高铁场景5G 覆盖策略研究

2023-11-22龚陈宝

江苏通信 2023年5期

关键词：频段损耗基站

龚陈宝

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

5G 相比4G 具有带宽大、延时小、支持更高移动速率及接纳更多连接用户数的优势，而高铁具有瞬时用户数多、速度快、多普勒频移效应明显等特殊性，尽快实现高铁5G 网络全覆盖至关重要。

1 高铁场景覆盖难点

1.1 列车穿透损耗大

高速列车采用密闭式厢体设计，安全舒适的车厢设计增大了车体损耗，22 种类型的CRH（中国高铁）列车具有不同的穿透损耗，损耗最大的列车车型高达40dB。

1.2 多谱勒效应明显

目前沪宁高铁上运行的列车主要以CRH2C 和CRH380D型为主，京沪高铁上运行的列车以CRH380B 与复兴号CR400列车为主。多普勒频偏如图1 所示。

图1 多谱勒频偏

根据多普勒原理，在移动通信中，当移动台移向基站时频率变高，远离基站时频率变低，计算出目前高铁会带来的多普勒频偏，详情见表1 所示。

表1 各频段不同速率多谱勒偏移量

可以看出，速度越快频率越高，带来的多普勒频偏影响越大，在车速350 公里/小时的情况下，3.5G 上行的频偏达到了2.2KHz。虽然NR（新空口）3.5G 使用了100M 的宽频带，但由于子载波都是使用30Khz 的小带宽，所以频偏对接收机性能下降影响较大，终端极易上行失步，导致接入失败等现象。

1.3 高铁覆盖场景复杂

我国幅员广阔，地形复杂多样，高速铁路穿越的区域类型多种多样，一条高速铁路可能经过市区、郊区、乡镇和农村等多个行政区域，贯穿了多种地形地貌，如平原、山地、丘陵，以及长江大桥、隧道等特殊场景，不同的场景需要采取不一样的覆盖策略，才能在投入和覆盖效果方面取得最优的平衡。

2 高铁场景5G 覆盖策略

2.1 5G 覆盖规划策略

（1）BBU 规整及站间距原则

目前5G 采用100M 带宽，一个BBU（基带处理单元）有12 个光口对接小区，沿线每个基站采用两个扇区覆盖高铁，经过估算和现场测试验证，可以对连续6 个高铁站进行小区合并，减少切换且无容量拥塞问题，所以在建设高铁专网之前，需提前对BBU 进行机房规整，方便后续合并小区。

（2）高速铁路线路覆盖原则

电波在自由空间传播损耗=32.4+20lgD+20lgF。

D 为距离，单位：Km；F 为频率，单位：MHz。

所以距离一定的情况下，频率越高，损耗越大，3.5G 频段相比1.8G 频段损耗大6dB 左右。

根据传播损耗模型：终端接收功率=基站发射功率-自由空间传播损耗-车体损耗

如将终端接收功率RSRP（参考信号接收功率）=-105dBm，设为小区覆盖边缘信号接收强度，可以得到基站此时的小区边缘覆盖距离R。

站轨距与掠射角的关系如图2 所示。

图2 站轨距与掠射角关系

通过实测验证，我们确定了高铁5G 覆盖如下原则：

（1）站轨距及高度

NR3.5G 站点距离轨道150-250 米、高于铁轨15-20 米效果最佳，目前江苏境内高铁大部分都是采用高架架设，从而杜绝与其它铁路的相互影响及受到破坏，高架的高铁基本在15～20米之间，所以一般天线挂高要求在35～40 米。

（2）天线选用

虽然4G 和5G 的穿透损耗、最小掠射角基本相同，但路径损耗差别大，单站覆盖距离相差500 米，所以建议站间距较大路段，5G 原则上使用8TR 高性能天线。

（3）信源选择

由于当前AAU（有源天线单元）暂不支持高速特性，沪宁线路又特别繁忙，江苏高铁沪宁线基站都是采用BBU+RRU（射频拉远单元）覆盖。江苏境内高铁穿越市县城区，特别是沪宁高铁穿越了最繁华的苏锡常等苏南5 个地市的核心城区，高铁沿线基站都是以覆盖高铁为主，其它区域为辅。

