高鐵場景5G覆蓋的研究探討

羅海港，王 磊，李超杰

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著高鐵路網密度快速增長，旅客發送量不斷增加，高鐵成為越來越多人的首選出行方式；據統計，高鐵旅客以旅行、出差居多，約占全部乘客數量的近9成。

高鐵線路中包括大量長隧道，由于列車速度快、車體穿透損耗大、設備安裝空間狹小等，與普通鐵路隧道相比，高鐵隧道的無線網絡覆蓋設計和建設實施更加困難，這對高鐵線路場景的移動通信網絡提出了更高的要求。如何解決高鐵場景的無線網絡覆蓋，是各大運營商高鐵場景無線網絡規劃和建設面臨的挑戰。

1 面臨挑戰

高鐵場景由于人流量大且集中，加上列車車廂封閉型好，行駛過程中高鐵車速較快，高鐵車型不同的穿透損耗不一樣，高鐵經過區域也存在差異，因此，高鐵場景是個相對復雜的場景，這使得高鐵場景5G網絡覆蓋存在較大的挑戰。

高鐵場景5G網絡覆蓋面臨的挑戰主要有穿透損耗更大、多普勒效應頻偏更大、切換更頻繁等，具體如下：

（1）穿透損耗更大。由于車體穿透損耗大：高速列車采用封閉式設計，車體普遍采用的高強度不銹鋼或合金材料，會對無線信號產生很大的穿透損耗，導致覆蓋受限，信號質量差。如，中國的和諧號CRH5列車車體為中空鋁合金，對1.8G信號垂直入射的穿透損耗可達24dB，而高鐵網絡通常沿著鐵路線做帶狀覆蓋，信號掠射角較小，車體的穿透損耗更大。同時，相比較低頻的3G/4G頻譜，N78、N41等5G主流頻段的車體屏蔽會更強。中國的和諧號CRH5列車車體為中空鋁合金，對1.8G信號垂直入射的穿透損耗可達24dB，而高鐵網絡通常沿著鐵路線做帶狀覆蓋，信號掠射角較小，車體的穿透損耗更大。同時，相比較低頻的3G/4G頻譜，N78、N41等5G主流頻段的車體屏蔽會更強。

另外，各運營商頻段損耗相比，目前國內運營商（除廣電）5G網絡主要部署在2.6GHz和3.5GHz頻段，以電信和聯通的3.5GHz頻段為例，該頻段相比LTE1.8GHz頻段高近一倍。根據自由空間傳播損耗與頻率的關系，3.5GHz頻段的傳播損耗比1.8GHz頻段高將近6dB。

在傳輸介質不變情況下，頻率越大，穿透損耗越大。另外，高鐵車型不一樣其相應的穿透損耗也不同，復興號高鐵列車比普通高鐵列車穿透損耗更大。根據測試結果，在3.5GHz頻段和諧號高鐵列車的穿透損耗約33dB，復興號高鐵列車的穿透損耗約36dB，因此，在3.5GHz頻段高鐵場景5G覆蓋傳播損耗和車體穿透損耗更大。

（2）多普勒效應頻偏更大。當移動終端運動時，特別是在高速運動情況下，移動終端和基站接收端的信號頻率會發生變化，成為多普列效應。其計算公式為fd=f/c×v×cosθ。其中，f為載波頻率；c為光速電磁波傳播速度；v為移動終端的移動速率；θ為移動終端相對于基站的運動方向與基站信號傳播方向的夾角。接收信號理論上，根據公式可以看出，當移動終端與基站間的相對移動速度v越大，多普勒頻移越大。而目前國內高鐵線路設計時速高達350km/h，高鐵列車的速度越快，頻偏也越大，高速將導致基站信號接收性能下降，引起大頻偏，導致KPI惡化以及吞吐率下降等網絡性能問題。

圖1 多普列效應

（3）切換更頻繁。以3.5GHz頻段規劃站址為例，如確保連續覆蓋，該頻段下站間距更小，相比1.8GHz站間距縮小一倍，高鐵經過的區域較多且路線較長，高鐵用戶在使用移動網絡時，切換頻率會增加一倍，會產生頻繁的小區切換、重選。此時對切換帶、切換參數的設置要求更高，否則將導致換較慢、切換失敗等一系列影響網絡質量的問題。

