小區(qū)方案。

①雙RRU 背靠背小區(qū)合并，是指2 個(gè)RRU 共一個(gè)小區(qū)，下行兩個(gè)天線發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，上行2 個(gè)RRU 的信號作為1 個(gè)小區(qū)的多個(gè)天線信號處理，沒有噪聲疊加。雙RRU 背靠背小區(qū)合并示意圖如圖3 所示。

② 多RRU 共小區(qū)方案，是指采用基帶合并MRRU技術(shù)對多RRU 共小區(qū)。該合并小區(qū)技術(shù)是在基帶實(shí)現(xiàn)的，不抬升小區(qū)底噪。生成的下行信號復(fù)制成多份發(fā)送給各個(gè)RRU，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)各個(gè)RRU 使用相同的發(fā)射功率。多RRU 并聯(lián)共小區(qū)方案示意圖如圖4 所示。

圖3 雙RRU 背靠背小區(qū)合并示意圖

圖4 多RRU 并聯(lián)共小區(qū)方案示意圖

對于高鐵覆蓋上，為了減少切換帶，優(yōu)先選用多RRU 共小區(qū)方式，建議小區(qū)合并數(shù)量不超過6 個(gè)。對于RRU 級聯(lián)，由于受到設(shè)備光口配置的限制，建議RRU 級聯(lián)數(shù)量不超過4 級。

2.3 高鐵5G 覆蓋設(shè)備選型

基站設(shè)備選型，設(shè)備選型應(yīng)本著技術(shù)先進(jìn)，價(jià)格合理的原則，從技術(shù)演進(jìn)、設(shè)備功能、組網(wǎng)靈活性、環(huán)境使用條件及安裝維護(hù)等方面綜合考慮進(jìn)行選取。

無線傳播環(huán)境的復(fù)雜性決定了無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案的多樣性，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中常用的設(shè)備類型有：分布式基站、一體化基站和微功率基站等。不同類型設(shè)備主要特性比較，如表1 所示。

綜上所述，5G 基站設(shè)備以分布式基站為主，在無法提供機(jī)房的站址可采用室外一體化基站快速部署，在小范圍弱信號區(qū)或局部盲區(qū)的覆蓋可采用小微基站，在少量沒有機(jī)房的站址可采用獨(dú)立RRU 解決。根據(jù)前期高鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，高鐵基站設(shè)備的主要站型建議按下表選擇，如表2 所示。

2.4 高鐵5G 覆蓋性能優(yōu)化

針對5G 高鐵覆蓋的性能短板，采用多項(xiàng)技術(shù)來提升5G高鐵覆蓋能力，包括多普勒頻偏補(bǔ)償、上行性能提升、容量提升、用戶感知提升、公專網(wǎng)協(xié)同等。

①多普勒頻偏補(bǔ)償

為解決高鐵多普勒頻偏問題，使用上行導(dǎo)頻符號間的相位差進(jìn)行頻偏值估計(jì)，在獲得頻偏估計(jì)值后，分別對上下行信道進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，可檢測并補(bǔ)償U(kuò)E 高速運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的多普勒頻移，大幅改善無線鏈路性能，更靈活自適應(yīng)DMRS和更密集的參考符號PTRS，完全滿足3.5G350 km/h 時(shí)速下的頻偏。各頻段和時(shí)速下的頻偏見表3所示。

表1 分布式基站、一體化站和微功率基站的對比

表2 覆蓋高鐵基站站型選擇

表3 典型頻段頻偏示意圖

② 上行性能優(yōu)化

上行性能優(yōu)化包括設(shè)置PRACH 格式、上行1+1 DMRS估計(jì)增強(qiáng)、上行AMC 高鐵性能增強(qiáng)、上行IRC/MRC 自適應(yīng)、超級小區(qū)上行聯(lián)合接受、超級小區(qū)SDMA。

