5G高鐵網絡新架構及天饋發展趨勢研究*

楊艷，張濤，李福昌

（中國聯合網絡通信有限公司網絡技術研究院，北京 100048）

0 引言

高鐵出行已經成為當前國人最優的出行方式之一。根據國家統計局官網數據，2020年全國鐵路營業里程達到14.63萬公里，其中，高鐵營業里程3.8萬公里，占比26%。高鐵客運量比重達到70.7%，客運周轉量比重達到58.6%[1]。從出行習慣上來看，旅客在高鐵上普遍會使用手機等終端進行無線通信，如網上辦公、網上會議、在線視頻或者在線游戲等，這些業務的使用都對網絡性能和安全性的要求極高。但是高速場景下網絡部署的難度比低速場景要大。一方面，受到頻率的影響，車廂的穿透損耗很大，高鐵部署向著高頻、超高頻部署的需求與技術難度呈現日益擴大的剪刀差；另一方面，高鐵屬于安全要求等級極高的場景，無法容忍車體的過度改造，新型設備進行涉及車廂改造的流程和論證過程復雜。

目前，國內外專家已經對5G和B5G高鐵技術開展了研究，包括5G高鐵關鍵技術、信道估計、天線技術和部署方案等。文獻[2-4]介紹了5G高鐵部署中面臨的問題及一些建議的技術方案；文獻[5-7]研究了高速和高頻部署下，高鐵的信道估計方法及優化措施；文獻[8-11]介紹了MIMO（MultipleInput Multiple Output）、多用戶接入和智能超表面（IRS,Reconfigurable Intelligent Surfaces）等天線方面的技術在5G高鐵的應用；文獻[12-15]從5G基站上高鐵和常規5G部署方面對高鐵部署方案提出了建議。

本文首先介紹了5G高鐵的業務需求，然后給出了5G高鐵部署方案的三種網絡架構，并從實際測試入手，給出了主流5G頻段下高鐵的覆蓋性能；再次，介紹了5G高鐵部署需要進行的天線改進和創新，最后進行了總結。

1 5G高鐵通信需求分析

5G網絡的成熟極大地催生了移動業務的豐富化，如高清視頻、高清直播、游戲和移動線上會議等都成為目前最為普遍的5G通信業務。而高鐵作為中、短距離的主要出行工具，“高鐵+辦公”、“高鐵+娛樂”已經逐漸普及化，也越來越被人們認同。

高清視頻、高可靠業務對網絡有極高的要求，目前3GPP等標準化組織都對該類業務的保證速率等進行了規定，如表1中4K和VR的保證速率要求。

表1 5G典型業務保障參數

按照列車的長度及用戶的分布情況，一般情況下一列高鐵車上的全部用戶會接入到一個小區，按照不同運營商用戶滲透率和8列編組車廂列車乘客數計算可知，每小區的小區容量至少在3 Gbit/s以上。

2 5G高鐵部署方案及架構

高鐵的公眾通信部署方式從最初的信號直接穿透車窗的方式向著多元化的方向發展，涌現出了穿透方案、基站上高鐵方案和IRS高鐵方案等，下文將分別介紹。

2.1 傳統穿透式部署架構及性能分析

傳統穿透方案是高鐵沿途的基站在一定的入射角要求范圍內，信號直接穿透車窗對車廂內的終端進行覆蓋的方案，如圖1所示：

圖1 主流5G頻段穿透部署方案示意圖

在低速場景下，可以通過Massive MIMO技術充分的復用空間資源有效提升小區容量，也可以通過加密站址等方式擴展用戶業務容量的需求。而在高鐵場景下，車廂的密閉性帶來了極大的穿透損耗（如表2所示），以中國聯通主流5G頻段可知，穿透損耗將達到35 dB以上，嚴重影響信號的強度，導致用戶吞吐量下降，無法滿足5G高帶寬、低時延和高可靠業務需求。

表2 不同列車的穿透損耗

為了獲取傳統方案的實際應用效果，我們在京張高鐵開展了一系列5G高鐵試驗和驗證，圖2～圖3是在平均站間距500 m、3.5 GHz和2.1 GHz主流頻點高鐵覆蓋情況下測試得到的網絡能力。圖2中給出了在復興號列車條件下，采用3.5 GHz和2.1 GHz頻段，在5G SA部署方式下的信號強度。不難看出，2.1 GHz頻段的信號衰減明顯優于3.5 GHz的，差值為9 dB，這主要是由頻率產生的穿透損耗導致的信號衰弱。