總之，相比3G/4G網絡覆蓋，高鐵線路的5G規劃覆蓋中將面臨更大挑戰。

2 高鐵5G覆蓋方案

目前，高鐵用戶的業務主要為視頻、微信、游戲等數據業務，由于高鐵場景天窗期短、入場難，因此在規劃5G網絡時，要綜合考慮業務需求和網絡資源，為避免資源規劃不到位，高鐵場景的5G網絡規劃應做到長遠考慮、一步到位，具體規劃方案中要考慮穿透損耗、多普勒效應頻偏和頻繁切換等問題，針對高鐵覆蓋中各場景的特性制定針對性解決覆蓋方案。

2.1 場景特征

高鐵相比其他場景相對復雜，主要涉及線路沿線、隧道、車站大廳和站臺等場景。

（1）線路沿線。高鐵線路沿線一般經過區域多為城區、農村開闊地帶，少量山區（山區基本多為隧道）。

（2）隧道。高鐵線路經過的山區區域涉及隧道，隧道主要分布在紅線內，隧道根據其長度，可分為長隧道（超過500m）和短隧道（不到500m）。

（3）車站大廳。高鐵車站大廳多數設置在城市或縣城郊區，一般為封閉場館，內部寬敞，但人流大密集，容量需求高。

（4）站臺。高鐵站臺主要設置在車站，主要為用戶乘車上下車及等待的區域，空間較開放，車輛進出站時車速較慢，用戶在上下車的等待中移動性相對較少且人流密集。

2.2 網絡規劃原則

5G的網絡架構主要分為NSA和SA這兩種模式。NSA的組網模式是利用現有的4G網絡作為錨點，5G網絡的控制信令走在4G網絡上，5G的業務數據走在5G網絡。而SA的組網模式是控制和數據都在5G網絡上承載，不需要借助4G網絡。

目前，在高鐵5G網絡規劃中，要按目標網架構規劃，盡量采用SA網絡架構，為確保連續覆蓋，合理的重疊覆蓋區域規劃是實現業務連續的基礎，重疊覆蓋區域過小會導致切換失敗，過大會導致干擾增加，影響用戶業務感知。根據傳播模型和鏈路預算計算，考慮小區切換重疊覆蓋區，建議在城市區域小區站間距為600m，農村區域小區站間距為900m。因此，高鐵5G小區建議規劃站間距在600m-900m，站軌距100m左右，基站應交錯布置高鐵兩側。在設備選擇上應針對覆蓋的不同場景選擇室外宏站、泄露電纜等合適方案部署。

2.3 解決方案

（1）高鐵線路沿線。高鐵線路沿線區域主要分布在郊區及部分城區周邊，地處開闊區域，一般用宏站進行覆蓋，建議采用8T8R高增益窄波束天線。在實施過程中，盡量利舊現有4G存量站點，對于那些站間距不滿足或覆蓋不足的區域規劃新站址，站軌距一般在100m左右，規劃時盡量使基站與終端之間存在直射徑，這樣便于提高基站覆蓋性能。高鐵沿線的5G站點分布建議采用“之”字型的方式，交錯分布在高鐵兩側，利于無線信號的均勻分布和覆蓋區切換更好銜接。如果受地理環境限制，在有拐彎時，站點盡可能部署在鐵軌的內拐彎處。

（2）隧道。當隧道小于500m時，可以在隧道的兩端用AAU+天線對打的方式進行覆蓋。在隧道超過500m時，隧道空間狹小，考慮輻射型泄漏電纜覆蓋均勻，且具有方向性，宜采用5/4漏纜輻射型泄露電纜覆蓋。

（3）車站大廳。車站候車大廳區域由于其密閉性較好、人流量較大且數據流量需求加大，如采用傳統的室外宏站進行覆蓋，效果不太理想，一般采用室內覆蓋方式，采用AAU設備掛墻進行覆蓋或者用新型有源室內分布進行覆蓋。

（4）高鐵站臺。由于站臺地處室外，多為開闊區域，人員移動性大，列車進出速度慢，高鐵站臺可考慮用附近的宏站兼顧覆蓋。

3 結束語

雖然目前高鐵場景5G覆蓋尚未規模部署，但考慮高鐵場景的重要性，為提升客戶網絡使用感知，在做高鐵沿線5G網絡規劃時，做到長遠規劃、一次部署到位，要結合根據高鐵場景的特征開展規劃、規劃制定對應覆蓋方案。

在高鐵網絡規劃中，盡量采用SA網絡架構，同時規劃時要考慮連續覆蓋，避免頻繁回落到LTE，站間距建議在600m-900m，基站到鐵軌距離為100m左右，避免掠射角過小，基站交錯部署在高鐵兩側，同時根據不同的高鐵場景選擇合適部署方式。后期需結合覆蓋場景優化建設方案和網絡，從而達到高鐵場景的高質量覆蓋。