高铁场景的5G无线网络规划及优化

董帝烺 杜丕加 许绍松

【摘  要】为了做好高铁场景5G网络的规划及优化，介绍了5G在高铁场景面临的挑战，研究了高铁场景的网络架构、天线选择、站点选择等方面的网络规划，分析并给出覆盖、切换、随机接入方面的参数优化建议。

【摘  要】高铁;5G;多普勒效应;大规模MIMO;网络规划

1   引言

2018年5G标准的R15版本冻结，三大运营商开始在试点城市进行组网规划、验证测试、商用部署。中国联通把高铁列入重点口碑场景，建设了高铁3G和4G网络，经过多年的网络优化，高铁的网络覆盖质量已经达到较高的水平。通过高铁出行的人群同样是5G的重要目标客户，为了提升运营商品牌形象，高铁场景下的5G网络也同样需要具有良好的覆盖质量。

2   5G网络覆盖在高铁场景面临的挑战

在移动通信的网络覆盖中，高铁场景一直是一个很复杂的场景。高铁列车的封闭性很好、列车速度很快、用户集中、高铁沿线网络覆盖场景的多样化等特征使得5G网络覆盖在高铁场景中存在一些挑战。

2.1  传播损耗和穿透损耗更大

目前5G NR的主流频段在C波段，以中国联通分配的频段为例，5G使用的主要频段为3.4 GHz～3.5 GHz，这个频段比现有的LTE网络1.8 GHz的频段高了一倍。根据传播损耗和频率成平方反比的关系，从理论上来说，3.5 GHz频段的传播损耗比1.8 GHz频段高5.8 dB。

穿透损耗与网络使用的频率没有明确的线性关系，但对于同一介质来说，穿透损耗是随着频率的增加而增加。车厢型号不同对应的穿透损耗也不同，复兴号全封闭的新型列车就会比普通高铁列车穿透损耗更大。从实际测试的情况来看，高铁列车的穿透损耗达到了33 dB～36 dB，如表1所示：

在3.5 GHz频段下，5G网络在高铁场景有更大的传播损耗和车体穿透损耗。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。

2.2  多普勒效应带来的频偏

我国的高铁列车速度可高达300 km/h～500 km/h，这么快的速度会产生多普勒频移，导致基站的发射和接收频率不一致。高铁的速度越快，频偏也越大，这将导致基站信号接收性能下降，高速引起的大频偏对于接收机解调性能的提升是一个极大的挑战。图1为高铁多普勒效应：

多普勒频移计算公式如式（1）所示：

fd=f0/c×v×cosθ                  （1）

其中，c表示光速，取值为3×108 m/s，v表示UE的移动速率，θ表示UE相对于基站的运动方向与基站信号传播方向的夹角。从公式（1）可以看到，当UE与基站间的相对移动速度越大，多普勒频移越大。通过计算可以得到表2，5G网络中，基站接收到UE的频偏比LTE网络高很多，已经高于pleamble的子载波间隔（1.25 kHz）。

多普勒频移将使接收频率偏移，产生OFDM符号内和符号间干扰，严重时会造成接收方无法解调出发送方的发射数据，最终造成UE无法接入网络。若UE无法支持对应频率和速度下的频偏范围，将会导致UE入网困难、KPI恶化以及吞吐率下降等性能问题。

2.3  用户集中多，容量需求大

目前乘坐高铁的用户越来越多，每当高铁过境时，覆盖高铁的基站用户数剧增，移动网络的负荷瞬间飙升。以现有的LTE网络来说，在高铁列车过境时，RRC连接用户数瞬间飙升了100多个，导致瞬间的PRB利用率过高，基站负荷过高，用户感知下降。

2.4  频繁切换重选影响感知

高铁经过的区域较多，路线较长，高铁上用户在使用移动网络时，会产生频繁的小区切换、重选。如果高铁覆盖的切换带设置不合理、切换参数设置不合理的话，将会导致高铁用户在高铁上切换时产生切换较慢、切换失败、掉线等网络问题。

