摘要：5G是構(gòu)建智慧高速鐵路全方位感知與互聯(lián)互通的關(guān)鍵途徑，在智能建造、智能裝備與運營等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。為實現(xiàn)5G技術(shù)在智慧高速鐵路中的標準化、規(guī)范化、科學化，亟需對5G技術(shù)在智慧高速鐵路中的應(yīng)用進行系統(tǒng)性的頂層設(shè)計。本文就高鐵運營背景下5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進行研究和探討。

關(guān)鍵詞：高鐵運營；5G；網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

DOI：10.12433/zgkjtz.20232608

高鐵是目前我國最主要的交通工具之一，其優(yōu)勢明顯，可極大地提高鐵路客運效率，推動鐵路沿線地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。運營商將高鐵作為主要場景，開展了2G/3G/4G的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過近年來的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，當前高鐵的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量較好，可以基本滿足旅客的要求。

在這一階段，不限量套餐已經(jīng)開始流行，高速鐵路的客流量迅速上升，4G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)流量仍然在迅速上升，需要對4G/5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進行整體的規(guī)劃和建設(shè)；NR使用的是2.6G頻率，路徑損失比F頻率大，怎樣才能確保5G的覆蓋品質(zhì)及用戶的體驗；高速鐵路全封閉式車體結(jié)構(gòu)，穿線損耗大，以2.6G頻段為基礎(chǔ)，如何覆蓋隧道；高速鐵路5G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，將導致無線端交換頻率的增加和多普勒效應(yīng)的加劇，這些都將成為我國5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

一、高鐵5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要性

高速化和信息化是大勢所趨，中國高速鐵路的總里程達到了世界的60%，成為中國人民首選的交通工具，鐵路的發(fā)送量達到了70億，以年均35%的速度增長。在高鐵信息化和高鐵用戶數(shù)量迅速增加的情況下，在5G時代，運營商必須制定出有針對性的高鐵覆蓋計劃，從而在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶體驗方面取得更大的優(yōu)勢。

高鐵旅客的特點與運營商的價值客戶高度一致，這也是運營商的網(wǎng)絡(luò)品牌的一個重要的體現(xiàn)。高鐵的運力大，單車載重高，環(huán)境也十分舒適，整體業(yè)務(wù)需求較大。在高速鐵路的使用者中，商業(yè)人員的比例很高，并擁有很大的高端顧客比重，這對提高網(wǎng)絡(luò)的品牌具有非常重要的作用。

二、5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋在高鐵場景中面臨的挑戰(zhàn)

高速鐵路客流密集、車體密閉，高速運行時，不同類型的高速鐵路車輛之間的滲透損失不同，高速鐵路通過的地區(qū)也各不相同，從而使得高速鐵路5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復雜，給高速鐵路5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋帶來了很大挑戰(zhàn)。

（一）場景復雜多樣

高速鐵路穿越的城市情景比較復雜，按人口和建筑密度劃分，可分為密集城市、普通城市、近郊和鄉(xiāng)村四類。從地形上來看，可以將高速鐵路的沿途劃分為山地、平原等不同的區(qū)域。在高速鐵路運營中，由于列車運行速度差異，其無線傳輸特征也存在差異，亟需針對其特征設(shè)計有針對性的高速鐵路覆蓋方案。

（二）多普勒頻移現(xiàn)象嚴重

基于多普勒頻移理論，高鐵在高速行駛時，多普勒頻移效應(yīng)較為明顯，當高鐵車速大于250km/h時，多普勒頻移效應(yīng)將更加顯著。此外，在同等速率下，隨著系統(tǒng)工作頻率的升高，多普勒頻偏將增大，而多普勒頻偏將降低系統(tǒng)的解調(diào)能力，從而對網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。

