5G無線網(wǎng)絡在高鐵場景下的規(guī)劃及方案論述

摘 要：做好高鐵場景的5G無線網(wǎng)絡信號覆蓋是一種挑戰(zhàn)，通過對高鐵場景的復雜性描述，說明了5G無線網(wǎng)絡信號覆蓋該環(huán)境下存在的難度，分析研究了高鐵場景的網(wǎng)絡架構(gòu)、站址規(guī)劃等，提出了5G網(wǎng)絡在高鐵場景下的站點參數(shù)、天線選擇參數(shù)設(shè)定方案，為實際應用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：5G無線網(wǎng)絡;高鐵場景;網(wǎng)絡規(guī)劃;多普勒頻移;網(wǎng)絡架構(gòu);站址規(guī)劃

中圖分類號：TN929.53 ?文獻標識碼：A

Abstract：It is a challenge to do a good job in 5G wireless network signal coverage of high-speed railway scene.By describing the complexity of the high-speed railway scene，the difficulty of 5G wireless network signal coverage in this environment is illustrated.The network architecture and site planning of high-speed railway scene are analyzed and studied，and the site parameters and antenna selection parameter setting scheme of 5G network in high-speed railway scene is proposed，which provides theoretical basis for practical application.

Key words：5G wireless network;High-speed rail scenario;Network planning;Doppler shift;Network architecture;Site planning

目前，高鐵技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應用，國內(nèi)的三大運營商已經(jīng)開始試點5G無線網(wǎng)絡在高鐵場景下的部署和規(guī)劃，在移動通信的網(wǎng)絡覆蓋中，高鐵場景相對于其他的交通場景來說，比較復雜，它的密封性比較好、車速非常的快，旅客也比較密集，鐵路沿線各種多元化的環(huán)境都會表明5G無線網(wǎng)絡信號的覆蓋是一大難題。

1 場景分析

1.1 車速和多普勒頻移

我國的高速鐵路列車速度可達300km/h—500km/h，該速度必然會引起接收端的接收信號的頻率不一樣，變化的幅度和高鐵運行的快慢有關(guān)，因此多普勒頻偏決定著設(shè)備的高速移動。對接收機來講，即相當于一個時變的頻率對原有接收信號調(diào)制。列車的移動速度越快，頻率的變化越大，導致快速移動基站的信號頻率接收系統(tǒng)性能的下降，快速移動引起的頻率變化對于接收機的解調(diào)性能提升帶來諸多困難。

1.2 車體穿透損耗

新型高速鐵路列車采用全封閉車廂結(jié)構(gòu)，車體結(jié)構(gòu)為鋼材或鋁合金等材料，且車窗玻璃較厚，基站信號在穿透車體進入車廂內(nèi)的衰減較大，無法滿足最小覆蓋接收電平，通常天線方向與鐵路沿線的夾角較小，導致穿透損耗更大。信號穿入車廂的入射角不同，穿透損耗就不同[2]，信號垂直入射時的穿透損耗最小。當基站的垂直位置距離鐵道較近時，覆蓋區(qū)邊緣信號進入車廂的入射角小，穿透損耗大[3]，根據(jù)信號入射角與穿透損耗關(guān)系實測結(jié)果圖不難看出，入射角值應控為大于10度，這樣可大幅降低損耗值，如圖1和圖2。

1.3 頻繁切換

在高鐵場景下，高速移動的列車在越切換區(qū)停留的時間很短，有可能小于系統(tǒng)切換時長，或在較短時間內(nèi)進行多個小區(qū)的頻繁切換，從而引起小區(qū)的頻繁切換，導致終端吞吐量下降，甚至造成業(yè)務中斷[4]，進而整個網(wǎng)絡的性能受到影響，高鐵場景下頻繁切換和速率對比如圖3：

如何解決以上描述的頻繁切換問題，一方面要延伸單小區(qū)的覆蓋范圍，一方面要將相鄰若干個子小區(qū)合并為一個小區(qū)，這樣在同一小區(qū)內(nèi)不存在切換[5]，小區(qū)間的切換由于覆蓋范圍延伸，預留了切換帶，保證切換成功的概率提高，從而在整個路段減少了切換的次數(shù)，降低了切換失敗的可能性，小區(qū)合并后切換如圖4：

