5G高铁网络新架构及天馈发展趋势研究*

杨艳，张涛，李福昌

（中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，北京 100048）

0 引言

高铁出行已经成为当前国人最优的出行方式之一。根据国家统计局官网数据，2020年全国铁路营业里程达到14.63万公里，其中，高铁营业里程3.8万公里，占比26%。高铁客运量比重达到70.7%，客运周转量比重达到58.6%[1]。从出行习惯上来看，旅客在高铁上普遍会使用手机等终端进行无线通信，如网上办公、网上会议、在线视频或者在线游戏等，这些业务的使用都对网络性能和安全性的要求极高。但是高速场景下网络部署的难度比低速场景要大。一方面，受到频率的影响，车厢的穿透损耗很大，高铁部署向着高频、超高频部署的需求与技术难度呈现日益扩大的剪刀差；另一方面，高铁属于安全要求等级极高的场景，无法容忍车体的过度改造，新型设备进行涉及车厢改造的流程和论证过程复杂。

目前，国内外专家已经对5G和B5G高铁技术开展了研究，包括5G高铁关键技术、信道估计、天线技术和部署方案等。文献[2-4]介绍了5G高铁部署中面临的问题及一些建议的技术方案；文献[5-7]研究了高速和高频部署下，高铁的信道估计方法及优化措施；文献[8-11]介绍了MIMO（MultipleInput Multiple Output）、多用户接入和智能超表面（IRS,Reconfigurable Intelligent Surfaces）等天线方面的技术在5G高铁的应用；文献[12-15]从5G基站上高铁和常规5G部署方面对高铁部署方案提出了建议。

本文首先介绍了5G高铁的业务需求，然后给出了5G高铁部署方案的三种网络架构，并从实际测试入手，给出了主流5G频段下高铁的覆盖性能；再次，介绍了5G高铁部署需要进行的天线改进和创新，最后进行了总结。

1 5G高铁通信需求分析

5G网络的成熟极大地催生了移动业务的丰富化，如高清视频、高清直播、游戏和移动线上会议等都成为目前最为普遍的5G通信业务。而高铁作为中、短距离的主要出行工具，“高铁+办公”、“高铁+娱乐”已经逐渐普及化，也越来越被人们认同。

高清视频、高可靠业务对网络有极高的要求，目前3GPP等标准化组织都对该类业务的保证速率等进行了规定，如表1中4K和VR的保证速率要求。

表1 5G典型业务保障参数

按照列车的长度及用户的分布情况，一般情况下一列高铁车上的全部用户会接入到一个小区，按照不同运营商用户渗透率和8列编组车厢列车乘客数计算可知，每小区的小区容量至少在3 Gbit/s以上。

2 5G高铁部署方案及架构

高铁的公众通信部署方式从最初的信号直接穿透车窗的方式向着多元化的方向发展，涌现出了穿透方案、基站上高铁方案和IRS高铁方案等，下文将分别介绍。

2.1 传统穿透式部署架构及性能分析

传统穿透方案是高铁沿途的基站在一定的入射角要求范围内，信号直接穿透车窗对车厢内的终端进行覆盖的方案，如图1所示：

图1 主流5G频段穿透部署方案示意图

在低速场景下，可以通过Massive MIMO技术充分的复用空间资源有效提升小区容量，也可以通过加密站址等方式扩展用户业务容量的需求。而在高铁场景下，车厢的密闭性带来了极大的穿透损耗（如表2所示），以中国联通主流5G频段可知，穿透损耗将达到35 dB以上，严重影响信号的强度，导致用户吞吐量下降，无法满足5G高带宽、低时延和高可靠业务需求。

表2 不同列车的穿透损耗

为了获取传统方案的实际应用效果，我们在京张高铁开展了一系列5G高铁试验和验证，图2～图3是在平均站间距500 m、3.5 GHz和2.1 GHz主流频点高铁覆盖情况下测试得到的网络能力。图2中给出了在复兴号列车条件下，采用3.5 GHz和2.1 GHz频段，在5G SA部署方式下的信号强度。不难看出，2.1 GHz频段的信号衰减明显优于3.5 GHz的，差值为9 dB，这主要是由频率产生的穿透损耗导致的信号衰弱。

图2 主流5G频段穿透部署方案RSRP比较

图3则是从上下行吞吐量情况进行了分析，从图中可以看到，上行的速率低于下行的速率，其中2.1 GHz好于3.5 GHz，下行3.5 GHz的吞吐量为2.1 GHz的2倍。

