龔陳寶

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

5G 相比4G 具有帶寬大、延時小、支持更高移動速率及接納更多連接用戶數(shù)的優(yōu)勢，而高鐵具有瞬時用戶數(shù)多、速度快、多普勒頻移效應明顯等特殊性，盡快實現(xiàn)高鐵5G 網(wǎng)絡全覆蓋至關重要。

1 高鐵場景覆蓋難點

1.1 列車穿透損耗大

高速列車采用密閉式廂體設計，安全舒適的車廂設計增大了車體損耗，22 種類型的CRH（中國高鐵）列車具有不同的穿透損耗，損耗最大的列車車型高達40dB。

1.2 多譜勒效應明顯

目前滬寧高鐵上運行的列車主要以CRH2C 和CRH380D型為主，京滬高鐵上運行的列車以CRH380B 與復興號CR400列車為主。多普勒頻偏如圖1 所示。

圖1 多譜勒頻偏

根據(jù)多普勒原理，在移動通信中，當移動臺移向基站時頻率變高，遠離基站時頻率變低，計算出目前高鐵會帶來的多普勒頻偏，詳情見表1 所示。

表1 各頻段不同速率多譜勒偏移量

可以看出，速度越快頻率越高，帶來的多普勒頻偏影響越大，在車速350 公里/小時的情況下，3.5G 上行的頻偏達到了2.2KHz。雖然NR（新空口）3.5G 使用了100M 的寬頻帶，但由于子載波都是使用30Khz 的小帶寬，所以頻偏對接收機性能下降影響較大，終端極易上行失步，導致接入失敗等現(xiàn)象。

1.3 高鐵覆蓋場景復雜

我國幅員廣闊，地形復雜多樣，高速鐵路穿越的區(qū)域類型多種多樣，一條高速鐵路可能經(jīng)過市區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村等多個行政區(qū)域，貫穿了多種地形地貌，如平原、山地、丘陵，以及長江大橋、隧道等特殊場景，不同的場景需要采取不一樣的覆蓋策略，才能在投入和覆蓋效果方面取得最優(yōu)的平衡。

2 高鐵場景5G 覆蓋策略

2.1 5G 覆蓋規(guī)劃策略

（1）BBU 規(guī)整及站間距原則

目前5G 采用100M 帶寬，一個BBU（基帶處理單元）有12 個光口對接小區(qū)，沿線每個基站采用兩個扇區(qū)覆蓋高鐵，經(jīng)過估算和現(xiàn)場測試驗證，可以對連續(xù)6 個高鐵站進行小區(qū)合并，減少切換且無容量擁塞問題，所以在建設高鐵專網(wǎng)之前，需提前對BBU 進行機房規(guī)整，方便后續(xù)合并小區(qū)。

（2）高速鐵路線路覆蓋原則

電波在自由空間傳播損耗=32.4+20lgD+20lgF。

D 為距離，單位：Km；F 為頻率，單位：MHz。

所以距離一定的情況下，頻率越高，損耗越大，3.5G 頻段相比1.8G 頻段損耗大6dB 左右。

根據(jù)傳播損耗模型：終端接收功率=基站發(fā)射功率-自由空間傳播損耗-車體損耗

如將終端接收功率RSRP（參考信號接收功率）=-105dBm，設為小區(qū)覆蓋邊緣信號接收強度，可以得到基站此時的小區(qū)邊緣覆蓋距離R。

站軌距與掠射角的關系如圖2 所示。

圖2 站軌距與掠射角關系

通過實測驗證，我們確定了高鐵5G 覆蓋如下原則：

（1）站軌距及高度

NR3.5G 站點距離軌道150-250 米、高于鐵軌15-20 米效果最佳，目前江蘇境內(nèi)高鐵大部分都是采用高架架設，從而杜絕與其它鐵路的相互影響及受到破壞，高架的高鐵基本在15～20米之間，所以一般天線掛高要求在35～40 米。

（2）天線選用

雖然4G 和5G 的穿透損耗、最小掠射角基本相同，但路徑損耗差別大，單站覆蓋距離相差500 米，所以建議站間距較大路段，5G 原則上使用8TR 高性能天線。

（3）信源選擇

由于當前AAU（有源天線單元）暫不支持高速特性，滬寧線路又特別繁忙，江蘇高鐵滬寧線基站都是采用BBU+RRU（射頻拉遠單元）覆蓋。江蘇境內(nèi)高鐵穿越市縣城區(qū)，特別是滬寧高鐵穿越了最繁華的蘇錫常等蘇南5 個地市的核心城區(qū)，高鐵沿線基站都是以覆蓋高鐵為主，其它區(qū)域為輔。

