高铁环境下无线通信的特点及覆盖方案探讨

摘 要 高铁具有线性大跨度的特点，而且由于列车移动速度比较快，在无线通信覆盖上存在诸多困难。本文就对如何进行高铁环境下无线通信无盖做出了研究，首先分析高铁无线通信环境的特点，然后对不同环境下如何进行覆盖方案的设计进行了探讨，最后针对高铁的特殊性，研究如何加强优化，保证信号的稳定，提升高铁用户通信速度。

关键词 高铁;无线通信;特点;覆盖方案;5G

引言

高铁具有非常快的行驶速度，再加上车厢的密封性非常好，倒是无线信号的很容易出现中断等其他情况，覆盖非常困难。但是随着高铁性能和舒适性的提升，越来越多的人选择高铁，如何保证高铁无线覆盖也变得非常重要。目前，高铁的无线通信存在信号损耗严重、多普勒效应等问题，同时，5G网络建设已经开始，必须充分分析高铁的环境，结合特点做好无线通信覆盖，提升高铁的舒适度。

1高铁环境下无线通信的特点

1.1 信号损耗严重

目前，国内的高铁列车都有非常好的密封性能，虽然保证了舒适性，却也造成了信号穿透损耗的增加。所以，对无线通信覆盖进行设计时，就需要考虑列车车体的损耗，确保列车通信功能的正常。而且在高高速运动是，信号的损耗要大于车辆静止是的损耗，为了保证通信正常，需要对把所有通信设备的损耗都考虑进去，无论是手机还是车载设备。

1.2 多普勒效应带来的信号频率偏移

如果高铁以两三百公里的速度高速行驶，车辆上的终端也是随着车一起移动的，由于多普勒效应，会导致终端接受移动通信信号时有频率偏移的现象，高铁的车速越快，偏移的情况就会越明显。由于所有的基站和移动设备对通信信号的接受频率都是有范围的，如果信号频率的变化超出范围，就会出现通信连接错误或者信号中断的情况。

1.3 信号衰落问题

无线电信号的信道是典型的多径衰弱信道，其中快衰落表现形式之一，在无线信号发出之后，一直到传输到列车上的终端，往往会由于收到环境的影响出现直射、反射和散射的问题，如果有不同相位和振幅的信号叠加，就会导致设备在接收信号的时候出现不稳定的情况。

1.4 移动终端频繁切换

列车行驶的速度越快，通过通信终端范围的实践就会越短，在一个基站的位置，马上就会被新的基站代替，所以移动终端会不断更新，这就给通信技术的硬件和软件都提出了全新的挑战。

1.5 特殊的天线选择

由于铁道狭长的地面覆盖，所以不同型号的天线对信号的影响非常大，而维拉防止塔下黑的问題，一般要在50米垂直范围内设置基站，并利用一个二功分器引出两个不同方向的信号源，来对铁路禁行范围覆盖。如果出现塔下黑的问题，就需要增加天线的数量，保证局部覆盖的效果[1]。

2高铁5G网络的规划

目前高铁网络有两种覆盖方式，分别是和公网同频组网，以及异频的专网组网，由于5G的频段有心，所以高铁的覆盖可以采用与公网同频组网的方式。在5G网络的规划当中，需要考虑网络架构、Massive MIMO的选择、高铁站的间距和设备的选择。

2.1 NSA/SA网络架构

5G网络目前主要包括NSA和SA这两种架构形式，其中NSA组网模式是利用现有的4G网络作为锚点，然后5G网络的空指令走4G网络，5G的业务数据在5G网络上传输。SA的组网模式无论是控制还是数据都在5G网络上，并不需要借助4G网络，但是这种模式的核心网还只具备初级的功能，不支持计费、语音和漫游等功能，并且SA智能终端芯片推出的也比较晚，因此在技术成熟度上相对NSA而言比较低。

