基于5G需求的高鐵專(zhuān)網(wǎng)覆蓋思考

◆申方舟

無(wú)線通信與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全

基于5G需求的高鐵專(zhuān)網(wǎng)覆蓋思考

◆申方舟

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司南京分公司 江蘇 210003）

本文闡述分析了5GNR（5G New Radio，5G新空口）高鐵覆蓋的組網(wǎng)方案策略，就車(chē)體穿損、鏈路預(yù)算、覆蓋范圍、切換區(qū)規(guī)劃、方位與下傾角、站軌距、天線選擇等進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)，給出了解決方案。

高鐵；5G；專(zhuān)網(wǎng)；覆蓋方案

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，如何在運(yùn)營(yíng)中的高鐵列車(chē)上保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋成為運(yùn)營(yíng)商的重要問(wèn)題。本文以中國(guó)移動(dòng)為例，對(duì)比4G網(wǎng)絡(luò)高鐵專(zhuān)網(wǎng)覆蓋的技術(shù)要求，研究給出5G高鐵覆蓋方案。

1 高鐵覆蓋面臨的問(wèn)題

信號(hào)損耗：高速鐵路列車(chē)車(chē)廂主要為鋼、鋁合金等構(gòu)成，車(chē)窗玻璃上還覆蓋有特殊貼膜影響信號(hào)穿透，無(wú)線信號(hào)穿透損耗大[1]。而最新型的復(fù)興號(hào)的車(chē)廂穿透損耗超過(guò)30dB（2.6G/3.5G頻段下）。

多普勒效應(yīng)造成的頻率偏移：信號(hào)頻率因車(chē)廂和基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成變化，高鐵場(chǎng)景下4G、5G系統(tǒng)受到多普勒效應(yīng)影響最大[2]。

小區(qū)間切換頻繁：高鐵用戶終端速度快、終端在某個(gè)小區(qū)在網(wǎng)時(shí)間短，容易脫網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)掉線等。

用戶行為特殊：用戶分布集中，所有的用戶都在列車(chē)內(nèi)，用戶主要使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，用戶對(duì)業(yè)務(wù)體驗(yàn)較敏感。

2 高鐵5G覆蓋需求分析

2.1 覆蓋需求

5G系統(tǒng)覆蓋的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要以RSRP （Reference Signal Receiving Power，參考信號(hào)接收功率），對(duì)比TD-LTE，相應(yīng)的可得出NR（2.6GHz）的要求：RSRP>-107dBm（CRH）、RSRP>-110dBm（復(fù)興號(hào)）。

2.2 感知需求

通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)話務(wù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和測(cè)試，可以評(píng)估上、下業(yè)務(wù)的感知體驗(yàn)速率，進(jìn)而確定小區(qū)邊緣用戶速率要求，指導(dǎo)建網(wǎng)策略。根據(jù)用戶行為、業(yè)務(wù)模式分析，考慮中期用戶行為變化情況，5G高鐵建網(wǎng)初期eMBB場(chǎng)景需求下，以下行3~5Mbps、上行500kbps~1Mbps作為基準(zhǔn)指標(biāo)，可滿足用戶體驗(yàn)需求。

2.3 容量需求

本次測(cè)算以?xún)闪懈哞F相遇、車(chē)內(nèi)上座率100%、移動(dòng)用戶滲透率70%作為測(cè)算依據(jù)，總數(shù)據(jù)量需求不高于1000Mbps，在移動(dòng)獲得100M（2.6G）頻段資源的情況下，高鐵專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)主要為覆蓋受限、容量基本滿足需求。

3 5G高鐵覆蓋方案

3.1 車(chē)體穿損測(cè)算

本次測(cè)算基于2.6Ghz頻段考慮，采用目前較為常見(jiàn)的和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組28db穿損作為測(cè)算基準(zhǔn)，和諧號(hào)穿損約31db、復(fù)興號(hào)穿損約33db。

3.2 不同站間距下的鏈路損耗測(cè)算

根據(jù)車(chē)速、時(shí)間、幾何關(guān)系來(lái)計(jì)算，切換+重選時(shí)延=0.5s，切換遲滯過(guò)渡區(qū)=2dB，計(jì)算結(jié)果如圖1：

由測(cè)算結(jié)果可見(jiàn)，若滿足-105~-107dbm左右覆蓋要求，可考慮400米左右站間距。

3.3 切換重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃

切換和重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃，5G高鐵切換重疊區(qū)的規(guī)劃方法，與TD-LTE基本相同。