圖2 主流5G頻段穿透部署方案RSRP比較

圖3則是從上下行吞吐量情況進行了分析，從圖中可以看到，上行的速率低于下行的速率，其中2.1 GHz好于3.5 GHz，下行3.5 GHz的吞吐量為2.1 GHz的2倍。

圖3 主流5G頻段穿透部署方案吞吐量比較

從總體上來看，穿透損耗對傳輸速率超成了較大的影響，現在的部署方式將難以滿足對5G業務的高需求。此外，如果采用毫米波以上的頻率進行高鐵部署，典型的穿透方案將無法使用，目前美國等國家已經面臨這樣的問題。

2.2 基站上高鐵架構分析

根據典型穿透方案的分析可以看到，如何節省穿透損耗和提升天線能力將成為未來高鐵部署方案需要重點考慮的問題。本節將對基站上高鐵的架構進行探索和研究。目前，較為主流的解決方案是將基站或類似基站的設備直接安裝在列車上，從而節省穿透損耗。主流的方案包括直放站方案、小站方案和中繼方案。

（1）直放站方案架構

直放站方案是在高鐵車體上部署直放站，并通過定向天線進行車內用戶覆蓋，車廂間使用光纖或者新型線纜進行部署。其原理是在基站和用戶終端間引入直放站，將不同頻段的信息進行合理的放大后再進行數據的傳輸。直放站方案只是將信號放大，仍可以顯示運營商log，對核心網和終端無影響，如圖4所示。

圖4 直放站方案架構

1）優點：技術方案簡單，設備投資省，組網簡潔，不需要改變現有的網絡架構。

2）存在的主要問題：

◆干擾大：直放站與施主站存在覆蓋交疊，時延差會導致干擾，引起SINR惡化。另外，直放站級聯會造成噪聲的累加，整體抬升宏站底噪。噪聲累加程度的不同，會造成每個車廂網絡性能的不均衡。

◆性能差：車內外同頻，SINR差，難以達成多流感知，多普勒糾偏能力實現困難，性能有待驗證。

◆運維能力差：直放站系統網管簡單，只提供各類告警，難以實現精確問題定位和精細化運維。

（2）小基站方案架構

小基站方案是將小基站放置在車體上，車外宏站作為回傳鏈路（類似與光纖回傳）與小基站相連，車內使用分布式室分系統進行用戶覆蓋。網絡架構如圖5所示。

圖5 小基站方案架構

1）優點：部署架構比較簡單，與現在的室內外部署相似。

2）存在的主要問題：

◆核心網改造太大。目前運營商網絡基站都是相對固定的，不存在核心網頻繁跨省的問題，如果采用小基站方案，或許需要重新建設高鐵專用核心網或者對核心網進行整體改造。

◆回傳問題。如果車廂內覆蓋的是5G信號，則CPE需要作為回傳設備使用，但目前回傳的標準和協議都是按照有線傳輸規定的，其丟包率要求近乎為0%。而目前CPE作為回傳設備使用時空口的丟包率為5%，難以滿足要求。如果需要采用新的物理層傳輸技術（可行性需要進一步評估），會降低傳輸效率，且在高速場景下無法實現多次發送同一數據。

◆CPE與小基站連接的協議還未落實，具體網元選取及使用還需要研究。

上文定性分析了小站方案，下文將從鏈路預算的角度分析下小站方案。一般來講，小站方案分為CPE+DAS系統和CPE+數字化基站兩種，下文將以CPE+DAS系統為例進行覆蓋和造價分析。

表3為采用小站方案的覆蓋能力分析：

表3 采用小站方案的覆蓋能力分析（漏纜無穿損場景，采用5/4漏纜）

下文從投資的角度進行分析，可知采用基站上高鐵后，車廂內部的改造費用將有較大的提升，但是周邊站的站間會擴大，目前評估將為1 km以上，這樣建站成本會下降，如表4所示：

