高铁多场景5G网络规划和性能验证

王 佐，曾 伟，李长长，宋 扬，解 觯（中国联通北京分公司，北京 100038）

1 概述

随着我国5G 基站的快速建设，5G 网络已经覆盖全国所有地级市城区和绝大部分县城城区。高铁作为中国名片，350 km/h的时速大幅提升旅客出行效率，而高铁场景5G 网络建设相对于其他场景相对滞后。为高铁旅客提供良好的5G网络服务，对提升运营商口碑具有重要意义。

高铁场景具有移动速度快、信号穿损大、多普勒频偏大的特点，对高铁5G网络建设和覆盖提出了更大的挑战。当前4G 网络负荷仍较高，2.1 GHz 频率资源暂不能完全重耕为5G，本文以3.5 GHz作为高铁5G 主承载频率，建设采用中国联通和中国电信共建共享一张网的方式，介绍了高铁场景的设备选型以及包括线路、声屏障和隧道场景在内的规划建议和高铁5G专网方案，提出隧道5G 网络建设的改进方案，结合某高铁全线5G网络覆盖实测数据对方案进行了验证。

2 高铁5G网络面临的挑战

2.1 多普勒频偏

5G 对移动性的支持达到500 km/h，国内高铁运行速度高达250～350 km/h，多普勒频偏较大，中国联通和中国电信NR3.5 的频偏更高，且上行方向多普勒频偏的影响要大于下行方向。在不考虑基站和终端本地晶振精度偏差的前提下，多普勒频偏如表1所示。

表1 上行方向最大频偏（单位：Hz）

2.2 车体穿透损耗

高铁车体对无线信号穿透损耗大，“和谐号”高速列车动车组在1.8～2.1 GHz频段穿透损耗为15～20 dB，“复兴号”高速列车动车组在1.8～2.1 GHz 频段穿透损耗为25～30 dB，在3.5 GHz 频段的穿透损耗为30～35 dB。

2.3 频繁切换

相比4G 的1.8～2.1 GHz 频段，为保证覆盖，5G 在3.5 GHz组网需求更密的站间距，导致高铁用户大量频繁切换，影响用户业务感知。

3 高铁5G宏站规划

3.1 业务速率需求

不同网络应用对业务速率的需求也不尽相同（见表2）。即时通信、网页浏览、在线游戏、文件传输以及720P 和1080P 视频等业务对下行业务速率要求为256 kbit/s～5 Mbit/s；4K 超高清视频对下行业务速率要求最低为20 Mbit/s，VR 4K（虚拟现实）则对下行业务速率要求为50 Mbit/s 以上。视频会话对上行业务速率需求为256 kbit/s～1 Mbit/s，高清及超高清视频直播对上行业务需求分别为2～5 Mbit/s和20 Mbit/s。

表2 不同应用对业务速率要求

3.2 设备选型

5G 宏站射频设备主要分为AAU、32TR RRU、8TRRRU 和4TR RRU。为减少高铁在高速行驶过程中终端在一定时间内发生多小区间频繁切换，5G设备需具备小区合并功能，即将多个物理小区规划为同一个逻辑小区，使用户感知不到切换。小区合并功能在基带实现，复杂度高，当前AAU 和32TR RRU 设备不具备该功能，车速大于100 km/h 的路段沿线采用支持小区合并的大功率8TR RRU 设备，小区合并功能如图1 所示，目前已有设备厂家支持最大12 个超级小区合并。8TR RRU 设备成本要明显低于64TR 的AAU，采用中国电信和中国联通共建共享也可进一步节省投资。

图1 小区合并示意

设备需具备高速纠偏功能。高速纠偏分为上行频率补偿与下行预纠偏。下行预纠偏，基站根据终端在2 个小区的上行频偏量，对相邻2 个小区下行数据分别进行一定程度的预纠偏，减少用户频偏，提升下行业务能力。上行频率补偿技术可快速准确地跟踪系统上行频偏，配置为高速小区后，基于Additional DMRS的频偏估计和校正，解决高速频偏问题。

3.3 站距规划

在某高铁沿线搭建了高铁5G实验网，采用商用终端在高铁车厢内测试，结合单站边缘覆盖电平、下载和上传业务速率确定NR3.5宏站站间距和站轨距。

高铁5G 实验网分为2 期，采用3.5～3.6 GHz 频段100 MHz带宽，子载波间隔为30 kHz，下行和上行时隙配比7∶3。第1 期采用功率为200 W 的AAU 设备，选取高铁设计时速分别230 km/h 和280 km/h 2个路段，2段路平均站间距分别为530 m 和900 m，基站距离铁路的垂直距离（站轨距）为30～200 m，天线挂高超出铁轨10～15 m，不同站轨距的基站覆盖情况如表3 所示，站轨距为80～150 m 时，网络覆盖较好。站轨距和天线挂高的建议配置如表4所示。