图3 主流5G频段穿透部署方案吞吐量比较

从总体上来看，穿透损耗对传输速率超成了较大的影响，现在的部署方式将难以满足对5G业务的高需求。此外，如果采用毫米波以上的频率进行高铁部署，典型的穿透方案将无法使用，目前美国等国家已经面临这样的问题。

2.2 基站上高铁架构分析

根据典型穿透方案的分析可以看到，如何节省穿透损耗和提升天线能力将成为未来高铁部署方案需要重点考虑的问题。本节将对基站上高铁的架构进行探索和研究。目前，较为主流的解决方案是将基站或类似基站的设备直接安装在列车上，从而节省穿透损耗。主流的方案包括直放站方案、小站方案和中继方案。

（1）直放站方案架构

直放站方案是在高铁车体上部署直放站，并通过定向天线进行车内用户覆盖，车厢间使用光纤或者新型线缆进行部署。其原理是在基站和用户终端间引入直放站，将不同频段的信息进行合理的放大后再进行数据的传输。直放站方案只是将信号放大，仍可以显示运营商log，对核心网和终端无影响，如图4所示。

图4 直放站方案架构

1）优点：技术方案简单，设备投资省，组网简洁，不需要改变现有的网络架构。

2）存在的主要问题：

◆干扰大：直放站与施主站存在覆盖交叠，时延差会导致干扰，引起SINR恶化。另外，直放站级联会造成噪声的累加，整体抬升宏站底噪。噪声累加程度的不同，会造成每个车厢网络性能的不均衡。

◆性能差：车内外同频，SINR差，难以达成多流感知，多普勒纠偏能力实现困难，性能有待验证。

◆运维能力差：直放站系统网管简单，只提供各类告警，难以实现精确问题定位和精细化运维。

（2）小基站方案架构

小基站方案是将小基站放置在车体上，车外宏站作为回传链路（类似与光纤回传）与小基站相连，车内使用分布式室分系统进行用户覆盖。网络架构如图5所示。

图5 小基站方案架构

1）优点：部署架构比较简单，与现在的室内外部署相似。

2）存在的主要问题：

◆核心网改造太大。目前运营商网络基站都是相对固定的，不存在核心网频繁跨省的问题，如果采用小基站方案，或许需要重新建设高铁专用核心网或者对核心网进行整体改造。

◆回传问题。如果车厢内覆盖的是5G信号，则CPE需要作为回传设备使用，但目前回传的标准和协议都是按照有线传输规定的，其丢包率要求近乎为0%。而目前CPE作为回传设备使用时空口的丢包率为5%，难以满足要求。如果需要采用新的物理层传输技术（可行性需要进一步评估），会降低传输效率，且在高速场景下无法实现多次发送同一数据。

◆CPE与小基站连接的协议还未落实，具体网元选取及使用还需要研究。

上文定性分析了小站方案，下文将从链路预算的角度分析下小站方案。一般来讲，小站方案分为CPE+DAS系统和CPE+数字化基站两种，下文将以CPE+DAS系统为例进行覆盖和造价分析。

表3为采用小站方案的覆盖能力分析：

表3 采用小站方案的覆盖能力分析（漏缆无穿损场景，采用5/4漏缆）

下文从投资的角度进行分析，可知采用基站上高铁后，车厢内部的改造费用将有较大的提升，但是周边站的站间会扩大，目前评估将为1 km以上，这样建站成本会下降，如表4所示：