（4）下凹地形

如图3 所示，狭长地形的特点是地形内凹，具有一定方向性，天线挂高要充分考虑地势的影响，以便信号有效覆盖。

图3 下凹地形示意图

典型下凹地形站轨距离如表2 所示。

表2 下凹地形站轨距离值（单位：米）

其他一些常规布站原则：对于直线铁轨，最佳为“之”字形布站方式，基站沿铁路线两侧交叉分布；“）”型弯道铁轨列车轨道弯曲部分布站时，站点要选择在曲线弯曲的内侧。

高速铁路隧道覆盖原则：

（1）短隧道

沿用现网的覆盖方式，采用H 杆+RRU，通过拉远方式在隧道口室外信号内打，实现对隧道及隧道外延伸区域的覆盖。

（2）长隧道

采用泄漏电缆进行覆盖，漏缆安装高度一般在车窗上方位置的隧道墙壁，更贴近于用户终端，为了保证隧道内外信号的平稳过渡切换，在隧道两端要设置外打天线，对于隧道覆盖应充分考虑泄漏电缆的使用，隧道内应采用低耦合损耗、低衰减的泄漏电缆。通过链路预算可以知道，目前铁路上每500 米一个洞室能满足NR3.5G 信源的放置要求，但真正信源的放置位置要结合与铁路部门的协调来具体确定。

2.2 5G 射频优化策略

5G 较4G 具有频段高、绕射能力差、覆盖距离短的特点，相应的5G 天线较4G 天线波瓣更窄、增益更高。针对这一规律，通过理论和大量的测试实践归纳总结，得出5G 的SINR（信噪比）和邻区内6dB 内分支数存在紧密的关联关系，邻区中存在6dB 内1 路/2 路/3 路分支时，最强SINR 分别对应20dB/15dB/10dB，因此对于铁路沿线RSRP 高于-85dBm 区域6dB 内少于2 路信号时，可以达到网络质量更优。

2.3 5G 参数优化策略

2.3.1 采用专用频段覆盖

目前中国电信大网采用3.4G-3.5G 频段覆盖，电信和联通5G 一张网，还有联通的100M 带宽没有使用，高铁NR3.5G 采用3.5G-3.6G 专用频段覆盖，信号更加纯净，覆盖质量更优。

2.3.2 高速标签

高铁多谱勒效应明显，特别是上行随机接入极易失败，发生上行失步脱网现象，国内当前两家主流设备厂家，5G RRU都是支持高速特性的，AAU 暂不支持，覆盖高铁线路5G 基站开通前需提前和厂家沟通好高速license，以免开通后小区不支持高速特性。

2.3.3 5G 切换参数及4/5G 互操作策略

（1）5G 切换参数

将5G 同频切换参数A3 偏置与迟滞都由默认值3 和3 设置成1 和1，及早触发切换，将timetotriger（时间触发器）由默认值320ms 设置成40ms，及早切换成功。

（2）4/5G 互操作策略

在5G 连续覆盖路段，优先驻留在5G 网络；4/5G 边界，将4/5G 互操作参数配置成早触发、早切换完成，防止信号急剧劣化，来不及切换拖死现象。

3 高铁场景5G 覆盖试点验证

试验路段选取：选取京沪高铁南京北段，从安徽边界至浦口上张南8 公里左右，涉及高铁沿线16 个5G 基站，对连续4 个基站8 个小区进行BBU 规整合并，以减少切换次数，采用3.5G-3.6G 专用频段。对测试日志进行统计分析，试验路段覆盖率达到99.24%，应用层平均下行速率214Mbps，应用层平均上行速率62Mbps，用户使用感知良好。