表3 不同站轨距对应覆盖情况

表4 站轨距和天线挂高范围

高铁5G 实验网第2 期更换为8×50 W 大功率RRU设备，选取3 个不同站点分别进行FTP 下载和上传业务，测试高铁时速在300 km/h 以上路段，基站满功率发射时高铁车厢内的单站极限拉远能力，参考边缘覆盖电平为-105 dBm 和-110 dBm，测试指标如表5 所示。从表5 可以看出，在边缘覆盖电平为-105 dBm时，高铁车厢内测得的NR3.5 下行覆盖极限拉远距离可达到600 m，下行速率最大可以达到150 Mbit/s，但由于上行覆盖受限，在上传业务中，在边缘覆盖电平为-105 dBm时，上行边缘速率最差为0.5 Mbit/s。在边缘覆盖电平为-110 dBm 时，测得下行覆盖极限拉远距离最远可达到700 m，而上行边缘速率则低至0.2 Mbit/s。

表5 单站拉远测试

如表6所示，考虑到5G上行覆盖受限，选取3个实验站，测得终端在上行边缘业务速率为5 Mbit/s 时，基站单边覆盖距离为403 m、348 m、409 m。站间距（沿铁轨直线距离）计算如下。

表6 单站拉远上传业务5 Mbit/s对应单边覆盖距离

a）预留小区间切换迟滞为1 dB，对应切换迟滞距离约为50 m；切换测量上报时间为320 ms，切换执行时间为40 ms，按照350 km/h 车速，可计算出切换测量和执行距离为35 m，则单边切换带距离总和为85 m，如图2所示。

图2 小区切换带距离计算

b）表6 中“基站投影与终端沿铁轨距离”表示基站在铁轨上的投影点与终端之间的直线距离，根据式（1），可通过与路测中“覆盖半径”（终端与基站距离）与实际“站轨距”之间的三角关系计算得到，分别为378 m、285 m、384 m。

c）将a）和b）中的计算值代入式（1），可计算出沿铁轨直线方向的站间距分别为586 m、400 m、598 m。考虑到将来扩容二载波，分配到每个载波的功率将下降3 dB，因此如果NR3.5 作为高铁5G 主覆盖频点，则一般建议站间距控制在400～500 m，站轨距为80～150 m（见表4），天线挂高要求高于铁轨15 m以上为宜。

3.4 高铁5G宏站选址规划

直线、弯路、交叉的高铁线路建议采用以下方案。

a）直线铁路。为保证高铁车厢两侧座位覆盖均衡，采用“之”字型交叉覆盖。

b）非直线铁路。为保证信号有更大的掠射角，减小信号快衰，基站建设在列车运行线路拐弯的“弧”内（见图3）。

图3 直线和非直线铁路基站选址

c）交叉铁路。在交叉口处的多个基站做2 个或2个以上基站的超级小区合并，避免交叉口多个小区信号之间的干扰（见图4，虚线框内基站做小区合并）。

4 隧道场景规划

某高铁沿途经过4个隧道，隧道总里程24 km。根据施工、安全以及对信号辐射均匀的要求，隧道内采用支持1.7～3.6 GHz 的宽频5/4 型号等电平低损耗泄漏电缆的方式覆盖。

4.1 隧道场景方案

隧道口设立场坪站（隧道口挂设板状天线）将隧道内信号外引，与隧道外宏站切换，避免将切换带设置在隧道口。根据长隧道、短隧道、隧道群场景，分为以下几个情形（见图5）。

图5 隧道规划

a）独立隧道。隧道内部采用泄露电缆覆盖，隧道口设立场坪站。

b）间隔小于200 m的隧道群。通过相邻隧道场坪站完成隧道外覆盖衔接，相邻隧道的2 个场坪站合并为1个小区。

c）间隔大于200 m 的隧道群。新增宏基站完成2段隧道间覆盖衔接，宏站与相邻两隧道的场坪站配置为合并小区。

场坪站建议通过RRU 连接定向板状天线的方式，其优点为：RRU 直连天线，提供更大功率，故障率低，且故障可监控；而采用泄露电缆连接天线中间连接跳线等器件，故障率高。

