高速環(huán)境下5G覆蓋惡化應對策略研究

摘要：隨著5G網(wǎng)絡大規(guī)模建設和終端滲透率的提高，高速移動環(huán)境下的5G覆蓋已經(jīng)成為一種常見場景，但同時也帶來了5G無線覆蓋質(zhì)量的惡化。本文首先重點介紹了三種技術(shù)手段，以克服高速移動環(huán)境下的5G覆蓋惡化，再以此技術(shù)為基礎，對高鐵、磁懸浮等高速移動環(huán)境下的5G組網(wǎng)方案進行分析和探討，并對5G基站上車方案進行了展望。

關(guān)鍵詞：5G；高速移動環(huán)境；無線覆蓋；組網(wǎng)方案

一、引言

近幾年，隨著全國高速鐵路的快速建設和發(fā)展，以及高鐵、磁懸浮等一些高速交通工具的應用，高效率出行已成為今天人們?nèi)粘３鲂械氖走x。但在高速移動環(huán)境下的5G覆蓋質(zhì)量會出現(xiàn)惡化，主要有以下幾點原因：

①終端高速移動時多普勒頻偏大，影響終端接入，嚴重時會導致語音掉話或數(shù)據(jù)掉坑；

②與2G、4G頻段相比，5G工作頻段較高，站址間距進一步縮短，高速移動環(huán)境下終端切換更為頻繁且切換時間短，切換成功率不高，導致信令負荷加重、掉話和數(shù)據(jù)業(yè)務用戶感知的網(wǎng)絡性能下降；

③覆蓋高速干線（高鐵或磁懸浮）的專用小區(qū)和周邊小區(qū)存在同頻干擾，導致信號產(chǎn)生相對相位差，影響SINR值和終端業(yè)務速率。

目前，隨著高鐵不斷提速，運營時速達350公里/小時，磁懸浮時速達431公里/小時，加之5G工作頻段高、頻率資源緊張，導致上述問題尤為突出。本文將通過三種技術(shù)手段來克服上述難題，并基于此對組網(wǎng)方案進行分析和探討，針對不同周邊環(huán)境給出組網(wǎng)方案建議，以更為靈活的方式實現(xiàn)高速環(huán)境下的5G良好覆蓋，提升用戶5G體驗，這對于鞏固我國5G網(wǎng)絡領先地位具有重要意義。

二、克服高速移動環(huán)境下5G覆蓋惡化的方法

（一）5G上行頻譜估計校正，下行預糾偏技術(shù)可應對多普勒頻移

1.多普勒頻移的產(chǎn)生

根據(jù)多普勒原理，高速移動的車體內(nèi)接收機產(chǎn)生頻移的值主要與幾個因素相關(guān)：車輛行駛方向（即接收機移動方向）、信號傳播方向的角度、車輛行駛速度（即接收機移動速度）以及載波頻率。多普勒頻移公式如下所示：

其中，f是信號頻率，對于5G移動通信基站或終端而言，上下行頻率相同，目前國內(nèi)5G主用的室外載波頻率一般是2.6GHz或3.5GHz；θ是角度，是接收機信號和接收機移動方向夾角；v是車輛行駛速度；c是波速，（即3×108m/s）；

接收機在高鐵場景通信時頻移產(chǎn)生如圖1所示，接收到多普勒頻移后的頻率為fx；終端接近5G移動通信基站時，fx為f＋fy，終端離開5G移動通信基站時，fx為f－fy。

結(jié)合上述分析來看，多普勒頻移效應最大值是在接收機信號和接收機移動方向夾角接近平角時。

2.頻偏估計與補償

多普勒頻移產(chǎn)生的頻偏會帶來了子載波間的干擾，從而抬升信道噪聲、降低信噪比，但也有可能增加載波符號間的相位偏差，對信道估計產(chǎn)生不利影響。由于頻偏和干擾，惡化的無線信道環(huán)境會降低接收機的調(diào)制性能，其影響程度與接收機的晶振品質(zhì)相關(guān)。實驗證明，不同品牌的手機終端抗多普勒頻移的能力相差較大。