3   高铁场景5G网络规划

高铁网络覆盖有两种方式：与公网同频组网和异频的专网组网。5G频段有限，中国联通主要使用3.5 GHz

～3.6 GHz频段，这个频段范围内高铁的覆盖将采用与公网同频组网的方式。在5G网络规划中，需要考虑网络架构、Massive MIMO的选择、高铁站间距和各种场景的天线设备选择。

3.1  NSA/SA网络架构

5G的网络架构主要分为NSA和SA这两种模式。NSA的组网模式是利用现有的4G网络作为锚点，5G网络的控制信令走在4G网络上，5G的业务数据走在5G网络。而SA的组网模式是控制和数据都在5G网络上承载，不需要借助4G网络。

2018年年底3GPP R15 F40标准版本冻结，这个版本相对比较成熟，已经有完善的NSA和SA方案。但是SA组网模式核心網目前只具备初级功能，不支持计费、语音和漫游等功能，而且SA模式的智能终端芯片刚推出，预计要到2019年年底才有商用智能终端推出。这意味着SA组网模式端到端的技术成熟度比较晚，要到2020年SA网络架构才具备端到端的组网能力。

高铁场景下用户的业务需求主要是视频、微信、游戏等主流数据业务，目前的4G网络基本上都可以满足，用户对高铁5G网络的需求还没那么强烈。高铁场景的5G网络一般会随着运营商拿到商用牌照，进行全国性的商用部署时才会进行网络规划建设，部署的时间大概在2020年。高铁场景的网络，一般要求全国性连续覆盖，网络建设的投资会比较大。为了避免NSA再升级SA网络的额外投资，高铁场景下的5G网络部署将一步到位，即使用SA网络架构。规划上需要全国统一的网络架构，减少不同区域NSA和SA模式不同带来的复杂性，需要都统一采用option 2的SA网络架构。对于要在今年进行高铁网络部署的城市，由于SA网络架构还不具备端到端的方案，可以选择option 3x的NAS网络架构。

3.2  连续覆盖规划

在NSA网络下，锚点网络不连续将导致终端需要进行过多的测量，影响用户感知速率及终端耗电。高铁车速快，NSA下NR覆盖如果不连续，会频繁地添加、删除NR辅小区，用户根本无法享受到5G带来的高速率服务，所以建议NSA场景下NR覆盖一定要连续。同样在SA网络下，为了避免高铁SA网络不连续覆盖而回落到LTE网络带来的感知下降，SA网络架构下NR也必须要连续覆盖。图2是高铁场景下不连续覆盖的问题示意图：

3.3  Massive MIMO选择

Massive MIMO是5G网络的关键技术，通过大规模天线可以达到32T32R、64T64R，具有波束赋型和MU-MIMO的特性，可以提升覆盖和容量。但高铁场景下，UE随着高铁快速移动，无线信道时变非常快，业务波束很难快速捕捉并及时跟踪信道的变化，很难实现波束赋型。同时，高铁场景的用户非常集中，很难达到MU-MIMO的用户配对。因此，兼顾天线成本，高铁场景下天线不采用64T64R的大规模天线，而是采用8T8R高增益窄波束天線。当高铁穿过城区，车速会放缓，为了兼顾大网的用户，高铁场景下城区区域可以采用32T32R天线。

3.4  高铁覆盖站点规划

根据参考文献[4]的链路预算方法，可以得到以下在上行/下行不同边缘速率情况下的上行/下行最大允许路径损耗的表格（如表3）。

从表3可以看到，下行允许的最大路径损耗比上行多17个dB，也就是说上行的覆盖更容易受限。因此，以上行1 Mb/s的上行最大路径损耗来计算小区的覆盖半径。目前5G网络主流频段使用3.5 GHz频段，而且在高铁场景下基站大部分都是用宏站，视距传播，以3GPP 38.901的传播模型来计算，可以得到在城区5G NR基站的小区覆盖半径为430 m，农村的小区覆盖半径为570 m。

