（2020年度“华苏杯”获奖论文三等奖）5G高铁感知优化特性研究

梅立鑫 朱序均 张 燕 褚 旭

中国联合网络通信集团有限公司苏州分公司

0 引言

高铁作为用户口碑里最重要的场景之一，历来是“运营商”必争之地。苏州联通率先启动高铁5G试验项目，经过验证1000 m站间距无法连续覆盖，600 m以内站间距覆盖连续，平均速率可达360 Mbps，600 m效果更优；50 m站轨距覆盖远站下弱，150 m站轨距覆盖短，需根据不同站间距选择合适站轨距。持续探索高铁网络建设最优方案，为后续高铁5G网络规划总结经验。

1 概述

1.1 5G高铁覆盖目标

（1）连续覆盖目标与4G一致：RSRP＞-110dB占比大于95%。（2）速率感知高于4G：小区边缘下行大于25 Mbps，上行大于1 Mbps。

1.2 5G高铁覆盖挑战

（1）频偏更大，多普勒频偏带来的接收机解调性能恶化；（2）切换更频繁，3.5G站间距更小，多通道RF的小区合并更困难，MU多流配对复杂；（3）车体穿损更大，3.5G相对1.8G频段差异，新型全封闭高速列车的穿透损耗进一步加大。

2 5G高铁感知优化分析

2.1 高铁频偏分析

3.5G相对1.8G频偏增大一倍。我国的高铁列车速度可高达300 km/h～500 km/h，这么快的速度会产生多普勒频移，导致基站的发射和接收频率不一致。高铁的速度越快，频偏也越大，这将导致基站信号接收性能下降，高速引起的大频偏对于接收机解调性能的提升是一个极大的挑战。多普勒频偏增大带来接收机解调性能恶化，3.5G相对1.8G频偏增大一倍，对纠偏算法的性能要求更高。

2.2 切换分析

3.5G站间距小导致切换更频繁，影响用户感知。为保障3.5G连续覆盖，若站间距从1 km缩小到0.5 km，切换频率增大一倍，会产生频繁的小区切换、重选。如果高铁覆盖的切换带设置不合理、切换参数设置不合理的话，将会导致高铁用户在高铁上切换时产生切换较慢、切换失败、掉线等网络问题。

2.3 覆盖分析

3.5G相对1.8G车体穿损和传播损耗大。

空间传播损耗，3.5G相比1.8G大6 dB。

车体穿透损耗，3.5G在CR380B穿损值30 dB，3.5G相比1.8G大3～5 dB，CR400B穿损36.4 dB。

新车型穿损值越来越大：CR400B＞CR400A＞CR380B；铁塔测试，CR400A穿损33.7 dB，CR400B穿损36.4 dB。

小区间重叠覆盖分析：高铁线路场景小区覆盖半径需增加84 m。重叠覆盖带设计如图1所示，NR重叠覆盖切换带分析详见表1。

表1 NR重叠覆盖切换带分析

图1 重叠覆盖设计示意图

2.4 容量分析

由于容量问题，4G高铁SFN小区合并已经走向拆分。

跨站SFN小区合并拆分，可显著降低小区PRB负荷和提升用户感知，5G HyperCell方案具有优势。

3 建设方案及其优化设计

3.1 建设方案

线路场景：8T满足500 m站间距，技术成熟，可提前商用。

覆盖：8T满足500 m站间距要求，2/4T无法满足一般站间距规划，8T可满足500-650 m站间距覆盖。

不同站距仿真如图2所示。

图2 不同站距仿真

容量：32T容量是8T的1.25倍，用户感知速率是8T的1.27倍。

32T理论上覆盖好于8T，容量略高于8T，但小区合并、波束赋形算法难度大、要求高，还处技术论证阶段。

综合考虑成本、技术成熟度，建议高铁建设全线8T覆盖。建议站间距500 m，最大不超过600～650 m。

苏州本次高铁验证场景数据“线路场景”，不涉及隧道等场景。线路场景高铁5G采用8TRRU+天线叠加方案，如图3所示。

图3 高铁5G RRU+天线

本次高铁5G性能验证测试，5G站点分布如图4所示。

图4 高铁5G站点分布图

3.2 优化设计

为解决高铁场景高速引起的大频偏问题，采用5G纠偏技术和5G HyperCell特性，通过对高铁站间距和站轨距的进一步探索，实现感知速率和用户体验快速提升的效果。

3.2.1 5G纠偏方案：上行纠偏+下行预纠偏技术可应对多普勒频偏

（1）上行：5G基于Additional DMRS的频偏估计和校正，解决高速频偏问题。

（2）下行：下行预纠偏算法，降低终端接收偏移量，提升终端纠偏能力；下行预纠偏原理，基站根据用户在两个小区的上行频偏量，对两相邻小区下行数据分别进行一定程度的预纠偏，从而减少抱杆间用户的频偏量，进而提升下行速率和用户体验。

