基于高铁环境下的5G网络建设与规划

何 丽

（中移铁通有限公司云南分公司，昆明 650000）

1 概述

随着信息通信技术进步和网络应用场景扩展，人们对移动通信网络的传输速率要求越来越高，移动通信技术也从2G、3G、4G，逐步演进到第五代移动通信系统（5G）。2018年5月，国际移动标准化组织3GPP工作组在韩国釜山召开了5G第一阶段标准制定的最后一次会议，确定了3GPP R15标准的全部内容，并于6月正式完成并发布首个真正完整意义的国际5G第一阶段标准。随后中国三大运营商开始在上海等试点城市进行5G部署和规划工作。2019年6月，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。5G网络速度更快、容量更大、连接更多，具有增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband， eMBB）、高 可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications， uRLLC）、海 量 机 器 类 通 信（massive Machine Type Communications，mMTC）等3大场景，将为移动通信领域带来革命性变化，助力形成万物互联的网络社会。5G将与垂直行业进行深度融合，匹配垂直行业需求。目前高铁下一代移动通信将采用5G技术，所以研究在高铁环境下如何建设好5G网络具有重要意义，是推进5G网络在不同场景下建设的重点内容。

本文针对不同的5G网络部署，结合高铁环境，对5G网络在高速铁路环境下部署的参数以及面临的问题进行研究，并给出一些适用的部署方案。

2 5G组网形态

5G具有高速度、高可靠性、低延时、广连接等特点，网络划分核心网和无线接入网，其中无线接入网的节点有两种，分别是改造升级后的增强型4G基站（ng-eNB）和5G基站（gNB）。gNB与ng-eNB都可以提供用户面和数据面管理，包括无线信号频率资源管理，无线连接建立、管理、控制，上行、下行信道用户应用服务调度，数据压缩、加密、监督和纠错，接入和移动性管理，用户端口管理等。要在高铁环境下实现5G应用，首先需要建设和部署5G网络，参考网络结构如图1所示。

图1 5G网络结构Fig.1 5G network structure diagram

目前5G无线接入网（RAN）有两种部署方式，分别为独立组网（Stand Alone，SA）与非独立组网（Non-Standalone，NSA）。SA独立组网指的是从零开始新建5G网络，包括基站、回程链路和核心网。NSA非独立组网指的是利用现有4G基础设施对5G网络进行部署，基于NSA架构的5G承载仅承载用户数据，控制信令仍然通过4G网络传输。5G NSA非独立组网和SA独立组网的设备连接实现形式如图2所示。

图2 5G独立组网与非独立组网Fig.2 5G independent network and non-independent network

5G NSA非独立组网的设备连接形态为移动台通过4G基站或5G基站连接4G核心网。5G SA独立组网的设备连接形态为移动台通过5G基站连接5G核心网。5G NSA非独立组网有2种体系，分别是2系和5系。5G SA独立组网共有3种体系，分别是3系、4系、7系，其中3系又细分为选项3、选项3a和选项3x，4系又细分为选项4和选项4a，7系又细分为选项7、选项7a和选项7x。这样一来，5G NSA非独立组网和独立组网共有10种部署方案，可以进行灵活部署。这10种部署方案如图3所示。

图3 10种5G组网部署方式Fig.3 10 5G network deployment modes

对于SA独立组网，2系和5系的相同之处就是他们使用的都是5G核心网，不同之处则是基站设备有所差异。2系就是仅使用5G核心网和5G基站进行部署，是5G的未来发展方向和最终形态。5系则是目前的过渡方案，需要对现有的4G基站进行改造升级，由原来的4G基站LTE eNB升级为增强型4G基站eLTE eNB，由增强型4G基站eLTE eNB代替5G基站建立与5G核心网的连接。

3 高铁环境下的无线信道

高速铁路环境的分类如图4所示。由于地形环境的不同，从移动台发送携带信息的电磁波会进行散射、绕射、反射等物理现象。此外，电磁波传播还存在链路损耗和空间衰落，如多径效应、大尺度衰落等。因此，对高铁环境进行分类并根据各自信道特点进行信道模型的构建对分析高铁5G网络的部署十分有必要。其次在高铁满载时或者在高铁站等人员密集场所势必会引起拥塞、掉话等现象，通过合理地对高铁环境下的5G网络规划，改善提高信道容量、提高信息传输速率进而改善用户体验也很有必要。

图4 高铁典型场景Fig.4 Typical scene of high-speed railway

高速铁路环境下建立信道模型的基础方法有两种，分别为确知性信道建模和随机性信道建模。对于随机性信道建模或者参数建模法，更多依赖于信道测量数据，如表1所示，从中提取信道特征并总结出其满足的多维概率密度函数、分布函数等概率特性进行随机性信道建模。