在高铁场景下，基站到铁轨的垂直距离主要和掠射角有关，掠射角越小，穿透损耗就会越大，一般掠射角不能小于10°，基站到铁轨的垂直距离在100 m左右。

关于高铁沿线5G NR小区的切换时间，从切换的测量、判断、执行的时间来看，一般在1 s内就能完成切换，考虑到一定的冗余时间，以高铁2 s行驶的距离作为5G小区的切换重叠覆盖区，高铁速度按照350 km/h来计算，重叠覆盖区即为194 m。

根据边缘速率，通过链路预算和传播模型的公式，可以计算得到高铁5G小区在城区和农村的覆盖半径。结合5G高铁小区的切换重叠覆盖区，可以计算高铁5G小区的站间距，在城区场景高铁5G小区站间距为666 m，农村场景高铁5G小区站间距为946 m。因此，高铁5G小区的站间距范围为660 m～940 m。

3.5  高铁主要场景的规划

对于移动通信来说，高铁是个很复杂的场景，因为高铁沿线会有隧道、桥梁等特殊场景的覆盖需求。

（1）高铁候车大厅

高铁的候车大厅一般都是封闭的场馆，通过室外的宏站进行覆盖，效果会较差，一般采用室内覆盖的方式。候车大厅内比较宽敞，但是人流非常密集，容量需求非常高。在候车大厅这种场景，可以采用多个5G的AAU挂墙进行覆盖或者用数字化室内分布进行覆盖。

（2）高铁站台

高铁站台是用户在高铁上下车及等待的区域，整个区域比较开放，可以用附近的宏站进行覆盖。高铁在进出站台时，车速都会比较慢，几乎没有多普勒效应，用户在上下车的等待中移动性相对较少，基站的天线可以采用64T64R，同时兼顾站点用户的人流密集的容量需求。

（3）高铁沿线

高铁沿线一般经过城区和农村开阔地带，都是用宏站进行覆盖，采用8T8R的高增益窄波束天线。在建设过程中尽量利旧现有的4G基站，在覆盖不足的区域需要新建基站，基站与铁轨的垂直距离一般在100 m左右，尽量使得基站与终端之间存在直射径，这样可以提供更好的覆盖性能。高铁5G基站的分布采用“之”字型的方式（如图3所示），站点交错分布在高铁的两侧，这有利于5G无线信号的均匀分布，使得切换覆盖区的衔接更好。如果高铁有拐弯时，尽量部署在铁轨的内拐弯处。

（4）高铁隧道

当高铁隧道较短时，如长度小于500 m，可以在隧道的两端用天线对打的方式在隧道内进行覆盖。在隧道较长时，如长度大于500 m，由于隧道空间狭小，宜采用辐射型泄露电缆覆盖，辐射型泄漏电缆覆盖均匀，且具有方向性，适合覆盖隧道。在高铁隧道中基本上每隔500 m就会有个设备洞室，可以放置5G的BBU和RRU，泄露电缆安装在与高铁列车窗口对应的位置，为了增加容量和用户感知，可以采用两根泄露电缆形成双流MIMO。

4   高铁场景5G网络优化

4.1  覆盖的优化

覆盖是移动通信的基础，在高铁场景下，5G网络的优化主要在于天线及切换带的大小。在天线方面，天线的入射角会影响到入射信号在高铁的穿透损耗，因此合理的天馈方位角和俯仰角是保证良好覆盖的基础。在优化中，尽可能地让天线近点覆盖，减小信号衰减，同时根据站间距及站轨距合理设置天线入射角度。在切换带的大小方面，切换带过小会导致切换失败，过大则会产生乒乓切换，增加干扰，因此需要合理的RF优化，保证切换带大小适中。

4.2  多普勒频偏补偿

多普勒效应是影响高铁网络性能的重要因素，一直以来解决多普勒效应的频移问题，主要都是靠设备厂家在基站上实施的频偏补偿方案。基站通过对接收到上行信号进行频偏检测，从而在发射下行信号时进行频偏补偿，来抵消多普勒效应带来的频偏问题，改善无线链路性能。虽说5G网络的频段较高，带来的频偏较大，但目前的设备性能及频偏校正算法，能更好地跟踪高速移动速度，具有更好的信道估计和频偏检测能力，能更及时地进行频偏补偿。