綜上所述，多普勒頻移對高速移動的接收機的高階調(diào)制帶來的性能下降尤為明顯，即使接收機還能正常工作，一般也會產(chǎn)生2dB～3dB的高階調(diào)制的系統(tǒng)性能損失。

上行糾偏：通過將小區(qū)參數(shù)配置為“高速小區(qū)”，采用AFC算法進行自動頻率控制。

自動頻率控制分為初始糾偏（粗調(diào)過程）和持續(xù)糾偏（微調(diào)過程）兩個過程。其中，gNB根據(jù)“隨機接入前導”檢測到的接入接收機的頻移，完成初始糾偏；gNB分析接收機的導頻信號，并進行頻偏估計，再以其頻偏對接收機進行持續(xù)糾偏，如圖2所示。

下行預糾偏：結(jié)合上行糾偏原理，根據(jù)5G移動通信基站收集到的接收機上行頻偏量，預先對下行數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

（二）Hyper Cell減少頻繁切換，降低合并小區(qū)的容量損失

在高速移動環(huán)境下，終端用戶在多個物理小區(qū)（發(fā)送接收節(jié)點TRP）間的切換更為頻繁，易引起吞吐率下降和掉話率上升。

Hyper Cell相同邏輯小區(qū)，將多個TRP物理小區(qū)合并為同一個邏輯小區(qū)，是基于上行信號判斷切換，源Hyper cell小區(qū)將數(shù)據(jù)包和調(diào)度參數(shù)傳給目標Hyper cell小區(qū)，同一邏輯小區(qū)內(nèi)的TRP間免切換，以提高高速移動用戶體驗，如圖3所示。在同一邏輯小區(qū)中，所有物理小區(qū)識別碼應設置為一個，所有物理小區(qū)PBCH和PDCCH采用聯(lián)合發(fā)送，相鄰物理小區(qū)的信號會疊加增強，同時也降低了彼此間的干擾；各TRP之間業(yè)務信道獨立，各TRP可獨立調(diào)度，業(yè)務容量等于多個TRP之和，確保TRP小區(qū)合并后容量不降低。

該方法通過減少小區(qū)數(shù)和切換次數(shù)，在增強下行覆蓋能力、減少掉話的同時，使小區(qū)容量基本不下降，有利于提升用戶的業(yè)務體驗效果。在多個TRP物理小區(qū)合并為同一個邏輯小區(qū)時，需按模3方式重新設置物理小區(qū)識別碼，以滿足不沖突、不混淆、最優(yōu)化和可擴容的原則。

（三）波束輪詢技術(shù)，降低同頻干擾概率

與4G技術(shù)相比，5G可通過采用波束輪詢技術(shù)，以降低同頻干擾概率。

①LTE是持續(xù)在一個寬波束進行發(fā)送，而NR可支持8個窄波束進行輪詢發(fā)送，將干擾隨機化。

②LTE CRS持續(xù)發(fā)送，而NR無CRS，采用CSI-RS，在有用戶調(diào)度時才發(fā)送，大大減少了同頻干擾。

三、高速移動環(huán)境下的5G覆蓋組網(wǎng)方案分析探討

除了克服5G覆蓋惡化，高速移動環(huán)境下的5G覆蓋組網(wǎng)方案，對于5G網(wǎng)絡服務質(zhì)量的影響也至關(guān)重要，需要綜合考慮和分析多方面因素，包括現(xiàn)有站址布局、現(xiàn)有4G組網(wǎng)情況、頻率規(guī)劃、錨點設置、周邊無線環(huán)境和容量需求等。

以高鐵覆蓋場景為例，5G覆蓋組網(wǎng)方案主要有是否采用專網(wǎng)覆蓋：

①借鑒當前4G專網(wǎng)規(guī)劃，5G覆蓋沿用專網(wǎng)組網(wǎng)策略：當前高鐵的4G覆蓋網(wǎng)絡基本采用專網(wǎng)覆蓋，4G專網(wǎng)覆蓋良好，沿線公專網(wǎng)主要站點相互獨立（有利于盡可能減少干擾）且分布較為合理，具備很好的專網(wǎng)組網(wǎng)條件；高鐵5G覆蓋采用專網(wǎng)覆蓋，繼承現(xiàn)網(wǎng)4G小區(qū)合并方式，可以盡可能減少高鐵用戶切換，并確保高鐵用戶良好體驗。