表1 高铁无线信道测量数据Tab.1 Wireless channel test data of high-speed railway

4 高铁环境下的5G建设与规划

国际电信联盟给出了不同频率电磁波在不同天气条件下的空间传播损耗，如图5所示。

图5 不同频率电磁波在不同天气条件下的空间传播损耗Fig.5 Space propagation loss of electromagnetic waves of different frequencies under different weather conditions

目前公网5G网络建设主要基于Sub6 GHz频段，带宽分配情况为：中国电信占用3.4～3.5 GHz频段，中国联通占用3.5～3.6 GHz，中国移动占用2 515～2 615 MHz和4.8～4.9 GHz，中 国广 电 占 用4.9～5 GHz，4家 运 营 商 共 用3.3～3.4 GHz进行室内覆盖。高速铁路5G建设存在两种思路，一种是申请专用频段建设5G专网，另一种是与运营商合作租用5G公网，通过软切片和硬切片的方式保障铁路运输通信业务需求。国内高铁列车运行速度一般在200～500 km/h之间，5G技术应用面临的首要问题将是多普勒效应。高铁列车运行速度越快，多普勒效应越明显。高铁场景下的多普勒频偏模型如图6所示。

图6 多普勒频偏模型Fig.6 Doppler frequency offset model diagram

假设高速铁路中基站顶端与轨道之间的垂直距离为Dmin，高铁距离站轨距离最短点的距离为Ds，时间为t，5G电磁波信号与高铁运动方向之间的夹角为θ(t)，高铁运行速度为v，5G信号无线电波波长为λ，可求得频率偏移的公式如公式（1）所示。

其中：

多普勒频率偏移与高铁运行速度v、电磁波波长λ、电磁波传播方向与高铁运动方向的夹角为θ(t)有关。当高铁运行方向与5G电磁波信号方向夹角小于90°时，多普勒频率偏移为正时，接收端频率增大。反之接收频率减少。

在高铁运行时，信号在4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz频段下的频率偏移分别近似为1.8 GHz频段下的频率频移的3倍、2倍和1.5倍。原有4G基站分布的站间距和抗多普勒频移算法难以解决像5G频段这么高的频率偏移。高铁环境下5G基站应配备装有多普勒频率偏移补偿算法的设备，负责与移动台之间的建立连接，实时监控列车速度与位置，对上行信道采取多普勒频率偏移补偿算法进行补偿，从而改善频偏带来的影响。多普勒频率便宜补偿算法包括基于导频的频偏估算法、循环前缀的频偏估计法、无限环境图的频偏估计法、导频分段的频偏估计等算法。除了物理层要解决多普勒频偏和补偿，高铁网络部署规划也非常重要。网络部署首先要进行链路预算，链路预算步骤如图7所示。

图7 高铁5G通信链路预算步骤Fig.7 5G communication link budget steps of high-speed railway

网络规划最优先考虑的应该是小区覆盖半径，通过对路径损耗进行计算再根据3GPP的标准模型，如Rayce射线跟踪模型等进行基站小区半径规划，进而得到单个5G基站gNB的覆盖面积，再由总的信号覆盖面积得到5G基站gNB的个数与位置规划参数以及小区边缘速率。如果小区半径过大，边缘接收天线的接收功率势必降低，吞吐量下降，容易导致掉话。如果小区半径过小，会引起小区盲点增多，这种情况只能依靠邻近小区补盲。

为了保证高铁环境下车辆两侧良好的信号覆盖，5G基站gNB在轨道两旁以“Z”字形的路线在轨道两侧逐次选址建设，确保在两辆高铁车辆会车时均能够得到比较好的网络质量。为尽量降低车体穿透损耗，需要调整基站高度、基站与高铁轨道之间的站轨距离使得θ（t）≥10°，站轨距离控制在35～120 m范围内，基站与高铁之间的最小距离保持在80～200 m之间。高铁列车经过隧道时，采用泄露电缆可以解决基站无法在隧道中覆盖的问题。高铁列车经停高铁站时，推荐采用数字化分室覆盖。采用多种移动通信数字化技术混合部署如（4G与5G混合部署的非独立组网NSA）或者额外增加5G数字化分室模块进行部署。

5 结论

本文主要阐述了5G网络与高铁建设的研究背景及意义，介绍国内外5G网络部署的发展现状以及5G无线接入网的部署种类与方法，给出高铁5G网络的无线信道分类及测量数据，分析指出多普勒频率偏移问题是影响高速铁路5G部署的关键问题之一，需要采用有效的抗多普勒频移算法及设备，在5G网络部署前须进行完善的链路预算。