③容量提升

通過高速頻偏測量，一定時(shí)間內(nèi)的CP 和小區(qū)切換次數(shù)，來綜合判決是否屬于高鐵列車上的用戶，識別用戶后，將低速用戶遷移至公網(wǎng)。對于公網(wǎng)和專網(wǎng)劃分比較清晰的區(qū)域，通過不配置公專網(wǎng)鄰區(qū)，可以阻止公專網(wǎng)間的切換；對于公網(wǎng)覆蓋不連續(xù)，專網(wǎng)需要兼顧部分公網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，配置鄰區(qū)，但是盡量提高公網(wǎng)到專網(wǎng)的切換門限，來減少公網(wǎng)用戶切入專網(wǎng)；對于空閑態(tài)用戶，公網(wǎng)設(shè)置較低的異頻重新起測門限，在弱場才啟動(dòng)。

④ 用戶感知提升

通過高低速用戶標(biāo)識，在過車時(shí)段內(nèi)，可以對高低速用戶調(diào)度優(yōu)先級進(jìn)行處理，通過QoS 差異化優(yōu)先保障高鐵用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)專用。

⑤ 公專網(wǎng)協(xié)同

通過識別到專網(wǎng)小區(qū)里有高鐵駐留時(shí)，降低周邊公網(wǎng)的下行發(fā)射功率（當(dāng)前支持對異頻鄰區(qū)進(jìn)行最大20 dB 的功率打壓），以降低公網(wǎng)下行對于專網(wǎng)的干擾；周邊公網(wǎng)上行功控目標(biāo)值也需要進(jìn)行調(diào)整，減小上行對于專網(wǎng)的干擾，公專網(wǎng)協(xié)同的示意圖如圖5 所示。

3 高鐵5G 覆蓋案例分析

3.1 測試背景

山東聯(lián)通已完成魯南高鐵全線5G 覆蓋，魯南高鐵作為全國最長的一條NR2.1G 高鐵線路，具備成為標(biāo)桿性網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)條件，其目標(biāo)是將打造成一條全國高鐵標(biāo)桿線路。

圖5 公專網(wǎng)協(xié)同示意圖

為了檢驗(yàn)高鐵覆蓋的實(shí)際效果，山東聯(lián)通對魯南高鐵全線進(jìn)行5G 覆蓋測試分析，針對高鐵基礎(chǔ)覆蓋優(yōu)化、2TR 與4TR 對網(wǎng)絡(luò)影響、小區(qū)合并效果、NR 的2 流和4流效果以及2.1G NR 20 M 與2.1G NR 40 M 部署效果進(jìn)行了相關(guān)測試，為后續(xù)5G 高鐵覆蓋的性能提升提供了強(qiáng)有力的保障。

3.2 測試效果分析

3.2.1 NR 小區(qū)合并效果驗(yàn)證

通過小區(qū)合并技術(shù)，可以顯著減少切換頻次，提升車上人員的感知和體驗(yàn)，尤其是相鄰小區(qū)間聯(lián)合接收和聯(lián)合發(fā)送，保證小區(qū)交疊區(qū)域的用戶體驗(yàn)。在5G 建網(wǎng)初期，超級小區(qū)合并是可以迅速提升性能的一個(gè)重要手段。

在當(dāng)前魯南高鐵NR 單20 M 帶寬較小的情況下，驗(yàn)證通過小區(qū)拆分提升負(fù)荷的效果。選取嘉祥縣內(nèi)物理站點(diǎn)共計(jì)5 個(gè)站點(diǎn)，3 公里進(jìn)行拆分小區(qū)驗(yàn)證。

通過網(wǎng)管KPI 指標(biāo)，觀察1 月10 日分裂前后兩天指標(biāo)（6～23 點(diǎn)），如圖6 所示。在總流量變化不大的情況下，下行PRB 利用率明顯下降，說明小區(qū)分裂帶來負(fù)荷的降低，但掉線率、CQI 優(yōu)良率明顯下降，同頻切換成功率小幅波動(dòng)。

通過線現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)小區(qū)分裂后SS-RSRP 有明顯的下降，SS-SINR 略有下降，F(xiàn)TP 下載速率有明顯大幅下降，路測指標(biāo)如表4 所示。

表4 路測指標(biāo)對比

圖6 網(wǎng)管KPI 各項(xiàng)指標(biāo)變化變化

在高速場景下，切換控制是影響線上覆蓋的關(guān)鍵點(diǎn)，小區(qū)分裂后導(dǎo)致需進(jìn)行站下切換，且站軌距越近的站點(diǎn)站下切換距離越短，帶來的負(fù)面影響越大。且通過計(jì)算，在站間距600 m 的場景下，列車時(shí)速300 km/h，單小區(qū)的駐留時(shí)間只有4 s，過短的駐留時(shí)間導(dǎo)致頻繁切換，也會影響性能。

