基于8T8R大功率设备高铁场景下的5G覆盖方案研究

1 引言

截至2019年底，中国高速铁路营业总里程达3.5万千米。随着高铁路网密度快速增长，旅客发送量不断增加，高铁通信逐步成为各通信运营商提升品牌效益和客户黏合度的竞争领域。与4G网络相比，5G网络具有更大的带宽，有利于提升速率和容量需求，但更高的频段对覆盖能力提出了更高要求。高铁的5G网络建设不仅需要保证连续覆盖，更要提供优质、高速的业务，提高用户感知度。

然而由于高铁具有运行时速快、车体穿透损耗大、业务突发性强等特点，使得高铁5G网络建设面临诸多挑战。本文主要介绍了中国联通济南分公司在济青高铁董家镇段，率先尝试应用400 W 8T8R射频拉远模块，并结合华为公司自主研发的12小区合并方案，开通了全国首个在高铁场景的5G网络。此方案是在高铁场景下进行5G网络覆盖的创新方案。本方案针对性地解决了5G网络在高铁场景所面临多普勒频偏增大、站间距缩小引起切换更频繁、用户密集带来的容量需求突增等方面的挑战，提高了5G网络在高铁场景的覆盖效果和语音质量，为中国联通高铁5G建设提供了新的参考依据。

2 高铁场景5G网络部署特点

2.1 5G高铁部署总体分析

与4G网络相比，5G网络具有更高峰值吞吐率（大于10 Gbit/s/用户）、空口时延低于0.5 ms、低功耗大连接密度（连接数密度可达1 000 k/km2）、高移动性（可满足500 km/h）等特点。为满足5G网络不同场景下的应用需求，支持多元化的业务应用，满足差异化用户需求，5G系统的候选频段需要面向全频段布局，低频段和高频段统筹规划，以满足网络对容量、覆盖、性能等方面的要求。

无线电频率资源是宝贵的战略资源，不同的频谱资源，其传播特性、带宽大小、所处产业链生态、电磁环境等特性均有很大差异，因此在进行网络部署时对于潜在频率资源需要评估，选择最优的频谱。

工信部授权中国联通使用3.5 GHz作为5G频段。3.5 GHz频段在全球产业支撑最好，然而3.5 GHz频段频率高，信号衰减更快。5G技术在高铁通信上的应用，主要受限于5G网络较高的工作频段。因此高铁场景的通信将面临较大的多普勒频偏、穿透损耗、频繁切换等问题。这些因素将直接导致高铁覆盖距离缩短，站间距减少，基站数显著增加。同时由于高速的场景将导致5G网络的MIMO技术难以实现，5G高铁部署面临多重难题，需要综合考虑设备形态和部署方案。下面我们将详细分析影响高铁部署的主要因素以及本文中所采用的创新高铁5G覆盖方案。

2.2 高铁场景5G网络面临的挑战

高铁场景在5G网路覆盖时，相比常规的室内和室外移动通信场景，主要面临如下挑战。

2.2.1 多普勒频移

我国高速铁路运行的时速普遍在200 km/h到350 km/h，列车在高速运行的情况下，必然使得接收端接收信号的频率发生变化，即为多普勒效应。然而这种多普勒效应是时变的，在列车进站、出站、途中调度，运行时速调整等情况下都会发生变化，从而导致接收机的解调性能下降。

多普勒频移计算公式为：

其中：Δf为多普勒频移，上行多普勒频移计算时f对应上行发射频率，下行多普勒频移计算时f对应下行发射频率，对于NR 2.6 GHz（TDD双工方式）的5G系统来说，上下行频率是一样的。

θ 为终端移动方向和信号传播方向的角度；

v 是终端运动速度，m/s；

C 为电磁波传播速度，3＊108 m/s；

F 为载波频率。

图1是高铁场景通信时的频移产生示意图，假设频偏后接收到的频率为f0，当移动台靠近基站时为f0＝f+fd，当移动台远离基站时为f0＝f-fd。

图1 多普勒频移示意图

假设上下行频率都为f0，从图1中可以得知，UE远离基站时候会产生一个-fd的频偏，即UE的工作频率为f0-fd，因此上行发射频率为f0-fd。在上行接收端，由于UE远离基站带来-fd的频偏，可知此时基站接收到的频率为（f0-fd）-fd=f0-2fd。

