高铁场景5G覆盖的研究探讨

罗海港，王 磊，李超杰

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南 郑州 450000）

0 引言

随着高铁路网密度快速增长，旅客发送量不断增加，高铁成为越来越多人的首选出行方式；据统计，高铁旅客以旅行、出差居多，约占全部乘客数量的近9成。

高铁线路中包括大量长隧道，由于列车速度快、车体穿透损耗大、设备安装空间狭小等，与普通铁路隧道相比，高铁隧道的无线网络覆盖设计和建设实施更加困难，这对高铁线路场景的移动通信网络提出了更高的要求。如何解决高铁场景的无线网络覆盖，是各大运营商高铁场景无线网络规划和建设面临的挑战。

1 面临挑战

高铁场景由于人流量大且集中，加上列车车厢封闭型好，行驶过程中高铁车速较快，高铁车型不同的穿透损耗不一样，高铁经过区域也存在差异，因此，高铁场景是个相对复杂的场景，这使得高铁场景5G网络覆盖存在较大的挑战。

高铁场景5G网络覆盖面临的挑战主要有穿透损耗更大、多普勒效应频偏更大、切换更频繁等，具体如下：

（1）穿透损耗更大。由于车体穿透损耗大：高速列车采用封闭式设计，车体普遍采用的高强度不锈钢或合金材料，会对无线信号产生很大的穿透损耗，导致覆盖受限，信号质量差。如，中国的和谐号CRH5列车车体为中空铝合金，对1.8G信号垂直入射的穿透损耗可达24dB，而高铁网络通常沿着铁路线做带状覆盖，信号掠射角较小，车体的穿透损耗更大。同时，相比较低频的3G/4G频谱，N78、N41等5G主流频段的车体屏蔽会更强。中国的和谐号CRH5列车车体为中空铝合金，对1.8G信号垂直入射的穿透损耗可达24dB，而高铁网络通常沿着铁路线做带状覆盖，信号掠射角较小，车体的穿透损耗更大。同时，相比较低频的3G/4G频谱，N78、N41等5G主流频段的车体屏蔽会更强。

另外，各运营商频段损耗相比，目前国内运营商（除广电）5G网络主要部署在2.6GHz和3.5GHz频段，以电信和联通的3.5GHz频段为例，该频段相比LTE1.8GHz频段高近一倍。根据自由空间传播损耗与频率的关系，3.5GHz频段的传播损耗比1.8GHz频段高将近6dB。

在传输介质不变情况下，频率越大，穿透损耗越大。另外，高铁车型不一样其相应的穿透损耗也不同，复兴号高铁列车比普通高铁列车穿透损耗更大。根据测试结果，在3.5GHz频段和谐号高铁列车的穿透损耗约33dB，复兴号高铁列车的穿透损耗约36dB，因此，在3.5GHz频段高铁场景5G覆盖传播损耗和车体穿透损耗更大。

（2）多普勒效应频偏更大。当移动终端运动时，特别是在高速运动情况下，移动终端和基站接收端的信号频率会发生变化，成为多普列效应。其计算公式为fd=f/c×v×cosθ。其中，f为载波频率；c为光速电磁波传播速度；v为移动终端的移动速率；θ为移动终端相对于基站的运动方向与基站信号传播方向的夹角。接收信号理论上，根据公式可以看出，当移动终端与基站间的相对移动速度v越大，多普勒频移越大。而目前国内高铁线路设计时速高达350km/h，高铁列车的速度越快，频偏也越大，高速将导致基站信号接收性能下降，引起大频偏，导致KPI恶化以及吞吐率下降等网络性能问题。

图1 多普列效应

（3）切换更频繁。以3.5GHz频段规划站址为例，如确保连续覆盖，该频段下站间距更小，相比1.8GHz站间距缩小一倍，高铁经过的区域较多且路线较长，高铁用户在使用移动网络时，切换频率会增加一倍，会产生频繁的小区切换、重选。此时对切换带、切换参数的设置要求更高，否则将导致换较慢、切换失败等一系列影响网络质量的问题。

