5G网络高铁覆盖方案现状及演进

5G网络高铁覆盖方案现状及演进

李光磊 王士龙 杨刚

中车长春轨道客车股份有限公司 ， 吉林长春， 130062

摘要：目前，高铁技术已经得到广泛应用，国内的三大运营商已经开始试点5G无线网络在高铁场景下的部署和规划，在移动通信的网络覆盖中，高铁场景相对于其他的交通场景来说，比较复杂，它的密封性比较好、车速非常的快，旅客也比较密集，铁路沿线各种多元化的环境都会表明5G无线网络信号的覆盖是一大难题。本文主要分析5G网络高铁覆盖方案现状及演进。

关键词：5G；高铁；覆盖；毫米波

引言

我国5G网络已经商用，网络建设初期的重点是覆盖问题，随着网络建设的不断推进，网络的深度覆盖、容量提升和典型场景覆盖将是下一阶段网络建设的重点。高铁场景人流量大、业务繁忙，是运营商网络品牌宣传和口碑积累的重要场景，因此运营商将其作为5G网络下一阶段重点建设场景。由于工作于3.5GHz频段的5G网络，在空间传播和穿透损耗方面，与4G网络存在较大差异，因此不能简单沿袭4G网络高铁覆盖方案。需要综合考虑高铁覆盖场景的特点，结合5G技术发展演进方向，研究5G网络高铁覆盖方案，以满足5G网络高铁覆盖需求。

1、高铁覆盖面临的挑战

1.1场景复杂多样

高铁沿线经过的场景复杂，从人口和建筑物密度上看，高铁沿线场景可以分为密集城区、一般城区、郊区和农村等；从地形角度上看，高铁沿线场景可以分为山区、平原等。不同场景下列车的行驶速度不同，无线信号的传播特性不同，因此需要考虑不同场景的特点，制定针对性高铁覆盖解决方案。

1.2车厢穿透损耗更大

高速列车车厢采用全封闭式厢体设计，密封性好，部分车型采用金属镀膜玻璃，车体穿透损耗较普通列车大很多，高的穿透损耗，必将加剧信号的衰减，降低用户感知。

1.3切换频繁

在列车350km/h运行时，小区间切换频繁，若小区间覆盖重叠区不足，则频繁的小区切换将导致终端信号差、掉话率升高，引起吞吐率下降，影响用户业务感知。

2、高铁场景覆盖常规方案

2.1建设原则

（1）共建共享的原则高铁线路的5G无线网建设，由于受到站址，供电等资源的限制，建议多家运营商采用共建共享的原则，共同建设，降低协调困难，可实现高铁线路5G无线网的快速、低成本建设。（2）站址选择原则为了节约投资，加快网络建设进度，建议5G站址选择应结合现有站址分布情况，以利旧现有站点为主，新建站址为辅。考虑到无线信号穿透高铁车厢的穿透损耗与入射角相关，站点离铁路的垂直距离越大，入射角越大，则穿透损耗越小。但从另一方面考虑，站址离铁路距离越远，无线信号在空间的损耗越大，因此要综合考虑传播损耗和穿透损耗的影响，5G站点离铁轨垂直距离宜设为150~200m左右。（3）针对性规划原则在高铁线路中可细分为室外线路、隧道以及车站等，需要针对不同的场景，采用不同的建设方案。对于高铁车站，可以采用有源室分方式覆盖，满足大容量需求；对于隧道场景，建议采用泄漏电缆方式进行覆盖。目前现网广泛应用的13/8吋漏缆无法支持3.5GHz频段，因此需要引入5/4吋漏缆；对于室外线路，主要以宏基站覆盖为主，可以采用在现有4G网络基础上叠加5G站点方式覆盖，在部分弱覆盖区域，通过新建少量站点的方式提升覆盖水平。（4）小区合并组网原则由于高铁列车快速移动，小区间切换频繁，因此可以采用增加切换重叠区域的长度，以满足切换时间的要求，另一方面，可以采取多小区合并的方案，减少小区的数量，从而减少切换的次数，以提升网络的质量，但是采用多小区合并技术，需要关注小区合并后网络容量下降的问题。

2.2NSA/SA网络架构

在5G网络部署过程中，需要从组网架构、场景覆盖、关键产品特性及业务保障等多个维度来综合考虑组网策略，在保证5G网络按计划组网的同时，兼顾4G网络性能，目前高铁场景下还未实现大规模5G网络覆盖，仍然依靠4G网络实现语音及数据的传送。5G的网络架构主要分为NSA和SA两种模式，NSA组网模式利用现有4G网络为锚点，利用4G网络传送控制信令，业务数据则通过5G传送;SA组网模式则是控制和数据都在5G网络上传送，不需借助4G网络。高铁场景下的网络覆盖，通常会在已实现全国性覆盖的情况下再去部署，网络建设成本较高，因此为了后期NSA再升级至SA网络产生的额外投资，高铁场景下的5G网络应一步到位，建议在网络建设初期就选择SA组网模式。

