新时期5G高铁建设方案研究

新时期 5G高铁建设方案研究

牛向龙

中铁二十一局第四工程有限公司 ,陕西 西安 710000

摘要：高铁覆盖是5G建设的重点场景，跟4G时代一样，高铁出行的高端客户同样是5G的首批重点目标客户。为了提升运营商品牌形象，高铁场景下的5G覆盖需要满足客户基础业务需求。本文就对其建设方案展开了相关探究。

关键词：5G技术；高铁建设；高铁通信

引言：

高铁场景一直是一个很特殊的场景，具有列车运行速度快、车体穿透损耗大、线性覆盖区域、场景复杂多样、话务量突然特性强的多样化特征。与4G通信相比，5G通信可以大大提升用户速率和容量，但高频段对覆盖能力提出更大的挑战，如高频信号带来的更大的传播和穿透损耗，多普勒效应带来更大的频偏使得接收机解调性能恶化，切换也更加频繁造成小区合并更加困难，MU多流配对更加复杂，特别是高铁列车是线状覆盖，如果基站与高铁列车的入射角更小，信号还会更差。

15G高铁建设的技术价值

1.1高穿透损耗

由于铁路线一般采用狭长分布，基站和列车间的夹角较小，同时高速列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。同时随着复兴号列车的推出，车体的材质和更好的屏蔽性，使车体的穿透损耗相对和谐号更大（4~5dB）。

1.2Hyper Cell减少频繁切换，提升高速移动用户体验

高铁运行速度较快，高铁上用户在使用移动网络时会带来快速切换的问题。目前最有效的办法就是采用Hyper Cell的组网技术，对于高速铁路沿线的网络优化，需要综合考虑切换门限和设备的切换时间，寻找出最优的重叠覆盖区域的大小。只有当重叠覆盖区域设计得最优时，才能保证UE将满足切换条件的测量事件上报之后，有足够的时间跨越整个重叠覆盖区会产生频繁的小区切换。Hyper Cell是一种组网技术，目前4G-LTE高铁上成熟的小区合并技术一般支持8-12个2T的RRU设备共小区。该方案可以减少小区数和切换次数，提升用户业务体验。当前5G设备使用的8T设备相比原来的4G的2T设备在小区合并技术上难度更大。

1.34/5G共模设备促使业务需求合理分配带宽

工信部公布5G频段信息,移动获得2515-2675MHz,主要用于4/5G室外覆盖。根据设备能力2515-2615MHz的100M用于5G，2615-2675MHz用于4G，高铁建设需要处理好旅客对4G网络有现实“刚需”和5G趋势不可逆转的之间的关系，且当前铁塔资源资源紧张的情况下，高铁建设方案中要尽量选择4/5G共模设备，4G/5G频段按需开启，在减少设备安装数量的同时，可以更好的进行4/5协调特性的优化，大幅提升用户体验。25G高铁宏基站部署原则建议5G高铁尽量利旧现有站址新建5G站点，在现网覆盖不足的区域，需要在铁路沿线新建站址。站点离铁路垂直距离在100～200m之间，站点交错部署在铁路两侧，尽量部署在铁路的内拐弯，有利于信号的均匀分布，同时可以改善切换区域覆盖^[1]。5G高铁天线挂高应考虑高铁车厢的高度差，需高出铁轨10～15m以上，站高建议30～45m，保证天线与轨面视通。由于不同入射角的穿透损耗不同，当信号垂直入射时的穿透损耗最小，入射角越小穿透损耗越大。当入射角小于10°时，穿透损耗增加的斜率明显变大，因此掠射角需要大于10°。

3新时期5G高铁建设方案措施

3.15G高铁沿线设备形态分析

3.1.1容量能力需求

对于100MHz带宽的5G高铁网络，采用不同的发射通道数，带来的小区平均吞吐量是有差异的，见表4。对于8TR的5G高铁站点，其上下行的吞吐量均大于4TR和2TR设备，NR2.6GHz8TR100MHz相较于LTEF频段20MHz2TR，上行可以达到6～9倍的小区平均吞吐量。5G高铁成熟发展期,会车时至少需要8TR100MHz带宽的小区平均吞吐量。