表4 采用小站方案的成本能力分析

（3）基于中继的基站上高铁架构

如表6所示，基于中继（Relay）的基站上高铁方案是将Relay设备放置在车体外，车内使用数字化室分系统进行部署的方案。

1）优点：部署架构比较简单，中继是一种MAC层设备，可以进行一些数字信号的处理。

2）存在的主要问题：

◆Relay标准尚未冻结，后期开发难度大；

◆车载Relay需要与宿主基站同厂家，格局约束大；

◆Relay不支持切换，无法实现高速移动频繁切换的要求。

（4）基站上高铁方案中的天线技术

基站上高铁方案对天线也有新的要求，从实现的本质可以分为提升天线增益和天线智能化需求。

高铁车体天线指安装在车体上的天线，是针对基站上高铁方案提出的一种新型天线，需要关注列车行驶安全和天线性能。从布放位置，分为车体外天线和车厢内天线。

车体外天线主要是指车厢顶部的天线，目前都是单流的天线，尚无MIMO特性的天线，严重地影响了系统的性能提升，因此在后续研究中，需要针对车体外天线开展研究，包括：

（1）车体MIMO天线：通过多天线技术提升列车的传输效率，提升频谱效率。

（2）多频智能天线：如果基站上车后，由于安全要求和安装环境有限，天线需要尽可能地小型化、集成化，并应当集成较多的频段，达到一副天线全频段支持的需求。

车厢内天线主要指车厢内进行用户覆盖和信号回传的天线，这类天线需要考虑按需进行功率控制，并需要配置智能化的装置，减少车外飘入信号对车内有用信号的干扰。

图6 基于中继的基站上高铁架构

2.3 基于IRS的高铁部署架构

IRS[16-20]是一种新型的智能化超表面设备，通过对设备表面的阵子或可编程接入点进行编程，改变接收信号的传播方向或路径特性。在高铁中使用IRS进行部署，可以很好地克服快速时变的车体外环境影响，也可以改良车厢内用户的信号强度分布，从而解决车体的干扰。目前较为明显的部署位置为铁路沿线、车体顶部、车体玻璃外、车厢内4处，图7给出了基于IRS的高铁架构图：

图7 基于IRS的基站上高铁架构

铁路沿线放置IRS设备可以实现较好的收波功能，将一些传播方向偏离的信号进行回归式调整。IRS设备放置在车体顶部可以与基站上高铁设备进行结合，将单天线进行IRS扩展，提升天线的面积。IRS设备放置在车体玻璃外，灵活地应用IRS薄膜化的特征，对信号进行加强，减少穿透损耗。IRS设备放置在车厢内，可以将用户信号进行智能化加强，提升用户的整体接入性能。

3 5G高铁沿线天线技术研究方向

高铁沿线天线普遍是指在铁路沿线的天线系统，按照场景来看，目前可以粗略分为红线外和隧道内两个场景。

3.1 红线外高铁天线

红线外高铁天线需要考虑天线增益提升的要求，主要的方法有：

（1）通过MIMO技术进行发送和接收增益的提升，如沿线的天线的TR数提升为8或者16。

（2）通过采用特性天线，如龙伯透镜天线，最大限度地将信号集中在高铁长条状的覆盖带上，实现高铁覆盖范围内的天线增益提升。

（3）智能超表面技术的引入，可以通过在必要的区域添加IRS，改变信号传播的路径，减少遮挡等不必要的信号衰减。

（4）分布式天线可以扩大单个小区的覆盖范围，实现多物理站址间的协同部署，极大地减少小区切换，实现用户的有效数据通信时长。

3.2 隧道内高铁天线

目前高铁隧道都是采用漏缆进行部署，如13/8或者5/4漏缆，但是漏缆都有明显的使用频段，当超出漏缆的支持频率（截止频率）时，信号质量出现极大的衰减，从而导致通信中断。而在5G及B5G高铁部署中，通常要使用到3.5 GHz以上的频段，这个与现存漏缆支持的频率有较大差异，无法进行全频段漏缆覆盖。相对地，天线可以支持频率的范围较大，可以很好地解决高频覆盖的问题，如对数周期天线就是一种比较常见的贴壁天线。同时使用可以将隧道天线与RIS系统结合，实现信道优化，从而提升天线的性能。但是天线在隧道内部署缺乏实验验证，需要进行全面的安全分析和测试，以防列车带来的高风压造成设备脱落，进而影响高铁行驶安全。

4 结束语

高铁通信是一种高速或超高速列车运行下，使用多种通信覆盖技术实现列车内用户通信的通信模式。高速运行的列车对安全的要求极高，车厢都比较厚或使用多层膜状材料，穿透损耗很大。而5G的主流频段是3.5 GHz和2.1 GHz，如果采用直接穿透的部署方法，将带来35 dB以上的穿透损耗，极大地削弱网络的覆盖能力，造成较高的建网成本。因此在5G业务丰富化、高质量化的前提下，如何进行5G高铁的部署成为当前5G高铁部署的关键问题。本文结合高铁部署的需求、传统部署方式的测试情况，进一步分析5G上高铁的架构和天线需求。5G和B5G高铁部署将成为未来高铁通信的主要研究方向，需要进行深入的研究，打造5G+高铁复合新名片。