同理，UE接近基站时候会产生一个fd的频偏，基站接收到频率为f0+2fd。

假设用户移动方向和基站信号传播方向的夹角为0或180度，此时为最大频偏，不同频段和不同速度时候的最大频偏如表1所示。

表1 车速、频率和最大频偏的关系表

2.2.2 高速切换及重选

高铁在高速运行时，终端穿越切换区的时间变得很短，以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，导致切换失败，影响用户的业务感知。

在快速切换的情况下，若重叠覆盖区过小，将会导致终端在切换未处理完成之前，与服务小区失去连接，使得业务中断。所以，对于高速铁路沿线的网络，要根据切换启动门限参数的设计，以及完成切换流程所需的时间统计，估算切换区所需的重叠覆盖区域大小。只有当两个小区重叠覆盖区域设计得足够大，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。

另外从高铁实测数据来看，列车运行过程中，在小区切换位置，流量有明显的低谷区域，影响整体吞吐量。因此高铁场景频繁的小区切换对网络覆盖提出了更高的要求，需要增加小区覆盖距离，减小切换次数，高铁小区切换示意图如图2所示。

图2 高铁小区切换示意图

2.2.3 话务量突发性

铁路沿线一般情况下话务量需求接近零，列车经过时话务量剧增，导致忙时话务量和闲时话务量差距明显，呈现明显的波动趋势。特殊情况下，往返两辆高铁会车，话务量会在短时间内剧增，导致容量受限、用户体验下降。

2.2.4 车体损耗大

全封闭高速列车，车身由铝合金和不锈钢材料组成，车窗采用特殊材质制成，密闭性很好，相对于普通列车，穿损进一步加大。车厢的穿透损耗会影响车厢内终端接收信号的强度，从而影响到信号在车厢内的覆盖。新型全封闭高铁动车组列车带来的高穿透损耗，相比普通列车增加约10 dB损耗。其中济青高铁复兴号车体损耗较其他列车穿透损耗更大，目前常见车型的材质、穿透损耗值进行的测试统计值如表2所示。

2.3 高铁场景5G网络特性分析

2.3.1 频移估计与补偿

多普勒频移增大带来接收机解调性能恶化，对纠偏算法的性能要求更高。普勒频偏会导致终端在高速移动时无法正常工作，非高铁下PUSCH高阶调制系统性能也会有2～3 dB的损失。为应对多普勒频移，采用了AFC算法进行上下行预纠偏，降低终端接收偏移量，提升终端纠偏能力，提升下行速率和用户体验。相关算法如图3所示。

表2 高铁不同车体损耗值

图3 纠偏原理图

2.3.2 小区合并能力

华为公司自主研发的12小区合并解决方案是将多个小区（TRP）合并为一个小区，在该小区中，所有TRP（Transmission and Reception Point：发射及接收点）使用相同的PCI（Physical-layer cell identity：物理小区号）。该小区下行广播和控制信道采用多TRP联合发送，使得原先彼此干扰的多个小区信号变成多径叠加增强的信号，数据信道独立发送，显著提高小区容量。该方案可减少小区切换次数，提升下行覆盖，提升下行吞吐率、减少掉话，提升用户业务体验。当前最大支持12个TRP合并为一个小区。

以高铁时速300 km/h，平均站间距500～650米为例，高铁在高速运行中，平均每6～8秒就会进行一次小区切换，导致掉话率极高，用户体验感知度较差。华为自主研发的12小区合并方案，可以将小区切换时间延长至93秒，这样就可以减少小区切换次数，提升下行吞吐率，减少掉话，提升用户业务体验。

3 高铁5G覆盖案例分析

3.1 设备选型及参数设置

根据高速铁路客运特点、列车承载能力和用户业务模型等关键性指标，高铁线路推荐采用BBU+RRU的组网方式进行覆盖，其中RRU和天线是无线覆盖的重点，选择合适的RRU型号以及天线类型，保证高铁线路的覆盖效果。