2 高鐵場景5G網(wǎng)絡規(guī)劃

2.1 NSA/SA網(wǎng)絡架構(gòu)

在5G網(wǎng)絡部署過程中，需要從組網(wǎng)架構(gòu)、場景覆蓋、關(guān)鍵產(chǎn)品特性及業(yè)務保障等多個維度來綜合考慮組網(wǎng)策略，在保證5G網(wǎng)絡按計劃組網(wǎng)的同時，兼顧4G網(wǎng)絡性能，目前高鐵場景下還未實現(xiàn)大規(guī)模5G網(wǎng)絡覆蓋，仍然依靠4G網(wǎng)絡實現(xiàn)語音及數(shù)據(jù)的傳送。5G的網(wǎng)絡架構(gòu)主要分為NSA和SA兩種模式，NSA組網(wǎng)模式利用現(xiàn)有4G網(wǎng)絡為錨點，利用4G網(wǎng)絡傳送控制信令，業(yè)務數(shù)據(jù)則通過5G傳送;SA組網(wǎng)模式則是控制和數(shù)據(jù)都在5G網(wǎng)絡上傳送，不需借助4G網(wǎng)絡。高鐵場景下的網(wǎng)絡覆蓋，通常會在已實現(xiàn)全國性覆蓋的情況下再去部署，網(wǎng)絡建設(shè)成本較高，因此為了后期NSA再升級至SA網(wǎng)絡產(chǎn)生的額外投資，高鐵場景下的5G網(wǎng)絡應一步到位，建議在網(wǎng)絡建設(shè)初期就選擇SA組網(wǎng)模式。

2.2 明區(qū)間站址規(guī)劃

明區(qū)間即高鐵隧道外部分，合理的站址規(guī)劃是保證網(wǎng)絡覆蓋的基礎(chǔ)，也是保證高鐵專網(wǎng)業(yè)務感知的必要條件。對站址規(guī)劃進行合理性審核是高鐵優(yōu)化工作的重要組成部分。在實際應用中，根據(jù)RRU發(fā)射功率、解調(diào)門限、建模參數(shù)，計算得出最大的覆蓋范圍。目前5G網(wǎng)絡主流頻段為2.6GHz及3.5GHz，小區(qū)內(nèi)站間距為覆蓋半徑的兩倍，小區(qū)間站間距小于覆蓋半徑的兩倍，那是由于為了增加切換成功率，在小區(qū)間增加了切換帶，一般為200米左右，根據(jù)高鐵場景傳播模型進行鏈路預算得出的站間距[6]如表2：

對于直線軌道，高鐵沿線相鄰站址宜交錯分布在鐵路兩側(cè)，形成“之”字型布局如圖5所示，有助于改善切換區(qū)域，有利于車廂內(nèi)兩側(cè)信號強度的均衡[7]。對于拐角區(qū)域，站點位置應選擇在拐角內(nèi)側(cè)，有助于減小基站覆蓋方向和軌道方向夾角，減小多普勒頻移的影響[8]。

2.3 暗區(qū)間站址規(guī)劃

暗區(qū)間即高鐵隧道內(nèi)部分，覆蓋方式主要采用紅線內(nèi)建設(shè)方式，覆蓋用桿、塔、機柜及設(shè)備安裝選擇在場坪建設(shè)，以保證信號無縫連續(xù)覆蓋[9]。可以根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇RRU拉遠+漏泄電纜方式、隧道口尾巴天線延伸覆蓋等多種方式實現(xiàn)信號覆蓋。對于傳統(tǒng)的2G/4G覆蓋，采用的泄露電纜通常為13/8"的泄漏電纜，但由于5G室內(nèi)覆蓋采用3.5GHz的頻段，需要采用新型的5/4"泄漏電纜系統(tǒng)，或采用最新的4T4R貼壁天線，在滿足了隧道安全的基礎(chǔ)上實現(xiàn)4流Massive MIMO。