3.3.1 LTE切換重疊覆蓋區(qū)計(jì)算

LTE基站站間距：

L=2*（覆蓋半徑2－站點(diǎn)離鐵路距離2）?－2*單向重疊覆蓋長(zhǎng)度

不同的高鐵項(xiàng)目，站間距、站軌距均不同，切換重疊區(qū)也不同，移動(dòng)集團(tuán)要求4G網(wǎng)絡(luò)切換重疊區(qū)為200米。例如，典型站間距500m，站軌距100米，估算重疊切換區(qū)約為170米（優(yōu)化前）。

3.3.2 5G切換重疊覆蓋區(qū)計(jì)算

基于2.6G 的5ms單周期的共存子幀基礎(chǔ)上，計(jì)算小區(qū)切換重疊區(qū)，與TD-LTE優(yōu)化后的指標(biāo)一致：

（1）切換遲滯對(duì)應(yīng)距離：目前4G的配置是1dB，2.6G組網(wǎng)條件下，5G考慮同樣采用1dB，因此遲滯切換時(shí)延也是128ms；

（2）切換測(cè)量距離：對(duì)應(yīng)切換測(cè)量上報(bào)TTT，4G高鐵場(chǎng)景下從普通商用的320ms下調(diào)到了128ms，這個(gè)參數(shù)主要和終端的測(cè)量機(jī)制相關(guān)，5G仍為128ms；

（3）切換執(zhí)行時(shí)間：切換執(zhí)行時(shí)間，從handover command到目標(biāo)小區(qū)msg3的時(shí)間，仍為25ms。

結(jié)論：在350km/h下，一次切換所需單向距離約53m。

3.4 方位角和下傾角設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，在垂直波瓣半功率角和水平波瓣半功率對(duì)準(zhǔn)最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)效果最佳。

方位角設(shè)定：與掠射角相關(guān)，掠射角即為基站天線主瓣與列車(chē)車(chē)廂外立面的夾角（或鐵路平面），掠射角越小，天線主瓣方向需穿透的車(chē)廂壁厚越大，穿透損耗越大[3]。扇區(qū)夾角建議小于等于160°，為避免信號(hào)間重疊區(qū)域過(guò)大，夾角建議大于等于80°。

下傾角設(shè)定要求：與宏站相同，即天線上垂直波瓣3dB為準(zhǔn)邊緣，向內(nèi)推進(jìn)。

3.5 站軌距規(guī)劃

站軌距即為基站距離鐵路的最小距離，如果基站信號(hào)垂直與車(chē)廂（玻璃時(shí)），入射角最小、信號(hào)的穿損也最小，如果信號(hào)非垂直入射到車(chē)廂內(nèi)，入射角變大，穿透損耗也越大。據(jù)測(cè)試，20度內(nèi)，穿損受入射角變化影響較大，若小于10度，則呈指數(shù)衰減（圖2）。

圖2 30度入射角、不同站軌距情況下穿透損耗示意

合理站軌距范圍需要綜合考慮掠射角要求和最佳的覆蓋性能要求，盡量減少工程成本并提升網(wǎng)絡(luò)性能，2.6G NR覆蓋條件下，應(yīng)選擇100-150m站軌距。

3.6 天線選擇

高速鐵路的覆蓋，屬于線型場(chǎng)景的連續(xù)覆蓋、車(chē)廂高度變化較小，天線選擇受MIMO技術(shù)影響較小、受天線增益影響較大，天線能量需集中在主瓣方向（正對(duì)車(chē)廂方向），宜優(yōu)先選擇18dBi以上的2T2R（4G）、8T8R（5G）天線，且天線重量、尺寸應(yīng)滿足承載要求。

根據(jù)測(cè)試分析，30度左右天線性能最佳，45度天線覆蓋效果次之。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是未來(lái)5-10年內(nèi)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域最重要的任務(wù)之一，大帶寬、高數(shù)據(jù)流量需求場(chǎng)景下的高鐵覆蓋建設(shè)需求，是5G覆蓋建設(shè)需求的重要組成部分。通過(guò)合理分析，確定合理、滿足需求、滿足未來(lái)演進(jìn)需求的5G覆蓋指標(biāo)，進(jìn)而分析確定適宜的高鐵專(zhuān)網(wǎng)規(guī)劃原則，確保建設(shè)完成后網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)滿足用戶需求，提高運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，是本文的主要研究目標(biāo)。

[1]呂晨光，郭建光，王宇欣. 高鐵TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2014（10）：29-32.

[2]常賀，齊志剛. TD—LTE高鐵覆蓋F／D頻段組網(wǎng)分析[J]. 互聯(lián)網(wǎng)天地，2016（3）：30-33.

[3]卜翠. 800MLTE高鐵覆蓋解決方案研究[J]. 移動(dòng)信息， 2016（8）：142-143.