3.1.2覆盖能力需求

5G网络2.6GHz覆盖主要上行受限，采用多天线（8T）设备组网，可明显提升上行覆盖能力。另一方面，通过链路预算分析，在使用20dBi高增益天线的情况下，8TR与64TR的上行覆盖是相当的，其它天线配置下的结果均差于8TR/64TR，64TR虽然在接收性能上相对于8TR有9dB的优势，但是天线增益却低了9dB，因此覆盖相同^[2]。采用多天线（8T）设备，可提升下行单用户多流的比例，提升单用户体验速率。从覆盖角度，8TR与高增益天线的组合，为2.6GHz最佳性能的高铁组网设备选型。

3.1.3组网能力需求

对于8TR及以下设备为RRU形态，16TR及以上设备为AAU形态，8TR的设备小区合并能力不少于6CP。设备采用25Gbit/s光口，2T/4T设备可以支持4/2级级联，8TRNR100MHz采用CPRI接口带宽约19Gbit/s，不建议级联。AAU设备采用25Gbit/s的eCPRI光口也不能满足级联要求。

3.1.4天线选型需求

大部分窄波束高增益天线不支持D频段160MHz带宽合入，铁路属于狭长地形场景覆盖，天线选取以增益为基准，优先推荐18dBi以上高增益天线。8端口是比较合适的设备选型。

3.2高铁覆盖重叠区及切换方案

5G高铁重叠切换区的计算方式与TD-LTE的计算方式一致，切换迟滞对应的距离与具体组网指标相关。目前4G的配置是1dB，5G同样采用1dB，因此距离和4G相同，固定为40m。切换测量距离对应切换测量上报触发时延，4G高铁场景下从普通商用的320ms下调到了128ms，这个参数主要和终端的测量机制相关，5G和4G没有区别，仍为128ms。整体2.6GHzNR高铁重叠切换区设计，单向距离55m，双向距离110m。5G高铁后期采用CU+DU架构，切换性能提升来自两方面的收益。由于从DU到CU间的时延会远小于从gNodeB到5GC的时延，总的切换流程时延会大幅缩短^[3]。切换流程涉及的网元交互数量会减少，降低切换失败的概率。

3.35G高铁站台/站厅覆盖

5G站台推荐采用NR64TRMassiveMIMO设备，支持用户数多，DL/UL空分能力强，配合上行先进的接收机算法和不低于8流的上行空分能力，解决和缓解上行受限场景问题。采用低速用户迁出加基于覆盖互操作策略,保证停车低速用户占用Massive MIMO小区，不停车用户占用铁路沿线高铁小区^[4]。5G高铁候车大厅主要用作乘客候车，在乘客候车时网络容量压力大，推荐在候车厅部署分布式皮站系统替代传统DAS系统，以便实现良好的话务吸收和负荷分摊作用，便于后续灵活的小区分裂和扩容。

结束语：

通过本文的分析，对于高铁穿损大、高速度和高价值的场景，5G网络可采用8TR与高增益天线的方式进行沿路覆盖，后期可采用CU+DU的方式以减少高铁小区间的切换。对于站台可采用MassiveMIMO64TR的宏站覆盖，对于候车厅建议采用分布式皮站的新型覆盖方式进一步提高5G的高铁覆盖效果。

参考文献：

[1]艾渤,马国玉,钟章队.智能高铁中的5G技术及应用[J].中兴通讯技术,2019,25(06):42-47+54.

[2]马灿,敖骢.广深港高铁率先开通5G网络[J].广东交通,2019(06):32.

[3]单邵峰.小基站及5G网络室内覆盖信号概述及隧道覆盖设计[J].信息通信,2019(12):214-215.

[4]贺明华.高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展分析[J].数字通信世界,2019(12):104+127.