5G网络高铁覆盖方案现状及演进

2021/01解决方案Communication&Information Technology
5G网络高铁覆盖方案现状及演进
李新，王强
（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京210019）
摘要：我国5G网络已经商用，运营商5G网络建设初期的重点是广覆盖。

随着5G建设的深入，网络建设将向深度覆盖、容量提升和重点场景覆盖转变。

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相比存在较大差距，这必将对5G高铁场景连续覆盖带来挑战，因此需要针对高铁覆盖场景的特点，探讨未来5G网络的高铁覆盖解决方案。

关键词：5G；高铁；覆盖；毫米波
中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1672-0164（2021）01-0048-04
1前言
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。

2高铁覆盖面临的挑战
2.1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。

2.2多普勒频移现象严重
根据多普勒频移理论，高速铁路列车运行速度越快，多普勒频移效应越明显裂特别是在列车时速超过250km/h时，多普勒频移效应尤其明显。

另外在相同运行速度下，系统工作频率越高，多普勒频移就越大，多普勒频移使系统的解调性能下降，影响网络质量。

下表为部分频段在不同高铁运行速度下的系统多普勒频移情况。

表1各频段在不同运行速度下的多普勒频移（单位：Hz）
速度
系统频段
1800MHZ2600MHz3500MHz 200km/h6669631286
250km/h83312041620
300km/h100014441929
350km/h116621662269
2.3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。

下表为不同高速铁路列车厢体垂直穿透损耗的参考值表2高速铁路列车厢体垂直穿透损耗参考值（dB）
车型列车材质
2G频段
穿透损耗
3.5G频段
穿透损耗普通列车铁质1216
CRH1不锈钢2428
CRH2中空铝合金14-2418-28
和谐号动车组CRH3铝合金24-2928-33
CRH5中空铝合金20-2424-28
CRH380中空铝合金29-4033-44
复兴号动车组CR400铝合金29-4033-44
2.4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，影响用户业务感知役下图为某地测试的网络频繁切换对吞吐量的影响。

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图1网路频繁切换对吞吐量的影响
3高铁场景覆盖常规方案
3.1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。

3.2设备选型
在覆盖方面：64T64R设备，覆盖能力强；8T8R设备，覆盖能力弱。

在容量方面：64T64R设备，小区容量高；8T8R设备，小区容量低，而32T32R、16T16R设备的性能处于二者之间專
64T64R设备的优点在于可提供较高的基站容量，通过多天线实现较高的分级接收增益或波束赋形增益，因此在高速铁路站台附近，列车移动速度慢，人流量大，业务量高，可以采用64T64R设备。

但对于高铁沿线覆盖场景，无线信号主要以直射路径为主，很难发挥64T64R设备多天线优势，因此可以通过大功率低流数设备，叠加高增益窄波束天线，可以更好地解决高铁线路覆盖。

3.3建设手段
(1)多普勒频移应对措施
多普勒频移是移动终端相对基站快速移动带来相位和频率变化的现象，很难通过网络规划、设计和优化去解决，需要设备厂商开发5G网络上下行纠偏算法，提升基站和终端的纠偏能力。

目前已有厂商提出基站根据用户在两个小区的上行频偏量,对两相邻小区下行数据分别进行一定程度的预纠偏，从而减少基站间用户的频偏量，进而提升下行速率和用户体验。

(2)频繁切换应对措施
在4G网络高铁覆盖方案时，为了减少切换次数，米用多小区合并技术，即：将多个RRU设置为同一逻辑小区，在同逻辑小区内部不需要切换。

但是随着4G的发展，用户的增多，多小区合并的不足逐渐显现。

由于多小区合并为一个小区，必然会带来网络容量的下降，合并的小区数越多，网络容量下降的越多。

因此在5G阶段，引入多小区合并技术的同时，需要考虑网络容量下降问题。

目前已经有设备厂商提出了相应的解决方案，即在多小区合并时，仅广播信道共小区，形成一个逻辑小区，而业务信道在各个小区间独立，各小区可独立调度，容量等于多个小区之和，这可以解决多小区合并后容量下降的问题。

但是目前该技术还未在网络中大规模应用，其性能需要进—步检验。

(3)站间距设置建议
在高铁覆盖场景下，穿透损耗是必须要面对的问题，在4G高铁覆盖方案中，常采用的是在高铁沿线采用“之”字形的布局，根据地形地物的特征，采用不同的站间距，沿高铁线路进行带状覆盖。

根据设备选型分析，在高铁沿线64T64R设备的多通道能力无法发挥，因此可以采用低通道数的设备进行高铁覆盖，以下为某地区8T8R、32T32R设备，在不同站间距下的上下行传输速率测试结果。

由表3可以看出在500m站间距时，8T8R和32T32R设备都可实现上下行的良好覆盖，但是考虑到建设成本，设备功耗，8T8R设备将占有较大优势。

另外应用于5G网络的多小区合并技术，据部分设备厂商反馈，目前32T32R设备
通信与信息技术2021年第1期(总第249期)
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的实现难度远远大于8T8R设备，因此建议在高铁沿线选
择8T8R设备，站间距宜控制在500~600m左右。

表3某地区不同设备在不同站间距下的上下行传输速率对比
小区边缘速率（Mbps）
站间距500m站间距650m站间距900m 8T8R32T32K8T8R32T32R8T8R32T32R
下行（Mbps）25651550920
上行(Mbps)0.310.10.5-0.2
（4）方案效果
根据上述方案，国内某运营商联合设备厂商，在3.5GHz频段开展了5G高铁覆盖试验网建设，测试的初步结果如图2所示。

