（2020年度“華蘇杯”獲獎(jiǎng)?wù)撐娜泉?jiǎng)）滬蘇通長江公鐵兩用大橋5G NR覆蓋策略研究

付 斐 徐 明 沈 凌 于黎明

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司江蘇省分公司

0 引言

滬蘇通大橋是世界上首座跨度超千米的公鐵兩用斜拉橋，鐵路橋總長11.0km，客運(yùn)專線橋梁總長5.838km，四線公鐵合建橋梁方案公路橋總長約5.838km。在高鐵場景下，由于列車運(yùn)行速度快、車體損耗高、多普勒頻移和快衰落影響大，會發(fā)生頻繁的小區(qū)切換。中國聯(lián)通江蘇省分公司基于現(xiàn)有5G高鐵試驗(yàn)網(wǎng)項(xiàng)目，參考5G組網(wǎng)方式、穿透損耗、入射角、小區(qū)合并、重疊區(qū)等進(jìn)行多角度分析，研究影響5G覆蓋質(zhì)量的因素，針對鐵路橋特殊場景制定專題技術(shù)方案。

1 概述

目前高鐵移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要為娛樂、社交、辦公類為主。5G時(shí)代將轉(zhuǎn)向以4K、8K“高清視頻”為核心的大帶寬eMBB業(yè)務(wù)，滿足人民日益增長的移動(dòng)數(shù)據(jù)需求。

1.1 建設(shè)指標(biāo)需求

作為國內(nèi)首例鐵路大橋采用泄漏電纜敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)4G、5G信號同步覆蓋的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)質(zhì)量重點(diǎn)指標(biāo)需滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋率大于95%、網(wǎng)絡(luò)接通率大于90%以及掉話率小于10%等。

1.2 5G高鐵測試

本覆蓋方案綜合分析前期5G高鐵試驗(yàn)網(wǎng)測試數(shù)據(jù)及地鐵隧道漏纜測試數(shù)據(jù)，綜合分析NSA/SA不同組網(wǎng)的優(yōu)劣、不同車型的穿透損耗、入射角對覆蓋的影響、小區(qū)合并增益、地鐵5G泄漏電纜覆蓋測試分析結(jié)果和多因素影響下的鏈路預(yù)算。

2 滬蘇通鐵路橋覆蓋的難點(diǎn)

2.1 大橋橋面環(huán)境復(fù)雜

滬蘇通長江公鐵兩用大橋橋面環(huán)境復(fù)雜，下面鐵路為四線，上面公路為六車道，橋梁采用連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，且未預(yù)留公網(wǎng)設(shè)備纜線安裝位置，江面寬闊，橋面區(qū)域?yàn)楦采w盲區(qū)，設(shè)計(jì)施工難度極大。

2.2 切換場景復(fù)雜

由于列車運(yùn)行速度快，橋面漏纜覆蓋和鐵路紅線外基站的切換，發(fā)生在橋面漏纜兩端的場景，橋面中間跨地市切換，有異頻、異廠家設(shè)備切換等情況，對列車內(nèi)的用戶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)影響較大。

2.3 快速列車對重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃的影響

鐵路線場景移動(dòng)網(wǎng)信號切換有軟切換、硬切換、虛擬軟切換、同頻切換、異頻切換以及異系統(tǒng)切換等類型，在快速移動(dòng)的環(huán)境下，用戶終端容易產(chǎn)生頻繁切換、乒乓切換。當(dāng)終端的移動(dòng)速度足夠快以至于穿過切換區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)處理切換的最小時(shí)延時(shí)，將會導(dǎo)致掉話。因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)整階段，必須保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋有足夠的重疊區(qū)域。

2.4 多系統(tǒng)間干擾的影響

各運(yùn)營商與鐵路GSM-R頻段相隔較遠(yuǎn)，系統(tǒng)間干擾基本可忽略。各運(yùn)營商4G頻段極為接近，因此在站址選擇及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中要考慮運(yùn)營商各系統(tǒng)間的干擾。

2.5 高速列車穿透損耗

高鐵列車為全封閉結(jié)構(gòu)，車體穿透損耗較大。CRH380B列車穿透損耗為22 dB左右（90度入射角），復(fù)興號列車穿透損耗在27 dB左右（90度入射角），列車內(nèi)外信號相差約1000倍。無線信號入射列車的角度不同，對應(yīng)的列車穿透損耗也不同。當(dāng)信號垂直入射時(shí)的穿透損耗最小；當(dāng)基站與鐵軌垂直距離較近時(shí)，在小區(qū)邊緣信號進(jìn)入車廂的入射角較小，穿透損耗就較大。

3 覆蓋解決方案分析

3.1 高鐵SA/NSA組網(wǎng)對比

根據(jù)理論分析和實(shí)測數(shù)據(jù)可知，SA組網(wǎng)平均RSRP為-99.14 dBm，平均SINR為12.24 dB，覆蓋率（RSRP>-110&SINR-3）為92.93%，平均速率331Mbps；NSA組網(wǎng)平均RSRP為-92.33 dBm，平均SINR為12.36 dB，覆蓋率（RSRP>-110&SINR-3）為97.22%，5G時(shí)長駐留比80.25%，綜合覆蓋率78.01%（階段性優(yōu)化后），平均下載速率211Mbps。