（三）傳播損耗和穿透損耗更大

高速鐵路由于其全封閉結(jié)構(gòu)，車身多為高強不銹鋼或合金，使5G網(wǎng)絡(luò)在高速鐵路上傳輸時存在較大的傳輸損失，從而影響其在高速鐵路上的覆蓋范圍和信號品質(zhì)。例如，某動車組采用空心鋁合金車身，1.8G信號在縱向上的滲透損失可達24dB；高速鐵路沿線多呈條形，信號掠過角度很小，使得車身滲透損失更大。而且相較3G和4G的低頻率，N78和N41這兩個5G的主流頻率損耗更大。

此外，從不同運營商的頻率損失來看，當前我國5G（廣電除外）網(wǎng)絡(luò)主要采用2.6GHz與3.5GHz頻率，以聯(lián)通與電信3.5GHz為例，其頻率是LTE1.8GHz的兩倍以上。3.5GHz波段傳輸損失相對于1.8GHz波段，約為6dB。當傳播媒質(zhì)不變時，隨著頻率的增加，滲透損失增大。此外，不同型號的高速鐵路，穿透力有明顯差異。其中，“復興”型高速鐵路的穿透力要高于普通的高速鐵路。經(jīng)實測，3.5GHz高速鐵路對5G網(wǎng)絡(luò)的滲透損失在33dB左右，而某高速鐵路對5G網(wǎng)絡(luò)的滲透損失在36dB左右。

（四）頻繁切換重選影響感知

以3.5GHz頻段為例子，如果要保證持續(xù)覆蓋，而高速鐵路會通過很多的地區(qū)，且線路也會很長，當高速鐵路的用戶使用移動互聯(lián)網(wǎng)時，切換的頻率將會翻一番，從而頻繁出現(xiàn)小區(qū)切換和重選的情況。在這種情況下，需要對切換帶和切換參數(shù)進行較高的設(shè)定，不然會造成切換速度較慢、切換失敗等一系列的問題，從而影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

三、高鐵運營背景下5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分析

（一）建設(shè)原則

1.共建共享的原則

在高速鐵路5G無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，因為受站址、電力等方面的制約，應(yīng)采取多個運營商“共建共享”的方式建設(shè)，降低協(xié)作難度，這樣才能達到高速鐵路5G無線網(wǎng)絡(luò)的快速、低成本建設(shè)。

2.站址選擇原則

5G基站選址時，要根據(jù)已有基站的布局，優(yōu)先利用已有基站，輔助新建基站，節(jié)省投入，加速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。同時，考慮到無線信號在高速列車中的傳輸損失與入射角度有關(guān)，隨著車站與軌道的縱向間距和入射角度的增大，傳輸損失減小。但另一方面，由于5G基站與軌道之間的距離較長，其在空間上的損失也較大，故應(yīng)兼顧傳輸損失與滲透損失，建議5G基站與軌道之間的垂直間距保持在150～200m。

3.針對性規(guī)劃原則

在高速鐵路線路中，可以將其細分為戶外線路、隧道、車站等，根據(jù)不同的情況，選擇相應(yīng)的施工方案。針對高速鐵路站點，可采取主動式隔斷的方式，實現(xiàn)大容量的覆蓋；在隧道中，推薦使用漏電線纜的方法。當前，網(wǎng)絡(luò)中普遍使用的13/8英寸泄漏電纜不能支撐3.5GHz的頻率，所以必須引進5/4英寸泄漏電纜；在室外線路中，以宏基站覆蓋為主要內(nèi)容，可以在已有的4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將5G站點進行疊加，在一些弱覆蓋地區(qū)，可以增加一些新的站點提高覆蓋程度。

4.小區(qū)合并組網(wǎng)原則

針對高鐵快速、短程切換的特點，擬增加交叉區(qū)域的長度，提高系統(tǒng)的切換效率。同時，也可通過將多小區(qū)合并的方案，降低蜂窩單元個數(shù)和系統(tǒng)的切換頻率，以提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，但多小區(qū)合并技術(shù)，需要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)容量下降的問題。