4.3  切换参数优化

高铁是线覆盖场景，在高铁沿线跨区域跨基站的情况会比较多，而且由于高铁5G小区的覆盖范围较小，用户在使用过程中产生的切换会比较频繁。在高铁5G网络的切换策略上，切换各项参数的设置要根据高铁的特点，保证切换的顺畅和快速完成。5G网络采用A3事件触发切换，在触发A3事件前要进行MR测量报告的上报。5G的测量报告是UE的物理层进行测量，测量结果经过L3滤波向高层提供测量结果。高铁的车速很快，信号波动会比较大，历史测量结果的可参考度较低，在L3滤波的参数设置上要尽量减少历史测量结果的影响。在A3事件参数设置中，也要减少A3事件切换时间迟滞，使得目标小区满足A3事件的RSRP后能尽快触发切换。

在高铁场景下，为了避免频繁的切换，一般都会采用小区合并的方式来扩大合并后小区的覆盖范围，减少频繁的小区间切换。对于5G网络，在使用小区合并的方法时，还可以采用CU+DU分开的架构。同一个CU下的DU之间进行切换，由于控制面集中，PDCP的實例无需复位或重建，切换流程涉及到的网元交互会减少，可以减少切换的时延，降低切换失败的概率。

4.4  PRACH参数优化

高铁场景下，UE高速移动的时候，频偏会导致基站在检测PRACH信道时，时域上出现伪相关峰，影响基站对PRACH信道的检查。根据前面的分析可知，3.5 GHz频段，时速超过200 km/h的多普勒频移已经超过1.25 kHz的preamble子载波间隔，在这种高速的情况下，如果还是用普通低速模式下的PRACH参数规划，将会严重影响用户的接入、切换等性能。

3GPP在早期就考虑到多普勒频移的影响，协议上提出了生成前导序列时使用循环移位的限制集合，在参数High-Speed-Flag中配置Ultra-High-Speed，preamble生成的循环移位Ncs就会选择限制集合。5G NR提供了14种preamble Format，其中4种长序列，10种短序列。在3GPP 38.211 Table 6.3.3.1-1表中，Format 3的preamble子载波间隔为5 kHz，支持限制集合Type A和B，非常适合高铁场景。表4为3GPP 38.211 Table 6.3.3.1-1长序列preamble格式：

其他的PRACH参数的规划和LTE类似。小区中循环移位的大小Ncs和小区最大覆盖半径有关系，一般都是根据PRACH格式和规划的小区覆盖半径来规划Ncs的大小。在PRACH时域配置时，考虑到上下行的子帧配置的位置以及高铁用户密集的情况，在3GPP 38.211 Table 6.3.3.2-3表中，选择合适的时域配置，一般是在子帧4或子帧9。

5   结束语

目前5G网络还只是在试点城市进行部署，高铁场景的网络部署还未开始。本文结合高铁LTE网络规划及优化过程中遇到的一些问题，思考未来5G网络在高铁场景下的网络规划及优化，对将来进行高铁场景下的5G网络部署给出了一些建议。

在高铁网络规划中，尽量采用SA网络架构，要保障连续覆盖，避免频繁回落到LTE，天线以8T8R为主，站间距在600 m～900 m，基站到铁轨距离为100 m左右，避免掠射角过小，基站交错部署在高铁两侧，同时根据不同的高铁场景选择合适部署方式。

高铁小区要开启高速频偏校正功能，避免多普勒频偏的影响。高铁5G小区的切换带适中，200 m左右，避免切换失败或者乒乓切换。高铁上可以采用CU+DU分开的结构，同一个CU下的DU之间切换时延较短。高铁切换采用A3事件，要减少L3滤波历史测量值的影响，减少切换触发时间。PRACH使用限制集的循环移位，采用Format 3的preamble子载波间隔可以达到5 kHz，PRACH的时域配置要考虑上下行子帧配置的位置。

参考文献：

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[2] 3GPP TS 38.331 V15.1.0. NR Radio Resource Control （RRC） protocol specification （Release 15）[S]. 2018.

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[4] 王敏，陆晓东，沈少艾. 5G组网与部署探讨[J]. 移动通信， 2019，43（1）： 7-14.

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