在本次创新部署方案中，我们选用了业界最先进的，功率配置为400 W，带宽200 MHz的8T8R华为射频拉远模块。华为RRU5818产品参数、环境指标、接口防雷指标及环境遵循标准如表3、表4、表5所示。

表3 高铁场景RRU产品参数

表4 RRU5818（3 500 MHz）接口防雷指标

表5 高铁场景RRU环境指标

3.2 基站设置原则

新建的高铁线路采用BBU+RRU分布式基站，站址选择要综合考虑铁路周边遮挡物的影响，积极推进与友商的共建共享，合理利用铁塔公司资源。

（1）基站到铁轨的距离

新建基站到铁轨的距离应该控制在100～500米范围内，较为理想的基站到铁轨的距离为100～300米。

（2）站点布局

对于直线轨道，相邻站点宜交错分布于铁路的两侧，形成“之”字型布局，有助于改善切换区域，有利于车厢内两侧信号质量的均衡，在传输条件允许的情况下尽量采用“之”字型布局，如图4所示；对于铁路弯道，站址宜设置在弯道的内侧，可提高入射角，保证覆盖的均衡性，如图5所示。

图4 “之”字形基站分布图

图5 “）”形基站分布图

（3）掠射角

“掠射角”是基站天线主瓣方向和铁路铁轨之间形成的夹角，“掠射角”越小，列车穿透损耗越大。建议将“掠射角”控制在15°以上，部分站间距较远或者共址建设的基站应尽量避免掠射角在10°以下，如图6所示。

图6 掠射角示意图

3.3 覆盖方案

本案例的测试路段位于济青铁路北线董家镇以西至时家庄村以东，高铁设计速度350千米/小时，全程约5.8公里，地势平坦，建设8处5G站址，平均站间距0.7千米左右，平均挂高35米，开通小区合并功能。此路段的规划站址分布情况如图7所示。

图7 站点规划图

济青铁路北线测试路段采用功率为400 W，8T8R设备站点，每个设备配置为S11类型，基站站址全部利旧原有铁塔。5G基站主要覆盖济青铁路北线董家镇高铁路段沿线区域。每个AAU基站侧均采用-48V直流电源供电，每配置S11基站需2芯光缆，连接至董家母局5G BBU机房。

3.4 效果分析

（1）覆盖效果

此次测试过程中5G在该路段全程覆盖良好，RSRP均值-86.27 dBm，SINR均值为17.996，满足5G网络的覆盖标准。相关测试结果如表6、图8、图9所示。

表6 覆盖率指标分析

图8 RSRP测试结果轨迹图

图9 SINR测试结果轨迹图

（2）体验速率测试效果

终端下载峰值速率602.68 Mbit/s，下载平均速率379.65 Mbit/s；上传峰值速率87.51 Mbit/s，上传平均速率28.92 Mbit/s，测试效果良好。相关测试结果如表7、图10、图11所示。

表7 上下行体验速率指标分析（Mbit/s）

图10 下载速率测试轨迹图

图11 上传速率测试轨迹图

通过本案例的测试路段分析，在高铁场景我们通过利用大功率8T8R的基站设备，并结合多小区合并策略，5G网络的RSRP值均大于-115 dBm，未出现切换导致的掉线以及测试终端5G脱网现象。并且在同车厢同时进行5G/4G对比测试，测试分析显示5G速率提升超过4G的22倍以上，极大改善了高铁移网用户的速率体验，达到全国领先水平。

4 结束语

综上所述，高铁场景5G网络建设面临诸多挑战。济南联通在高铁场景创新应用了华为大功率8T8R射频拉远模块，取得了较好的测试效果，为联通集团高铁5G建设提供新的参考方案。本方案成功解决了高铁场景下5G网络面临的问题，同时探索了5G大功率设备在更多场景下的应用以及可能应对的问题，为5G多场景应用建设积累宝贵的经验。