（二）建設(shè)手段

1.多普勒頻移應(yīng)對措施

多普勒頻移是5G網(wǎng)絡(luò)中由于用戶與基站之間的高速運動而導致的相位與頻率的改變，難以通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計、優(yōu)化等手段加以有效抑制，亟需研發(fā)5G網(wǎng)絡(luò)上行與下行鏈路偏差校正的方法，提高基站與終端之間的偏差校正能力。當前，已經(jīng)有廠商建議，通過基于兩個蜂窩單元上傳用戶的上行鏈路頻率偏量值，對兩個鄰近蜂窩單元的下行鏈路進行不同程度的預糾偏，來降低兩個蜂窩單元之間的頻偏量，提高系統(tǒng)的下行鏈路速度和用戶體驗。

2.頻繁切換應(yīng)對措施

在4G高速鐵路的覆蓋方案中，可以使用多蜂窩融合技術(shù)降低切換的數(shù)量，也就是把多個RRU設(shè)定成一個相同的邏輯蜂窩，并在相同的蜂窩中不需要進行切換。然而，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及，用戶數(shù)量的不斷增加，多個單元融合在一起帶來的弊端也日益凸顯出來。多個單元的融合導致系統(tǒng)容量下降，并隨著融合的單元數(shù)量的增加，系統(tǒng)的容量下降幅度也隨之增大。因此，在5G通信中，多蜂窩融合技術(shù)的應(yīng)用，必須要解決5G通信系統(tǒng)的容量衰減問題。當前，一些設(shè)備制造商提出了一種新的解決方法，在多個蜂窩系統(tǒng)中，只使用同一蜂窩系統(tǒng)中的廣播信道，構(gòu)成一個蜂窩系統(tǒng)，但每個蜂窩系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)信道是相互獨立的，每個蜂窩系統(tǒng)都可以進行單獨的調(diào)度，使蜂窩系統(tǒng)的容量為蜂窩系統(tǒng)的總和。但到目前為止，它還沒有被廣泛地用于網(wǎng)絡(luò)，性能還有待進一步測試。

四、高鐵場景5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

（一）NSA/SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，要從組網(wǎng)架構(gòu)、場景覆蓋、關(guān)鍵產(chǎn)品特性、服務(wù)保障等多方面對5G網(wǎng)絡(luò)進行全面規(guī)劃，以確保5G網(wǎng)絡(luò)能按照規(guī)劃建設(shè)，并在4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。當前，高速鐵路中5G的大范圍覆蓋尚未實現(xiàn)，主要依賴4G進行話音和數(shù)據(jù)傳輸。5G的體系結(jié)構(gòu)主要包括NSA和SA兩種，NSA組網(wǎng)以4G為固定節(jié)點，以4G為傳輸控制信令，以5G為傳輸服務(wù)數(shù)據(jù)；而SA的組網(wǎng)方式，就是不依賴4G，而是通過5G進行控制和數(shù)據(jù)傳輸。在高速鐵路環(huán)境下，一般是在已經(jīng)完成全國范圍的覆蓋后，才會進行部署，這樣的話，網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)費用會比較高。所以考慮到以后NSA向SA網(wǎng)絡(luò)的升級帶來的附加投資，高速鐵路環(huán)境下的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該一次完成。因此，我們推薦在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)早期，就采用SA組網(wǎng)模式。

（二）明區(qū)間站址規(guī)劃

明區(qū)間是高速鐵路非隧道段，站點布局是確保高速鐵路專用網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量和保障高速鐵路專用網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的前提。車站選址方案的合理性審查是高速鐵路優(yōu)化設(shè)計中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在具體實現(xiàn)過程中，利用RRU的發(fā)射功率，解調(diào)閾值、模型參數(shù)等對系統(tǒng)的最大覆蓋率進行了優(yōu)化。目前，5G網(wǎng)絡(luò)中的主要頻段為2.6GHz和3.5GHz，在小區(qū)內(nèi)的站間距是4G網(wǎng)絡(luò)的2倍，這是因為在小區(qū)之間添加了切換帶，通常在200m，這是以高速鐵路的場景傳播模型為基礎(chǔ)，通過鏈路計算得到的站間距離。以宜線軌道為例，在列車運行過程中，列車運行線路上的鄰近站點應(yīng)以“之”字形排列，以使列車運行時的信號強度達到平衡。同時可將臺址設(shè)在轉(zhuǎn)角處，以縮小天線與軌道之間的夾角，削弱多普勒頻偏現(xiàn)象。