3.2 穿透損耗分析

不同車型的SSB RSCP分布曲線如圖1所示。實(shí)測不同車型SSB RSCP，復(fù)興號覆蓋最差（穿透損耗最高），與CRH380D、CRH2C型差值在5～10dB。

復(fù)興號CR400BF車型定點(diǎn)穿透損耗28.44 dB（站臺定點(diǎn)測試，90度入射角），本次漏纜覆蓋方式為90度入射角方式。3.5G穿透損耗定點(diǎn)測試結(jié)果如表1所示。

3.3 入射角分析

通過統(tǒng)計(jì)不同入射角場景下的弱覆蓋采樣點(diǎn)占比分析，RSRP小于-110的采樣點(diǎn)基本集中在入射角0-20度之間；根據(jù)趨勢線分析，在入射角小于20度后，存在RSRP陡降的情況，所以要求入射角不小于20度。泄露漏纜覆蓋方式入射角基本保持在90度，符合入射角要求。入射角與RSRP關(guān)系散點(diǎn)圖如圖2所示。

3.4 小區(qū)合并RSRP增益分析

選取高鐵試驗(yàn)段進(jìn)行SA小區(qū)合并增益驗(yàn)證，小區(qū)合并后，RSRP提升2.66 dB（-100.71→-98.05），SINR提升5.75 dB（11.3→17.05），RSRP≥-105且SINR≥-3覆蓋率提升5.68 PP（74.80%→79.12%），下行速率大于50Mbps比例提升2.40 PP（86.61%→89.01%）。

3.5 重疊覆蓋區(qū)分析

（1）重疊覆蓋區(qū)設(shè)計(jì)

重疊覆蓋區(qū)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 重疊覆蓋區(qū)設(shè)計(jì)

（2）切換時(shí)延

切換時(shí)延如圖4所示。

圖4 切換時(shí)延

距離A：信號到滿足切換電平遲滯（2 dB）需要的距離；并且考慮防止信號波動(dòng)需重新測量而影響切換的距離余量。

距離B：切換區(qū)域，包含終端測量周期上報(bào)時(shí)長、切換時(shí)間遲滯以及切換執(zhí)行時(shí)長對應(yīng)的距離。

終端測量上報(bào)周期+切換時(shí)間遲滯：320 ms。

切換執(zhí)行時(shí)延：20 ms。

（3）切換重疊覆蓋區(qū)

切換重疊距離=2×（切換遲滯距離+切換觸發(fā)時(shí)間距離+切換執(zhí)行距離）。其中切換遲滯（2dB）、切換時(shí)延（320ms+20ms），350km/h切換重疊需求距離168米。重疊覆蓋區(qū)計(jì)算如表2所示。

表2 重疊覆蓋區(qū)計(jì)算

3.6 鏈路預(yù)算與實(shí)測站間距分析

（1）鏈路預(yù)算

本方案僅考慮鐵路橋面部分的覆蓋方案，因此只考慮鐵路橋面部分的鏈路預(yù)算。鐵路橋面單個(gè)設(shè)備覆蓋距離（泄漏電纜）、具體鏈路預(yù)算如表3所示。

表3 1-1/4”漏纜鏈路預(yù)算

（2）漏纜覆蓋距離實(shí)測

5G RRU1配置為2個(gè)2T2R小區(qū)，往左右各接兩根漏纜，RRU2關(guān)閉，5G RRU1為8*30W設(shè)備，漏纜為5/4漏纜，CPE發(fā)射功率23 dBm、增益4 dBi。

隧道測試如圖5所示。實(shí)測數(shù)據(jù)表明：雙漏纜的情況下，單邊覆蓋300米，雙向600米，邊緣場強(qiáng)可達(dá)-85 dBm；雙向600米，邊緣SINR 31 dB，峰值SINR可達(dá)35 dB，平均SINR可達(dá)33 dB；雙向600米，邊緣下載速率300 Mpbs，峰值下載速率可達(dá)376 Mpbs，平均下載速率可達(dá)350 Mpbs。

圖5 隧道測試示意圖

高鐵與地鐵下行覆蓋鏈路預(yù)算差異如表4所示。

表4 高鐵與地鐵下行覆蓋鏈路預(yù)算差異

1）200米處，地鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-75 dBm，推算高鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-99.8 dBm；2）250米處，地鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-80 dBm，推算高鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-104.8 dBm；3）300米處，地鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-85dBm，推算高鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-109.8 dBm。

雙漏纜的情況下，單邊覆蓋300米，雙向600米，邊緣場強(qiáng)可達(dá)-86 dBm；雙向600米，邊緣SINR 32 dB，峰值SINR可達(dá)39 dB，平均SINR可達(dá)38 dB；雙向600米，邊緣上載速率30 Mpbs，峰值上載速率可達(dá)48 Mpbs，平均上載速率可達(dá)39 Mpbs。