②共址站建設優(yōu)先級：應優(yōu)先保證專網(wǎng)建設，后期如同址有大網(wǎng)建設需求，為規(guī)避5G同頻干擾，建議大網(wǎng)根據(jù)實際覆蓋需求在周邊重新選址建設，對于只能同址建設的，方位角予以錯開（大于90度）。

③頻率規(guī)劃：4G保持公專網(wǎng)異頻；5G公專網(wǎng)同頻100M帶寬（異址），網(wǎng)絡側(cè)開啟廣播窄波束輪詢功能，以降低同頻干擾概率；

同時也要看到，如對高鐵等高速干線以專網(wǎng)的形式進行5G覆蓋也會存在如下一些問題：

①同頻干擾難以完全消除：由于頻率閑置，5G專網(wǎng)與非專網(wǎng)采用同頻組網(wǎng)，盡管通過站址布局優(yōu)化、波束輪詢等技術(shù)手段進行了適當?shù)匾?guī)避，但同頻干擾在一定范圍內(nèi)仍會存在；

②對周邊覆蓋帶來不確定性影響：如某些城市高鐵附近有重要高速公路（如機場或高速等），專網(wǎng)小區(qū)也會成為周邊重要道路的主覆蓋小區(qū)，因此，在保證高鐵覆蓋以專網(wǎng)運行時，周邊重要道路上的用戶存在較大的切入切出風險（專網(wǎng)小區(qū)與周邊小區(qū)的鄰區(qū)關(guān)系很難規(guī)劃）；

③專網(wǎng)覆蓋投資效益不高：由于高鐵等線路長、穿透損耗大、沿線站址要求高（對站間距和站軌距要求苛刻），導致沿線基站大部分時間利用率不高。

綜上所述，對于高速干線（如高鐵、磁懸浮）的5G覆蓋，在考慮組網(wǎng)方案時，應當綜合考慮覆蓋線路的周邊環(huán)境，采用更為靈活的方式：如對于市區(qū)內(nèi)容量需求大、高速干線速度相對較慢的區(qū)域，可以采用非專網(wǎng)的常規(guī)覆蓋方式；對于高速干線速度較快、周邊重要道路較多的近郊區(qū)域，可以采用使用Hyper cell小區(qū)合并技術(shù)后的非專網(wǎng)模式；對于高速干線速度快、遠離市區(qū)的農(nóng)村和山野地區(qū)，可以采用基于4G站址的專網(wǎng)覆蓋模式。

四、結(jié)束語

高速移動環(huán)境下的5G覆蓋會面臨諸多技術(shù)難題，本文通過頻譜估計校正和預糾偏技術(shù)，降低多普勒頻偏；設置Hyper Cell減少頻繁切換，降低合并小區(qū)的容量損失；用波束輪詢技術(shù)，降低同頻干擾概率。同時，本文對組網(wǎng)方案進行了分析和探討，給出了結(jié)合無線環(huán)境和站址條件以及因地制宜的組網(wǎng)方案建議，以更為靈活的方式實現(xiàn)高速環(huán)境下的5G良好覆蓋，可以在一定程度上解決高速干線上的5G覆蓋難題。然而，無論是否采用上述技術(shù)手段和組網(wǎng)建議，該場景下對站址要求仍然很高（站址密度高、位置苛刻、投資大），對周邊大網(wǎng)的影響也難以完全消除，未來還可以考慮與線路運營方進行深入合作，研究以基站上車的方式（如“5G+高通量低軌衛(wèi)星”），以解決高鐵、磁懸浮等高速移動環(huán)境下的5G覆蓋。

作者單位：劉哲 李書德 袁杰 中國移動通信集團設計院有限公司上海分公司

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