（三）暗區(qū)間站址規(guī)劃

暗區(qū)間，即高鐵隧道內(nèi)的部分，覆蓋主要采用紅線內(nèi)的施工方式，覆蓋用桿、塔、機柜、設(shè)備的安裝均選在場坪進行，以保證信號的無縫、連續(xù)覆蓋。根據(jù)具體條件，可采取RRU延伸加漏電線纜，擴大坑道入口后端天線的覆蓋范圍，以實現(xiàn)有效的信號覆蓋。針對常規(guī)2G/4G覆蓋，主要使用13/8漏纜，而5G室內(nèi)覆蓋頻率為3.5GHz，則需使用5/4漏纜或4T4R貼壁天線，在保證隧道安全性的前提下，實現(xiàn)4-Flow Massive MIMO。超過500 m的隧道內(nèi)部，有一條通道，通道內(nèi)有2G/4G RRU設(shè)備，在該通道內(nèi)，通過POI設(shè)備后，將信號沿漏纜左右分布。

但是在3.5GHz的5G網(wǎng)絡(luò)中，這種新的漏纜是否能實現(xiàn)250m的覆蓋范圍尚不清楚，因此，必須在鏈路預算的基礎(chǔ)上，綜合考慮泄漏纜的百米損耗和耦合損耗、車廂損耗、接頭損耗、POI插入損耗、干擾容限等，來獲得此頻率下的鏈路預算結(jié)果。然而，在現(xiàn)實生活中，長隧道的覆蓋是比較普遍的，因此，針對該問題，我們可以從以下兩個方面進行研究：（1）采用降低邊界率等降低覆蓋質(zhì)量，以達到覆蓋效果。（2）高速鐵路隧道通常兩側(cè)均設(shè)有空腔，可通過在兩側(cè)隧道壁上鋪設(shè)雙重漏纜，擴大覆蓋范圍。這兩種方案的適用場合及優(yōu)點均不同，前者成本低廉，容易實施，適用于對覆蓋需求不高的地區(qū)；后者則需加大投入，適用于覆蓋需求較大的地區(qū)。

（四）天線的選擇

在高鐵場景中，基站與軌道的間距取決于天線與軌道之間的夾角，隨著天線與軌道的夾角增大，滲透損失也隨之增大。所以為了防止入射角度過小，基站與軌道的間距應(yīng)控制在100～300m以內(nèi)。天線掛高是指天線相對于軌面的垂直高度，高鐵專網(wǎng)基站天線掛高相對鐵軌的高度通常為15～25m，并要確保天線與軌面暢通。

由于鐵路是一種狹窄的、具有較大面積、較寬地形的場景，要想擴大單站的覆蓋范圍，在站軌距不到150m的時候，就可以按照站的間隔狀況，使用具有21dbi的高增益、33度的窄波瓣天線以及33度的水平波瓣。為降低窄瓣天線對塔底黑暗的影響，對站軌距值超過150m的臺址，優(yōu)先選擇18dbi、水平波瓣65度天線。針對受外部環(huán)境影響，或?qū)φ军c間隔及軌道距有特殊要求的情況，本項目擬采用24度的窄瓣型天線，并將其應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)中，其中，5G網(wǎng)絡(luò)中的FDD、FDD900、FDD1800等多個頻段，并在5G網(wǎng)絡(luò)中增設(shè)8T8R高增益的窄瓣型天線，從而實現(xiàn)天面一體化。

五、結(jié)束語

綜上所述，針對高速鐵路大穿損、高速、高價值等特點，鋪設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)可以使用高增益的8TR實現(xiàn)沿線覆蓋，可以使用CU+DU減少高速鐵路蜂窩之間的切換。在5G高速鐵路中，車站可使用大規(guī)模MIMO 64TR的宏基站覆蓋，而在候車大廳可使用分布式皮基站來實現(xiàn)5G高速鐵路的覆蓋。

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