（3）测试验证：高速特性打开后，高铁实测下行速率由70 Mbps提升至106 Mbps，用户感知速率提升51%。

3.2.2 小区合并：本站2扇区+跨站多扇区合并

5G小区合并方案：5G HyperCell相比4G SFN增强，同时提升容量。如表2所示。

表2 5G HyperCell与4G SFN对比

合并优点，控制信道、业务信道在各TRP之间独立调度；各TRP可独立空分复用调度，容量等于多个TRP之和；独立发送避免了交叠区正负频偏问题，如图5所示。

图5 TPR示意图

高铁在高速移动过程中，对小区切换要求较高，需在有限时间内完成切换，小区合并后原来多个单RRU小区之间的切换区域变成了同小区接力点，可减少切换，扩大单小区覆盖距离，降低网络中UE的小区重选、小区切换的概率，降低掉线率，可有效提升用户体验和网络质量。

以BBU为基准多扇区合并：往返整体覆盖基本持平，部分站点由于合并后覆盖范围变大，边缘覆盖稍差，速率由110 Mpbs提升至240 Mbps左右。

在目前5G站点分布不连续的情况下，本站2扇区合并后覆盖指标略优于跨站多扇区合并，如若NR站点连续覆盖，在低负荷情况下建议跨站多扇区合并。

在目前5G站点分布不连续的情况下，本站2扇区合并后覆盖指标略优于跨站多扇区合并，如若NR站点连续覆盖，在低负荷情况下建议跨站多扇区合并。

3.2.3 站间距验证：以实际落地600 m与1000 m对比

（1）不同站间距，对比5G掉线率、覆盖，需寻找最佳站点分布方案来满足铁路覆盖；

（2）站间距600 m以内，5G信号可连续覆盖，平均速率在360 Mbps左右，整体覆盖电平值均在-100 dBm以上。为保证连续覆盖，5G站点站间距需尽量满足600 m左右。

3.2.4 站轨距验证：基于600m站间距可连续覆盖

挑选同等站高，站轨距50 m、150 m的两个站点对比验证。合适的天馈方位角与下倾角可最大程度上满足铁路覆盖需求，不同站轨距存在较大差异，需寻找出不同站轨距各自合适的方位角与下倾角（塔高均在35 m左右，铁路高架在10 m左右），随着扇区夹角变大，覆盖距离（＞-100 dBm）先增大在变小，夹角中心电平先变好再变差，说明110度是比较合适的扇区夹角；当扇区夹角130度时覆盖距离缩短，说明夹角增大到110度后下倾角对覆盖距离影响明显。

（1）50 m站轨距，选取很少能占用的唯亭印刷厂基站。

扇区夹角90度时，下倾角12、13组比9、10组的覆盖距离短50 m，但中心电平要强5 dB；

扇区夹角110度时，覆盖距离基本相同，但下倾角9、10的中心电平要强7 dB；

扇区夹角130度时，下倾角7、8比5、6的覆盖距离长70 m，中心电平也强8 dB，都比下倾9、10覆盖距离远中心电平强。

（2）150 m站轨距，选取正仪立交基站。

扇区夹角70度时，覆盖距离和扇区夹角中心电平基本相同，两组下倾效果差不多；

扇区夹角90度时，下倾角7、8的覆盖距离比9、10的远310 m，但中心电平却低5 dB；

扇区夹角110度时，下倾角4、5和7、8覆盖距离差不多，中心电平相差4 dB，都比下倾9、10覆盖距离远340 m，但电平弱5 dB左右。

3.3 验证总结

经过5G纠偏特性开通，5G HyperCell特性小区合并，接入类和切换类特性参数优化，现场对5G站点的方位角及下倾角优化，使高铁场景5G网络体验达到最优，最后对高铁5G进行对比测试，复测后覆盖和下载速率提升明显，其中苏州至昆山南RSRP均值由优化前的-100.6 dBm提升至-90.6 dBm，提升9.67 dB，详见表3。SINR均值由优化前的11.57 dB提升至16.2 dB，提升4.63 dB，由于覆盖及质量的显著提升，调度及速率大幅提升，平均速率由优化前的15.36 Mbps提升至285.71 Mbps，提升270.35 Mbps。8T覆盖的建设方案和5G纠偏特性、5G HyperCell特性等优化设计完美结合，最终实现5G高铁感知发生质的飞跃。

表3 高铁5G测试结果对比

4 结束语

苏州联通高铁5G试验网，通过多普勒频偏特性开通、5G HyperCell特性小区合并、不同站轨距、站间距的合适方位角下倾角的多角度验证优化，在全面分析的基础上形成清晰的5G高铁感知优化思路，将8T覆盖的建设方案和5G纠偏特性、5G HyperCell特性等优化设计相结合，实现5G高铁感知快速提升。但由于高铁场景建网初期，高铁特性的使用效果受限于5G建设规模，5G站点在不连续覆盖的情况下只能进行本站2扇区合并才有较好的效果，超过600 m站间距不能保证5G高铁连续覆盖，连续覆盖路段站轨距超过150 m高铁感知会出现下降。后续建议一是要加大高铁5G站点建设，二是继续对5G纠偏特性、5G HyperCell特性、接入类和切换类特性参数进行深入研究，挖掘5G高铁感知优化新思路和新方法，为5G高铁密集组网感知优化奠定基础及储备技术。