基于5G需求的高铁专网覆盖思考

◆申方舟

无线通信与移动互联网安全

基于5G需求的高铁专网覆盖思考

◆申方舟

（广东省电信规划设计院有限公司南京分公司 江苏 210003）

本文阐述分析了5GNR（5G New Radio，5G新空口）高铁覆盖的组网方案策略，就车体穿损、链路预算、覆盖范围、切换区规划、方位与下倾角、站轨距、天线选择等进行了较为详细的分析，同时结合现网测试、网络仿真数据，给出了解决方案。

高铁；5G；专网；覆盖方案

随着我国高速铁路的发展，如何在运营中的高铁列车上保障网络覆盖成为运营商的重要问题。本文以中国移动为例，对比4G网络高铁专网覆盖的技术要求，研究给出5G高铁覆盖方案。

1 高铁覆盖面临的问题

信号损耗：高速铁路列车车厢主要为钢、铝合金等构成，车窗玻璃上还覆盖有特殊贴膜影响信号穿透，无线信号穿透损耗大[1]。而最新型的复兴号的车厢穿透损耗超过30dB（2.6G/3.5G频段下）。

多普勒效应造成的频率偏移：信号频率因车厢和基站的相对运动造成变化，高铁场景下4G、5G系统受到多普勒效应影响最大[2]。

小区间切换频繁：高铁用户终端速度快、终端在某个小区在网时间短，容易脱网、网络掉线等。

用户行为特殊：用户分布集中，所有的用户都在列车内，用户主要使用数据业务，用户对业务体验较敏感。

2 高铁5G覆盖需求分析

2.1 覆盖需求

5G系统覆盖的评价指标，主要以RSRP （Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率），对比TD-LTE，相应的可得出NR（2.6GHz）的要求：RSRP>-107dBm（CRH）、RSRP>-110dBm（复兴号）。

2.2 感知需求

通过现网话务统计数据分析和测试，可以评估上、下业务的感知体验速率，进而确定小区边缘用户速率要求，指导建网策略。根据用户行为、业务模式分析，考虑中期用户行为变化情况，5G高铁建网初期eMBB场景需求下，以下行3~5Mbps、上行500kbps~1Mbps作为基准指标，可满足用户体验需求。

2.3 容量需求

本次测算以两列高铁相遇、车内上座率100%、移动用户渗透率70%作为测算依据，总数据量需求不高于1000Mbps，在移动获得100M（2.6G）频段资源的情况下，高铁专网建设主要为覆盖受限、容量基本满足需求。

3 5G高铁覆盖方案

3.1 车体穿损测算

本次测算基于2.6Ghz频段考虑，采用目前较为常见的和谐号动车组28db穿损作为测算基准，和谐号穿损约31db、复兴号穿损约33db。

3.2 不同站间距下的链路损耗测算

根据车速、时间、几何关系来计算，切换+重选时延=0.5s，切换迟滞过渡区=2dB，计算结果如图1：

由测算结果可见，若满足-105~-107dbm左右覆盖要求，可考虑400米左右站间距。

3.3 切换重叠覆盖区规划

切换和重叠覆盖区规划，5G高铁切换重叠区的规划方法，与TD-LTE基本相同。

3.3.1 LTE切换重叠覆盖区计算

LTE基站站间距：

L=2*（覆盖半径²－站点离铁路距离²）½－2*单向重叠覆盖长度

不同的高铁项目，站间距、站轨距均不同，切换重叠区也不同，移动集团要求4G网络切换重叠区为200米。例如，典型站间距500m，站轨距100米，估算重叠切换区约为170米（优化前）。

3.3.2 5G切换重叠覆盖区计算

基于2.6G 的5ms单周期的共存子帧基础上，计算小区切换重叠区，与TD-LTE优化后的指标一致：

（1）切换迟滞对应距离：目前4G的配置是1dB，2.6G组网条件下，5G考虑同样采用1dB，因此迟滞切换时延也是128ms；

（2）切换测量距离：对应切换测量上报TTT，4G高铁场景下从普通商用的320ms下调到了128ms，这个参数主要和终端的测量机制相关，5G仍为128ms；

（3）切换执行时间：切换执行时间，从handover command到目标小区msg3的时间，仍为25ms。

结论：在350km/h下，一次切换所需单向距离约53m。

3.4 方位角和下倾角设定

根据现网组网经验，在垂直波瓣半功率角和水平波瓣半功率对准最远覆盖点效果最佳。

方位角设定：与掠射角相关，掠射角即为基站天线主瓣与列车车厢外立面的夹角（或铁路平面），掠射角越小，天线主瓣方向需穿透的车厢壁厚越大，穿透损耗越大[3]。扇区夹角建议小于等于160°，为避免信号间重叠区域过大，夹角建议大于等于80°。

下倾角设定要求：与宏站相同，即天线上垂直波瓣3dB为准边缘，向内推进。

3.5 站轨距规划

站轨距即为基站距离铁路的最小距离，如果基站信号垂直与车厢（玻璃时），入射角最小、信号的穿损也最小，如果信号非垂直入射到车厢内，入射角变大，穿透损耗也越大。据测试，20度内，穿损受入射角变化影响较大，若小于10度，则呈指数衰减（图2）。

图2 30度入射角、不同站轨距情况下穿透损耗示意

合理站轨距范围需要综合考虑掠射角要求和最佳的覆盖性能要求，尽量减少工程成本并提升网络性能，2.6G NR覆盖条件下，应选择100-150m站轨距。

3.6 天线选择

高速铁路的覆盖，属于线型场景的连续覆盖、车厢高度变化较小，天线选择受MIMO技术影响较小、受天线增益影响较大，天线能量需集中在主瓣方向（正对车厢方向），宜优先选择18dBi以上的2T2R（4G）、8T8R（5G）天线，且天线重量、尺寸应满足承载要求。

根据测试分析，30度左右天线性能最佳，45度天线覆盖效果次之。

4 结束语

5G网络建设是未来5-10年内移动通信网络建设领域最重要的任务之一，大带宽、高数据流量需求场景下的高铁覆盖建设需求，是5G覆盖建设需求的重要组成部分。通过合理分析，确定合理、满足需求、满足未来演进需求的5G覆盖指标，进而分析确定适宜的高铁专网规划原则，确保建设完成后网络使用体验满足用户需求，提高运营商5G网络在高铁场景下的网络质量，是本文的主要研究目标。

[1]吕晨光，郭建光，王宇欣. 高铁TD-LTE无线网络覆盖研究[J]. 电信工程技术与标准化，2014（10）：29-32.

[2]常贺，齐志刚. TD—LTE高铁覆盖F／D频段组网分析[J]. 互联网天地，2016（3）：30-33.

[3]卜翠. 800MLTE高铁覆盖解决方案研究[J]. 移动信息， 2016（8）：142-143.