高铁上的乘客主要的业务需求包括视频、游戏、即时通信等数据业务，目前继续使用4G网络就能满足要求，因此对于5G网络的需求并不强烈。并且，为了实现全国性覆盖的成本控制，必须要减少NSA升级SA网络的额外投资，实现对高铁场景下5G网络的部署，就要一步到位地使用SA网络架构，减少由于NSA和SA在模式不同所导致的复杂性。

2.2 连续覆盖的规划

在NSA网络下，由于锚点网络不连续，所以终端需要进行多次测量，不仅会影响用户的感知速率，而且还会导致终端耗电增加。而且，由于高铁的车速特别快，如果NSA和NR覆盖不连续，就需要频繁进行锚点的添加和伸出，导致用户不能真正体验到5G所带来的高速服务，而在同样的SA网络下，为了防止高铁SA网络不连续覆盖导致感知下降，SA网络构架下也要NR连续覆盖。

2.3 Massive MIMO的选择

Massive MIMO是5G网络中的一项十分关键的技术，能够提升容量和覆盖量，使用大规模天线，可以达到32T32R和64T64R。但是在高铁的场景下，由于列车的移动速度非常快，所以业务波束很难快速捕捉并且跟踪到信道的变化，导致很难实现波束赋型。并且，由于在高铁中的用户非常集中，导致很难达到MU-MIMO的用户配对，为了兼顾成本，高铁场景下天线不采用64T64R的大规模天线，所以都是用8T8R高增益窄波束天线。在高铁穿越城区时，车速会放缓，为了兼顾大网用户，高铁场景下城区区域可以采用32T32R天线。

2.4 高铁主要场景的规划设计

高铁拥有一个十分复杂的场景，所以在移动通信的规划设计需要考虑很多特殊的需求，尤其是在隧道和桥梁，往往需要针对性地进行特殊规划。

（1）高铁候车大厅的规划

高铁候车大厅一般都是封闭的场馆，利用室外的基站进行覆盖效果会比较差，所以要采用室内覆盖的方式。后车大厅比较宽敞，但是人流比较密集，对容量的需求非常高。所以在候车大厅，可以采用多个5G的AAU挂墙覆盖，或者利用数字化室内分布实现覆盖。

（2）高铁站台

高铁站台是乘车人员上下车和等车的区域，这个区域比较开放，可以用宏基站来进行覆盖。在高铁进入站台时，由于车速比较慢，因此多普勒效应可以忽略，并且多数用户在上下车和等车的时候都是在固定的位置，移动比较少，因此可以选择使用64T64R的基站天线，既能满足密集人流量的特点，同时也能确保大流量的需求。

（3）高铁沿线规划

高铁沿线一般都在城区和农村的开阔地带，并且都是使用宏基站进行覆盖的，比较适合使用8T8R的高增益窄波束天线，在规划的时候，需要尽量使用现有的4G基站，如果出现覆盖不足，在使用全新的基站。一般情况下，基站和铁轨之间的直线距离都在100米左右，设计的时候要金莲保证基站和终端之间存在直射径，从而最大程度上保证覆盖性能。对于高铁的5G基站，一般都是交错分布在高铁的量测，以便5G信号能均匀地分布，也能保证不同覆盖区之间能够有更好的衔接，并且能保证5G信号的均匀分布。而对于高铁拐弯的情情况，则要将基站分布在铁路弯角的内部，让基站的覆盖作用更好发挥。

（4）高铁隧道

如果高铁隧道比较短，比如长度在500米以内，只需要在隧道的两端用天线对打就能实现信号在隧道内的覆盖。但是如果隧道比较长，在长度大于500米时，由于隧道的空间比较狭小，就需要使用辐射型泄漏电缆实现覆盖的目的。如果在隧道中部署4T4R的5G网络，可以并排设置4根漏缆。高铁的隧道中每隔500米就有一个设备洞室，可以在洞室中存放5G的设备，泄漏电缆安装在高铁列车的窗口对应位置，能最大程度提升设备的容量和感知能力，为了确保覆盖效果，还可以使用两根泄漏电缆构成一个双流MIMO。高铁的隧道口和隧道内都要安装特型天线，对于长距离隧道，隧道两侧可以分属不同的小区，而且可以将切换区设置在隧道内部。