总之，相比3G/4G网络覆盖，高铁线路的5G规划覆盖中将面临更大挑战。

2 高铁5G覆盖方案

目前，高铁用户的业务主要为视频、微信、游戏等数据业务，由于高铁场景天窗期短、入场难，因此在规划5G网络时，要综合考虑业务需求和网络资源，为避免资源规划不到位，高铁场景的5G网络规划应做到长远考虑、一步到位，具体规划方案中要考虑穿透损耗、多普勒效应频偏和频繁切换等问题，针对高铁覆盖中各场景的特性制定针对性解决覆盖方案。

2.1 场景特征

高铁相比其他场景相对复杂，主要涉及线路沿线、隧道、车站大厅和站台等场景。

（1）线路沿线。高铁线路沿线一般经过区域多为城区、农村开阔地带，少量山区（山区基本多为隧道）。

（2）隧道。高铁线路经过的山区区域涉及隧道，隧道主要分布在红线内，隧道根据其长度，可分为长隧道（超过500m）和短隧道（不到500m）。

（3）车站大厅。高铁车站大厅多数设置在城市或县城郊区，一般为封闭场馆，内部宽敞，但人流大密集，容量需求高。

（4）站台。高铁站台主要设置在车站，主要为用户乘车上下车及等待的区域，空间较开放，车辆进出站时车速较慢，用户在上下车的等待中移动性相对较少且人流密集。

2.2 网络规划原则

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。

目前，在高铁5G网络规划中，要按目标网架构规划，尽量采用SA网络架构，为确保连续覆盖，合理的重叠覆盖区域规划是实现业务连续的基础，重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大会导致干扰增加，影响用户业务感知。根据传播模型和链路预算计算，考虑小区切换重叠覆盖区，建议在城市区域小区站间距为600m，农村区域小区站间距为900m。因此，高铁5G小区建议规划站间距在600m-900m，站轨距100m左右，基站应交错布置高铁两侧。在设备选择上应针对覆盖的不同场景选择室外宏站、泄露电缆等合适方案部署。

2.3 解决方案

（1）高铁线路沿线。高铁线路沿线区域主要分布在郊区及部分城区周边，地处开阔区域，一般用宏站进行覆盖，建议采用8T8R高增益窄波束天线。在实施过程中，尽量利旧现有4G存量站点，对于那些站间距不满足或覆盖不足的区域规划新站址，站轨距一般在100m左右，规划时尽量使基站与终端之间存在直射径，这样便于提高基站覆盖性能。高铁沿线的5G站点分布建议采用“之”字型的方式，交错分布在高铁两侧，利于无线信号的均匀分布和覆盖区切换更好衔接。如果受地理环境限制，在有拐弯时，站点尽可能部署在铁轨的内拐弯处。

（2）隧道。当隧道小于500m时，可以在隧道的两端用AAU+天线对打的方式进行覆盖。在隧道超过500m时，隧道空间狭小，考虑辐射型泄漏电缆覆盖均匀，且具有方向性，宜采用5/4漏缆辐射型泄露电缆覆盖。

（3）车站大厅。车站候车大厅区域由于其密闭性较好、人流量较大且数据流量需求加大，如采用传统的室外宏站进行覆盖，效果不太理想，一般采用室内覆盖方式，采用AAU设备挂墙进行覆盖或者用新型有源室内分布进行覆盖。

（4）高铁站台。由于站台地处室外，多为开阔区域，人员移动性大，列车进出速度慢，高铁站台可考虑用附近的宏站兼顾覆盖。

3 结束语

虽然目前高铁场景5G覆盖尚未规模部署，但考虑高铁场景的重要性，为提升客户网络使用感知，在做高铁沿线5G网络规划时，做到长远规划、一次部署到位，要结合根据高铁场景的特征开展规划、规划制定对应覆盖方案。

在高铁网络规划中，尽量采用SA网络架构，同时规划时要考虑连续覆盖，避免频繁回落到LTE，站间距建议在600m-900m，基站到铁轨距离为100m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。后期需结合覆盖场景优化建设方案和网络，从而达到高铁场景的高质量覆盖。