2.3天线的选择

铁路被狭窄的地形场景覆盖着。为增加单站复盖距离，站尺小于150米时，可根据站距采用增益21dbi的高增益窄叶天线和33度水平叶。为了减少窄轨天线对塔下黑子的影响，建议轨道力矩大于150米的台站优先考虑18dbi和65度水平横轨天线，应在辐射计内建造带角辐射计的区域台站，并应使用65度天线。如果对外部干扰、车站间距和车站轨道时刻有特殊要求，也可以考虑使用24度窄叶天线，同时考虑减少站台占用量和塔租赁费用。我们可以选择多频率电动可调天线，为原系统安装留出空间。多频段天线支持的频段包括TDD-LTE、FDD900和FDD1800频段的f和d频段，8T8R高增益窄束天线单独添加到5G系统中。

2.4隧道场景

在高速铁路隧道场景中，隧道两侧每500米有一个车辆避雷针孔，设备一般放在车辆避雷针孔内，逃生电缆放在一侧的隧道壁上，隧道中的设备通过RRR部署电缆泄漏指数对最终复盖距离的估计有很大影响，电缆泄漏指数有很大差异。因此，在实际应用中，应根据实际电缆指数选择损失值较低的电缆。如果运动考虑NR连接电缆的漏电距离，则最好选择13/8漏电距离电缆。将13 / 8同轴泄漏电缆放入隧道形成2TR形状的网络，可有效减少传输损耗，并使用两条同轴电缆复盖电缆。隧道中使用的13/8英寸固定电缆支持160M2.6G频带的部署，不支持未来的3.5G电信频带的共享连接部署，国际电联必须单独部署传统的5/4漏电电缆。对于双泄漏电缆，一侧隧道中同时存在两条泄漏电缆。为确保漏电电缆复盖双流效应，两条漏电电缆之间的间距应尽可能确定为4 ~ 10λ，其中λ为波长；d波段的漏电距离介于0.5米到1.15米之间。

3、高铁覆盖解决方案建议

根据5G细胞半径分析和联络预算，根据广东联通铁路4G高速存储站点目前的规模，为了满足5G网络复盖要求，需要至少增加站点一次，这对运营商来说是一项艰巨的任务，网络建设费用难以承担本文研究了克服高带宽丢失站点密度过大问题的解决方案，建议NR下行链路可与现有LTE 1:1网络共同定位，通过上行链路和下行链路断开以及直流双链路连接可提高上行链路复盖率。在1: 1的基础上，某些区域可以根据规划评估的需要补充场地，以实现规划目标。高速铁路场景的最终用户在社区中经常发生变化，切换带来的吞吐量体验明显下降。减少交叉开关是提高对高铁用户体验认识的关键。建议对重叠复盖区进行合理规划，采用rru合并解决转让问题，有效保护用户的看法。高铁全复盖方案包括线路、隧道和火车站大厅。建议高铁复盖的车站采用zigzag布置，事故角度大于10。台站与轨道之间的距离不得超过200米，天线与轨道之间的高度应为20 ~ 45米，根据台站的仪表、高度和事故角度，应规划和设计合理的方位角和缝隙角度，以确保复盖效果。建议隧道应由渗漏电缆复盖，两侧的开口应通过定向天线向外延伸，以增加隧道和隧道区外的宏观站之间重叠的复盖区域，并确保顺利完成移交。详细评估了第5代电缆的当前和未来趋势。建议隧道网络使用泄漏的then+电缆，三家运营商应共同建造和共享这些电缆，以减少建造困难和费用。大厅高速站建议使用数码零件设备进行复盖。您可以选择添加3g/4g/5G/5g多模式数字机房子模块，或添加5g数字机房子模块，以便基于现有传统DSA系统进行混合部署。数据中心的使用具有易于部署、易于维护和无缝扩展的优点。

结束语

毫米波具有频段高、带宽大、方向性好等特点，但毫米波由于频段高，其自由空间损耗损耗大；毫米波的传输受限于诸多环境因素，如大气吸收、雨衰等；最后毫米波绕射能力差，容易被楼宇阻挡和反射。这一特性使毫米波很难应用于宏覆盖网络建设中，但将其作为5G高铁列车室内分布系统建设，其优势可以得到最大的发挥，同时其存在的不足，在高铁列车室分建设中，将可能成为优势。例如毫米波绕射能力差，容易被楼宇阻挡和反射的问题，可以很好地实现将毫米波信号限定在高铁列车车厢内，避免了与列车车厢外的信号互相干扰。

参考文献：

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［5］杨峰义，张建敏，王海宁，等.5G网络架构［M］.北京：电子工业出版社，2017.

作者简介：

李光磊（1980.07-），男，吉林省长春市，中车长春轨道客车股份有限公司，高级技师，研究方向：高铁动车制造及检修。