表4 采用小站方案的成本能力分析

（3）基于中繼的基站上高鐵架構

如表6所示，基于中繼（Relay）的基站上高鐵方案是將Relay設備放置在車體外，車內使用數字化室分系統進行部署的方案。

1）優點：部署架構比較簡單，中繼是一種MAC層設備，可以進行一些數字信號的處理。

2）存在的主要問題：

◆Relay標準尚未凍結，后期開發難度大；

◆車載Relay需要與宿主基站同廠家，格局約束大；

◆Relay不支持切換，無法實現高速移動頻繁切換的要求。

（4）基站上高鐵方案中的天線技術

基站上高鐵方案對天線也有新的要求，從實現的本質可以分為提升天線增益和天線智能化需求。

高鐵車體天線指安裝在車體上的天線，是針對基站上高鐵方案提出的一種新型天線，需要關注列車行駛安全和天線性能。從布放位置，分為車體外天線和車廂內天線。

車體外天線主要是指車廂頂部的天線，目前都是單流的天線，尚無MIMO特性的天線，嚴重地影響了系統的性能提升，因此在后續研究中，需要針對車體外天線開展研究，包括：

（1）車體MIMO天線：通過多天線技術提升列車的傳輸效率，提升頻譜效率。

（2）多頻智能天線：如果基站上車后，由于安全要求和安裝環境有限，天線需要盡可能地小型化、集成化，并應當集成較多的頻段，達到一副天線全頻段支持的需求。

車廂內天線主要指車廂內進行用戶覆蓋和信號回傳的天線，這類天線需要考慮按需進行功率控制，并需要配置智能化的裝置，減少車外飄入信號對車內有用信號的干擾。

圖6 基于中繼的基站上高鐵架構

2.3 基于IRS的高鐵部署架構

IRS[16-20]是一種新型的智能化超表面設備，通過對設備表面的陣子或可編程接入點進行編程，改變接收信號的傳播方向或路徑特性。在高鐵中使用IRS進行部署，可以很好地克服快速時變的車體外環境影響，也可以改良車廂內用戶的信號強度分布，從而解決車體的干擾。目前較為明顯的部署位置為鐵路沿線、車體頂部、車體玻璃外、車廂內4處，圖7給出了基于IRS的高鐵架構圖：

圖7 基于IRS的基站上高鐵架構

鐵路沿線放置IRS設備可以實現較好的收波功能，將一些傳播方向偏離的信號進行回歸式調整。IRS設備放置在車體頂部可以與基站上高鐵設備進行結合，將單天線進行IRS擴展，提升天線的面積。IRS設備放置在車體玻璃外，靈活地應用IRS薄膜化的特征，對信號進行加強，減少穿透損耗。IRS設備放置在車廂內，可以將用戶信號進行智能化加強，提升用戶的整體接入性能。

3 5G高鐵沿線天線技術研究方向

高鐵沿線天線普遍是指在鐵路沿線的天線系統，按照場景來看，目前可以粗略分為紅線外和隧道內兩個場景。

3.1 紅線外高鐵天線

紅線外高鐵天線需要考慮天線增益提升的要求，主要的方法有：

（1）通過MIMO技術進行發送和接收增益的提升，如沿線的天線的TR數提升為8或者16。

（2）通過采用特性天線，如龍伯透鏡天線，最大限度地將信號集中在高鐵長條狀的覆蓋帶上，實現高鐵覆蓋范圍內的天線增益提升。

（3）智能超表面技術的引入，可以通過在必要的區域添加IRS，改變信號傳播的路徑，減少遮擋等不必要的信號衰減。

（4）分布式天線可以擴大單個小區的覆蓋范圍，實現多物理站址間的協同部署，極大地減少小區切換，實現用戶的有效數據通信時長。

3.2 隧道內高鐵天線

目前高鐵隧道都是采用漏纜進行部署，如13/8或者5/4漏纜，但是漏纜都有明顯的使用頻段，當超出漏纜的支持頻率（截止頻率）時，信號質量出現極大的衰減，從而導致通信中斷。而在5G及B5G高鐵部署中，通常要使用到3.5 GHz以上的頻段，這個與現存漏纜支持的頻率有較大差異，無法進行全頻段漏纜覆蓋。相對地，天線可以支持頻率的范圍較大，可以很好地解決高頻覆蓋的問題，如對數周期天線就是一種比較常見的貼壁天線。同時使用可以將隧道天線與RIS系統結合，實現信道優化，從而提升天線的性能。但是天線在隧道內部署缺乏實驗驗證，需要進行全面的安全分析和測試，以防列車帶來的高風壓造成設備脫落，進而影響高鐵行駛安全。

4 結束語

高鐵通信是一種高速或超高速列車運行下，使用多種通信覆蓋技術實現列車內用戶通信的通信模式。高速運行的列車對安全的要求極高，車廂都比較厚或使用多層膜狀材料，穿透損耗很大。而5G的主流頻段是3.5 GHz和2.1 GHz，如果采用直接穿透的部署方法，將帶來35 dB以上的穿透損耗，極大地削弱網絡的覆蓋能力，造成較高的建網成本。因此在5G業務豐富化、高質量化的前提下，如何進行5G高鐵的部署成為當前5G高鐵部署的關鍵問題。本文結合高鐵部署的需求、傳統部署方式的測試情況，進一步分析5G上高鐵的架構和天線需求。5G和B5G高鐵部署將成為未來高鐵通信的主要研究方向，需要進行深入的研究，打造5G+高鐵復合新名片。