（4）下凹地形

如圖3 所示，狹長地形的特點是地形內(nèi)凹，具有一定方向性，天線掛高要充分考慮地勢的影響，以便信號有效覆蓋。

圖3 下凹地形示意圖

典型下凹地形站軌距離如表2 所示。

表2 下凹地形站軌距離值（單位：米）

其他一些常規(guī)布站原則：對于直線鐵軌，最佳為“之”字形布站方式，基站沿鐵路線兩側(cè)交叉分布；“）”型彎道鐵軌列車軌道彎曲部分布站時，站點要選擇在曲線彎曲的內(nèi)側(cè)。

高速鐵路隧道覆蓋原則：

（1）短隧道

沿用現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋方式，采用H 桿+RRU，通過拉遠方式在隧道口室外信號內(nèi)打，實現(xiàn)對隧道及隧道外延伸區(qū)域的覆蓋。

（2）長隧道

采用泄漏電纜進行覆蓋，漏纜安裝高度一般在車窗上方位置的隧道墻壁，更貼近于用戶終端，為了保證隧道內(nèi)外信號的平穩(wěn)過渡切換，在隧道兩端要設置外打天線，對于隧道覆蓋應充分考慮泄漏電纜的使用，隧道內(nèi)應采用低耦合損耗、低衰減的泄漏電纜。通過鏈路預算可以知道，目前鐵路上每500 米一個洞室能滿足NR3.5G 信源的放置要求，但真正信源的放置位置要結(jié)合與鐵路部門的協(xié)調(diào)來具體確定。

2.2 5G 射頻優(yōu)化策略

5G 較4G 具有頻段高、繞射能力差、覆蓋距離短的特點，相應的5G 天線較4G 天線波瓣更窄、增益更高。針對這一規(guī)律，通過理論和大量的測試實踐歸納總結(jié)，得出5G 的SINR（信噪比）和鄰區(qū)內(nèi)6dB 內(nèi)分支數(shù)存在緊密的關聯(lián)關系，鄰區(qū)中存在6dB 內(nèi)1 路/2 路/3 路分支時，最強SINR 分別對應20dB/15dB/10dB，因此對于鐵路沿線RSRP 高于-85dBm 區(qū)域6dB 內(nèi)少于2 路信號時，可以達到網(wǎng)絡質(zhì)量更優(yōu)。

2.3 5G 參數(shù)優(yōu)化策略

2.3.1 采用專用頻段覆蓋

目前中國電信大網(wǎng)采用3.4G-3.5G 頻段覆蓋，電信和聯(lián)通5G 一張網(wǎng)，還有聯(lián)通的100M 帶寬沒有使用，高鐵NR3.5G 采用3.5G-3.6G 專用頻段覆蓋，信號更加純凈，覆蓋質(zhì)量更優(yōu)。

2.3.2 高速標簽

高鐵多譜勒效應明顯，特別是上行隨機接入極易失敗，發(fā)生上行失步脫網(wǎng)現(xiàn)象，國內(nèi)當前兩家主流設備廠家，5G RRU都是支持高速特性的，AAU 暫不支持，覆蓋高鐵線路5G 基站開通前需提前和廠家溝通好高速license，以免開通后小區(qū)不支持高速特性。

2.3.3 5G 切換參數(shù)及4/5G 互操作策略

（1）5G 切換參數(shù)

將5G 同頻切換參數(shù)A3 偏置與遲滯都由默認值3 和3 設置成1 和1，及早觸發(fā)切換，將timetotriger（時間觸發(fā)器）由默認值320ms 設置成40ms，及早切換成功。

（2）4/5G 互操作策略

在5G 連續(xù)覆蓋路段，優(yōu)先駐留在5G 網(wǎng)絡；4/5G 邊界，將4/5G 互操作參數(shù)配置成早觸發(fā)、早切換完成，防止信號急劇劣化，來不及切換拖死現(xiàn)象。

3 高鐵場景5G 覆蓋試點驗證

試驗路段選?。哼x取京滬高鐵南京北段，從安徽邊界至浦口上張南8 公里左右，涉及高鐵沿線16 個5G 基站，對連續(xù)4 個基站8 個小區(qū)進行BBU 規(guī)整合并，以減少切換次數(shù)，采用3.5G-3.6G 專用頻段。對測試日志進行統(tǒng)計分析，試驗路段覆蓋率達到99.24%，應用層平均下行速率214Mbps，應用層平均上行速率62Mbps，用戶使用感知良好。

4 結(jié)束語

通過對高鐵場景特性及覆蓋難點進行分析，提出了針對高鐵場景的5G 覆蓋規(guī)劃原則、射頻優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化策略，并在試點高鐵路段取得了很好的覆蓋驗證效果，極大提升了高鐵用戶使用感知。