對長度超過500米的隧道，內(nèi)部一般隔500米會有一個洞室，2G/4G網(wǎng)絡的RRU設(shè)備分別安裝在洞室，信號通過POI設(shè)備后沿漏纜向兩側(cè)分布[10]。但對于采用3.5GHz頻段的5G網(wǎng)絡，新型漏纜能否達到覆蓋250米的距離還是個未知，這就需要根據(jù)鏈路預算結(jié)果進行分析，考慮到泄露電纜百米損耗及耦合損耗、車廂損耗、接頭損耗、POI插入損耗及干擾余量等因素，得出該頻段下的鏈路預算結(jié)果如表3：

根據(jù)上表結(jié)果可知，若采用2G/4G網(wǎng)絡的覆蓋方式，即在間隔500米的洞室安裝RRU，覆蓋半徑應達到250米以上，而上表的覆蓋半徑僅為175米，因此無法實現(xiàn)5G信號的覆蓋。

而實際應用中，長隧道覆蓋的情況較為常見，如何解決有效覆蓋這一問題，有兩種方法可供參考，第一個，采取降低覆蓋質(zhì)量而獲得覆蓋效果的方式，例如降低邊緣速率;第二個，高鐵隧道一般雙側(cè)都有洞室，可采用雙側(cè)隧道壁布放雙漏纜的方式，延伸了覆蓋范圍，這兩種方法使用場景和優(yōu)缺點各不相同，第一種造價低易于實現(xiàn)，適合在覆蓋要求低的區(qū)域，第二種信源增加投資較高，適宜在重點覆蓋區(qū)域。

3 5G網(wǎng)絡在高鐵場景下方案研究

3.1 站點參數(shù)的設(shè)定

在高鐵場景下，基站距離高鐵軌道的距離與入射角有關(guān)，即天線與軌道之間的夾角，角度越小，穿透損耗就越大，因此一般入射角不能小于10度，為避免過小的入射角，基站與軌道距離建議為100米到300米之間。天線掛高：高鐵規(guī)劃中的天線掛高為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高度建議為15—25米左右，同時應保證天線與軌面視通。

3.2 天線的選擇

鐵路屬于狹長地形場景覆蓋，為了增加單站的覆蓋距離，當站軌距小于150米時，可以根據(jù)站間距情況采用高增益窄波瓣天線增益為21dbi，水平波瓣為33度天線。為了減少窄波瓣天線帶來的塔下黑影響，站軌矩大于150m的站點建議優(yōu)先選擇18dbi、水平波瓣65度天線。有拐角弧度的區(qū)域站點需建設(shè)在弧度內(nèi)側(cè)，并采用65度天線。外部干擾或站間距、站軌矩有特殊要求的，也可以考慮使用24度窄波瓣天線，同時考慮減少平臺占用降低鐵塔的租費，可選擇多頻電調(diào)天線將原有系統(tǒng)天面整合騰出安裝空間，多頻天線支持的頻段范圍包括了TDD-LTE的F、D頻段及FDD900、FDD1800頻段，5G系統(tǒng)單獨新增8T8R高增益窄波束天線。

4 結(jié)語

隨著日益更新的科技發(fā)展，智能化的普及越來越廣泛，對網(wǎng)絡的要求也越來越高，在這種需求的推動下5G網(wǎng)絡誕生了。目前5G網(wǎng)絡正在緊張建設(shè)中，但高鐵場景還未大規(guī)模部署，本文結(jié)合高鐵場景下遇到的一些網(wǎng)絡規(guī)劃和建設(shè)方面的問題，分析了問題產(chǎn)生的原因，提出了部署5G網(wǎng)絡規(guī)劃和建設(shè)方案的一些建議，借助5G網(wǎng)絡低時延、高帶寬的特性，定會提升高鐵用戶的網(wǎng)絡體驗。

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作者簡介：袁晨輝（1988—），男，漢族，陜西咸陽人，本科，通信工程師，研究方向為無線通信。