测试中的5G峰值速率超过600Mbps,平均速率达到350Mbps,可以满足5G网络覆盖的需要。

试验网方案5G网络的站间距为600m左右，而该区域4G高铁覆盖网络的站间距为1200m左右,由此可见5G站点数是4G的一倍左右，如果按5G设备成本和功耗是4G的2~3倍估算，则5G高铁覆盖的投资和功耗将是4G的4~6倍，这将极大增加运营商网络建设和后期运营的压力，因此需要研究其他低成本的高铁覆盖方案。

图2某地区5G高铁覆盖试验段下行测试速率
4高铁场景覆盖演进方案
目前各运营商正在对5G网络高铁覆盖进行方案制定和试验，还未开展大规模建设，由于5G网络工作频段高的特征，尤其是工作于3.5GHz的5G网络，列车穿透损耗远高于1.8GHz的4G网络，采用4G网络类似的建设方案，必将带来投资和运营成本的急剧增加，。

目前来看，类似4G的高铁覆盖方案可以作为现阶段方案。

但从长远来看，5G网络建设（设备）进入高铁列车车厢内，也就是在高铁列车车厢内建设通信设施，这将可能成为未来5G高铁覆盖的重要方案。

在车厢内建设移动通信设施，在4G阶段就已经提出，计划在高铁列车上设置4GCPE设备，对外接收移动基站的信号，对内将移动信号转换为WiFi以供列车内用户使用。

由于CPE设备的天线在列车外部，可以直接接收高铁沿线基站信号，避免了信号直接穿透车体带来的车体穿透损耗的问题，这可以减少基站数量需求，从而节约建设投资和运营成本；另一方面可以极大地改善高铁车厢内的信号质量，提升用户感知，但是由于该方案，需要对高铁列车进行改造，以及其他协调原因，在4G时代没有实施。

高铁列车上进行5G设备部署，其方案架构主要包括三部分：施主基站、回传系统、车载分布系统，其方案架构如图3所示。

图3高铁列车建设移动通信基础设施覆盖方案架构图其中：施主基站负责车载回传系统与核心网间的信号传输；回传系统负责车载分布系统与施主基站间的信号传输；车载分布系统负责接收用户的上行信号，发送基站的下行信号。

5G高铁覆盖方案中的回传系统和车载分布系统，可以采用类似4G阶段的CPE方案，即将CPE设备作为回传系统放在高铁列车内，通过放置在车厢外的天线接收和发送5G信号，而在车厢内CPE将5G信号转换为WiFi信号，通过建设WiFi分布系统，供列车内的用户使用。

由于WiFi系统为非电信级系统，其网络质量很难得到保证，尤其是5G提出的三大应用场景中的低功耗大连接（mMTC）和低时延高可靠（uRLLC）下的业务质量保证，难以实现。

在这一背景下，需要在列车内建设5G分布系统，以便为用户提供电信级的网络质量保障。

目前看，在车厢内建设分布系统，一种方案是和大网室分类似的方案，即使用授权频段，建设有源分布系统。

另外一种方案是将毫米波用于高铁车厢内5G室分建设频段。

3GPP在Rel.15TS38.104中定义了5G支持的频段列表，5G支持的带宽可达100GHz,指定了两大频率范围FR1和FR2,其中FR2的范围是24.25GHz-52.6GHz,位于毫米波频段范围内，具体如下。

（下转第35页）
表43GPP定义的FR2频段表
频段号下A7上行（GHz）双工模式
n25726.50-29.50TDD
n25824.25-27.50TDD
n25939.50-43.50TDD
n26037.00-40.00TDD
n26127.50-28.35TDD
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四川道桥积极倡导数字化转型，与中国电信天翼云进行战略合作，对成都二环路探索5G+云+AI的智能视频巡检解决方案的实践；中国电信对成都二环路进行5G的基础设施建设覆盖，将巡检车辆进行改造增加前置/后置的监控摄像头，巡检车辆行驶过程中，实时的将监控图像以1080P高清制式通过5G回传至业务平台进行AI的智能分析处理，业务平台部署至天翼云的GPU云资源里，通过GPU资源为平台的AI分析处理提供算力，AI实现智能的道桥病害分析，精准及时发现病害，业务平台再对接工单业务系统，实现业务需求的定向维修工单派发及告警通知等业务闭环。

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可向全国道桥行业复制，对于其他行业也有一定的指引作用。

云计算时代，基础算力是一切应用发展的基石，当前仍是以CPU为主的云资源池建设为主。

当一系列新技术的演进，新需求、新应用也将破壳而出，将会对云计算带来一系列或深或浅的变革。

智慧生活的未来对图像视频业务处理的泛化需求，都向我们预示着未来前进的方向，未来将会以图像视频为数据源进行深度学习与应用，AI终将伴随生活的每一个角落，而为AI支撑基础计算力的，将会由CPU向GPU演进，AI公司百家争鸣的XPU最终也会遵循统一计算架构走向统一。

5总结
国内的电信运营商，当前已经成功的转型为云计算服务商，对云计算GPU资源池的战略规划部署，是成为未来云计算服务资源及能力的关键点。

在未来万物互联的生活里，拥有网络资源服务能力的运营商，应该是抢占AI应用发展赛道中计算力能力支撑服务的最佳主角。

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参考文献
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Conference Series Materials ence and Engineering,
2020,790:012036.
作者简介
究方向：云计算。

赵川斌（1985—），男，硕士，主要研究方向:
张剑峰(1975-),,男，学士，工程师，主要研究方向：云计算。

赵凌齐（1997—）,男,学士，主要研究方向：云计算。

罗林春（1997—），男，学士，工程师，主要研云计算、移动通信。

（上•揍第50页）
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。

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作者简介
李新（1977年一），男，高级工程师，研究方向：主要从事移动通信网络规划、设计等相关工作。

通信与信息技术2021年第1期（总第249期）|35。