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高鐵與地鐵上行覆蓋鏈路預(yù)算差異如表5所示。

表5 高鐵與地鐵上行覆蓋鏈路預(yù)算差異

1）200米處，地鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-78 dBm，推算高鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-102 dBm；2）250米處，地鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-82 dBm，推算高鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-106 dBm；3）300米處，地鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-88 dBm，推算高鐵邊緣場強(qiáng)可達(dá)-110 dBm。

3.7 鐵路橋覆蓋方案分析

本方案采用射頻拉遠(yuǎn)單元+漏泄同軸電纜的方式解決鐵路橋面的覆蓋；橋面兩側(cè)各吊掛4根漏纜，多RRU采用共小區(qū)的方式減少切換。長江大橋鐵路橋梁部分區(qū)域無線覆蓋采用RRU設(shè)備，利用POI將各系統(tǒng)設(shè)備信號合路到漏纜，參照鏈路預(yù)算結(jié)果、實(shí)測數(shù)據(jù)和重疊覆蓋區(qū)的要求，漏纜斷點(diǎn)350米滿足4、5G的覆蓋需求。

（1）站址方案

滬通鐵路長江大橋公網(wǎng)覆蓋工程鐵路橋梁部分建設(shè)規(guī)模為新建設(shè)備站點(diǎn)共34處（左右側(cè)各17處）。為減少干擾提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，橋兩側(cè)信源做小區(qū)合并，東西兩側(cè)光纜在橋下匯接到光交，接到BBU機(jī)房。

（2）漏纜方案

13/8泄漏電纜受到同軸電纜截止頻率的制約，最高頻段只能支持到2.7GHz；5/4及以下規(guī)格電纜截止頻率都超過3.6GHz。根據(jù)各運(yùn)營商頻率分配情況，移動(dòng)采用13/8電纜，電信和聯(lián)通采用5/4漏纜。

本方案覆蓋的鐵路橋段長度為5824米，通信泄漏附掛高度介于車窗玻璃上下沿，兩側(cè)各敷設(shè)漏纜4根、雙側(cè)附掛8根漏纜，開斷距離350米，移動(dòng)單側(cè)獨(dú)享2根13/8英寸漏纜、電信聯(lián)通單側(cè)共享2根5/4英寸漏纜。

（3）小區(qū)合并方案

1）橋面漏纜覆蓋和鐵路紅線外基站的切換，發(fā)生在高架橋面漏纜兩端的場景，橋面中間還涉及跨地市切換，可能存在異頻切換、異廠家設(shè)備切換的情況。紅線內(nèi)橋面設(shè)備與紅線外橋下宏站盡量設(shè)置為同一廠家、同一頻率，將橋面和引橋部分相鄰小區(qū)合并為同一小區(qū)，從而減少切換，改善用戶體驗(yàn)。如為不同廠家、異頻，則應(yīng)確保足夠的切換重疊距離，避免因切換距離不足而導(dǎo)致用戶掉話。

2）鐵路橋單邊都為兩根漏纜，2.1G LTE信源均選擇4TR設(shè)備，3.5G NR信源選擇8TR設(shè)備（設(shè)備廠商暫無3.5G 4TR設(shè)備），信源采用6小區(qū)合并的方式減少切換次數(shù)。

3）橋東西兩側(cè)信源做小區(qū)合并，東西兩側(cè)光纜橋下匯接到光交，由光交分別接入橋南北兩側(cè)的BBU集中機(jī)房。

4）蘇州側(cè)：規(guī)劃3個(gè)小區(qū)，橋上RRU歸屬BBU集中到橋下最近機(jī)房“聯(lián)通通沙汽渡”，蘇州側(cè)橋上末端RRU與下橋首站點(diǎn)“聯(lián)通通沙汽渡”做小區(qū)合并，避免漏纜末端輸出功率較低下橋點(diǎn)弱覆蓋導(dǎo)致信號不連續(xù)切換失敗的問題。

5）南通側(cè)：規(guī)劃3個(gè)小區(qū)，橋上RRU歸屬BBU集中到橋下最近機(jī)房“滬通大橋”，南通側(cè)橋上末端RRU與下橋首站點(diǎn)“滬通大橋北”做小區(qū)合并，避免漏纜末端輸出功率較低下橋點(diǎn)弱覆蓋導(dǎo)致信號不連續(xù)切換失敗的問題。

4 結(jié)束語

依據(jù)高鐵試驗(yàn)網(wǎng)實(shí)測數(shù)據(jù)并結(jié)合地鐵泄漏電纜覆蓋經(jīng)驗(yàn)，分析研究了高鐵鐵路橋漏纜覆蓋方案，綜合評估5G覆蓋SA/NSA組網(wǎng)方式對比，分析穿透損耗、入射角、小區(qū)合并、重疊覆蓋區(qū)、漏纜性能對覆蓋的影響，通過合理重疊區(qū)規(guī)劃、小區(qū)合并等手段，運(yùn)用實(shí)測數(shù)據(jù)優(yōu)化鐵路橋覆蓋方案，保證鐵路橋5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋連續(xù)性和完整性。