3高铁5G覆盖案例分析

3.1 覆盖方案

某测试路段的高铁设计速度为350km/h，道路全程为5.8公里，该路段周围的地势平坦，尉氏县覆盖，设置了8处5G站址，平均间距在大约0.7公里。基站挂高35米，开通了小区合并功能。在该路段的公路为400W，施工用8T8R站点，设备为s11类型。基站站至使用了原有的铁塔，每个AAU基站用-48V直流电源供电，配置两个光缆，并连接到5GBBU机房。

3.2 设备参数的选择和配置

由于高铁客运的特点，以及结合承载能力和用户模型的分析，使用BBU+RRu的組网模式能够获得较好的效果，其中RRU和显现覆盖是设计的重点，必须要选择合适的天线类型，才能做好覆盖工作。本方案中，使用了带宽为200Hz、功率配置为400W的华为8T8R射频模块。基站的设置原则上，采用BBU+RRU分布式基站，由于该地区地势相对平坦，所以站址选择的时候主要考虑铁路周边的影响，而且充分利用就有资源，实现对铁塔的充分利用。

3.3 基站设置的原则研究

（1）站点布局

对于直线轨道，相邻的站点适合交错分布在铁路的左右两侧，从而改善切换布局，也能让高铁车厢两侧的信号保持均匀，为此在条件允许的情况下都尽可能设计成了之字形布局。对于铁路弯道，站址应该设置在弯道的内侧，而且要提高入射角，以便能保证覆盖的均衡。

“之”字形布局

（2）掠射角的选取

掠射角就是基站天线主板方向和铁路之间形成的夹角，在掠射角越小的情况下，列车穿越时就会有越大的损耗。所以，一般都会将掠射角控制在15°以上，而对于一些站间距比较远的位置，应该将掠射角控制在10°以下。

3.4 方案覆盖效果分析

在采用该方案完成覆盖之后，整个路段都有非常好的5G覆盖效果，经过测试，RSRP的均值为-86.27dBm，满足5G的覆盖需求。下载的体验情况上，该地的平均下载速度达到了378.65M/s，下载峰值速度为602.68M/s;上传平局速录为28.93M/s，峰值速率为87.50M/s，证明测试效果良好。

通过针对该路段的分析，通过使用大功率的8T8R基站设备，以及结合多小区合并策略，保证了5G的覆盖效果，而且充分使用过去的铁塔资源，优化了建设。在测试的过程中，并没有出现切换而导致的掉线或者终端5G脱离，并且经过和4G网络速度的比对，5G速度超越4G在20倍以上，能够满足用户的使用需求。

4结束语

虽然目前5G网络主要部署在城市当中，但是对于高铁覆盖的优化设计以及优化，也需要进行探究。高铁环境具有明显的特殊性，所以对于无线覆盖有更高的要求，在对无线覆盖进行优化时，需要针对不同的场景都进行设计，选择合理的技术以满足覆盖的需求，减少信号的干扰等问题。在规划的过程中，应该尽量使用SA网络构架，并且确保覆盖的连续性，做好优化工作，避免网络速度回落，根据不同的场景采取对应的部署策略。

参考文献

[1] 田桂宾，许勇，石朗昱.高铁无线网络特殊场景覆盖解决方案[J].电信工程技术与标准化，2011（7）：27-31.

作者简介

张海（1985-），男，贵州遵义人;职称：中级职称，现就职单位：贵州省邮电规划设计院有限公司，研究方向：无线通信，主要包括室内分布覆盖、高铁高速通信覆盖等，滚动规划、智慧化领域研究等。