3.2.2 NR 的2 流和4 流效果驗(yàn)證

在車速較快場景下，驗(yàn)證NR 的2 流和4 流測試效果，比較當(dāng)前適用高速場景下的流數(shù)設(shè)置。本次驗(yàn)證測試選取臨沂北站-日照東站進(jìn)行，策略配置為站臺及站臺兩邊各兩個(gè)站兩次測試中均設(shè)置為4 流，其他站點(diǎn)對比測試時(shí)分別設(shè)置為4 流和2 流。下行流數(shù)和平均MCS 對比測試結(jié)果如圖7 所示，平均下載速率對比如圖8 所示。

從上圖測試數(shù)據(jù)分析，在高速場景下最大流數(shù)設(shè)置為4 的場景下的實(shí)際流數(shù)明顯高于最大流數(shù)設(shè)置為2 場景；但是部署2 流有更高的MCS 和下載速率。

通過測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)前主流終端在高速場景下和基站側(cè)的配合度不高，表現(xiàn)在高速路段信噪比偏低時(shí)“虛高”上報(bào)高階RI，導(dǎo)致流數(shù)高反而流量和MCS 在下降。因此，在當(dāng)前線上實(shí)測2 流效果好于4 流情況下，建議先在RI 最大2 流的基礎(chǔ)下繼續(xù)優(yōu)化速率，同時(shí)，后續(xù)也會對高鐵場景NR 小天線RI 適配信道方案繼續(xù)嘗試進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以期在高速場景下的流數(shù)問題上能取得進(jìn)展。

3.2.3 2.1G NR 20M 與2.1G NR 40M 部署效果驗(yàn)證

圖7 下行流數(shù)、平均MCS 對比

圖8 平均下載速率對比

在NR2.1G 的20 M 帶寬條件下，本次5G 高鐵下行速率目標(biāo)70 Mbit/s、上行速率目標(biāo)35 Mbit/s。通過對上下行性能的功能部署和改進(jìn)優(yōu)化，下行、上行速率已取得較好效果，當(dāng)前高鐵線上測試下載速率已穩(wěn)定達(dá)到90 Mbit/s 以上，如圖9 所示。

圖9 經(jīng)過優(yōu)化后的上下行下載速率變化（20 M 帶寬）

另外選取莊寨路段，部署NR2.1G 40 M，結(jié)合RF調(diào)整、切換參數(shù)優(yōu)化等措施，下行PDCP 層速率穩(wěn)定在150 Mbit/s以上、上行PDCP層速率穩(wěn)定在60 Mbit/s以上，如圖10 所示。

圖10 經(jīng)過優(yōu)化后的下載、上傳速率變化（40 M 帶寬）

由圖10 可以看出，2.1G 40 M 帶寬相對于2.1G 20 M帶寬下載速率提升了62.3%，上傳速率提升了77.1%，能夠大幅提升用戶的使用體驗(yàn)，保障容量需求。

4 結(jié)束語

本文針對高鐵5G 覆蓋存在的問題，研究并提出對高鐵5G 覆蓋解決方案和設(shè)計(jì)方法。并結(jié)合魯南高鐵5G 建設(shè)情況，對多種技術(shù)手段對比測試分析，驗(yàn)證了方案的可行性。由于高鐵場景的特殊性，目前高鐵業(yè)務(wù)主要以視頻、游戲、社交、辦公等業(yè)務(wù)為主，對流量的需求很大，視頻業(yè)務(wù)對邊緣速率提出更高的要求。山東聯(lián)通應(yīng)把高鐵網(wǎng)絡(luò)定位于提升聯(lián)通品牌的戰(zhàn)略高度，在充分利用現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一制定的高鐵管理模式進(jìn)行建設(shè)與管理，打造一張高質(zhì)量的精品網(wǎng)絡(luò)。精細(xì)規(guī)劃,對覆蓋方案和設(shè)備選型嚴(yán)格把關(guān)，做到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)統(tǒng)一。