4.2 泄漏电缆链路预算

低损耗等电平5/4型号泄漏电缆在3.5～3.6 GHz频段在250 m 处的综合损耗约为85 dB。高铁隧道安装公网通信设备洞室间距约为500 m，隧道内单侧墙壁安装设备和泄漏电缆，据此估算NR3.5 边缘覆盖电平如表7 所示。由于泄漏电缆对信号损耗较大，8×30 W（8×50 W 同理）RRU 无法满足单边250 m 的覆盖需求；POI 插损大，大功率2×160 W RRU 仅能满足基本下行连续覆盖。对于RRU设备洞室间距大于500 m的隧道路段，NR3.5仍然做不到完全连续覆盖。

4.3 某高铁隧道室内分布改进方案

该高铁线路于2019 年底通车时仅有8×30 W 的8T8R RRU 可用。尽管不通过POI，RRU 直接连接2 根5/4 型号泄漏电缆，实测仍无法满足隧道内连续覆盖，5G 驻留比仅为50%左右。为进一步提升隧道5G 信号覆盖，改为采用大功率NR3.5 设备（2×160 W），同时为提升5G 上行能力，安装4T4R NR2.1 RRU。从表7 可以看到，POI有5 dB的插损，可通过采用高品质合路器进行替换的方式将该损耗降低至1 dB 左右。因此，隧道内升级改造方案为每个设备洞室安装2 套2×160 W大功率RRU，每套RRU 的2 个通道分别与4T4R NR2.1 RRU 的2 个通道通过2 输入单输出宽频合路器（不采用POI）进行合路，分别连接2 根漏缆断点。2 根漏缆共4 个断点，可供2 个2T2R NR3.5 RRU 与1 个4T4R NR2.1 RRU通过4个合路器相连，如图6所示。

图6 某高铁隧道5G设备连接

对于NR3.5 覆盖边缘的路段，也可通过策略重选或切换到同覆盖的NR2.1 网络，进一步保证隧道全程5G 覆盖能力。以上是单侧铺设漏缆的情况，如隧道内采用双侧墙壁铺设漏缆，可将洞室间距缩短至250 m（两侧洞室交替），可进一步提升覆盖，但成本高。

5 声屏障网络规划

某高铁途经4 个声屏障，单洞双轨，总里程为2.5 km，墙体厚30 cm 左右，主体材质为混凝土，对信号屏蔽较大。声屏障的结构各不相同，针对不同结构的声屏障的规划建设方案如下。

5.1 声屏障A

声屏障A为全封闭式声屏障，墙壁有窗户，窗户高度不同，不能完全由宏站通过窗户将信号覆盖到高铁车厢。采用宏微结合的方法，声屏障内侧在架立柱上植入化学锚栓，通过角钢连接解决漏缆挂载难题，同时外侧采用宏站补充覆盖，为避免干扰，漏缆和宏站小区在同BBU开通小区合并。

5.2 声屏障B和D

声屏障B 和D 为半封闭与全封闭式相结合，半封闭路段一侧有混凝土墙，一侧无墙。半封闭路段在无墙一侧建设宏站，全封闭路段在有墙壁有窗户一侧建设宏站。

5.3 声屏障C

针对全封闭式且无窗的声屏障C，采用挂设泄漏电缆的方式覆盖，洞口设立场坪站。

6 高铁5G切片专网

由于该高铁专列搭载高清视频信号收发和处理系统，为乘客提供实时视频直播。为保障5G直播稳定性和网络服务质量，采用切片技术将该高铁沿线基站隔离出一张5G 虚拟专网。全线5G NR3.5 开通200 MHz 双载波：3.5～3.6 GHz 100 MHz 用于直播行业用户独立专网；3.4～3.5 GHz 100 MHz 供公网用户使用，采用人网卡+独立载波（黑白名单）+5QI4切片+3GNET的保障策略，如图7 所示。在3.5～3.6 GHz 频段对直播用户配置白名单，即仅允许白名单下的行业专网用户接入，禁止普通公网用户接入。在3.4～3.5 GHz频段对直播行业用户配置黑名单，防止行业用户切换至公网频段。

图7 高铁5G切片专网策略

7 某高铁全线测试验证

某高铁北京段，全线5G NR3.5已完成开通并连续覆盖，本章介绍5G覆盖效果验证。

7.1 隧道5G测试

隧道采用NR3.5+NR2.1 SA 组网，采用本文4.2 节所述方案，即2组2×160 W 大功率RRU“双拼”，不采用POI，与NR2.1 设备直接通过合路器连接漏缆的方式，开 通2 个100 MHz NR3.5 载波 和1 个20 MHz NR2.1 载波，TDD NR3.5 下行和上行时隙配比为7∶3，子载波间隔为30 kHz，FDD NR2.1子载波带宽为15 kHz，测试终端为2T4R，终端在同一时刻仅在一个载波上驻留，未开通载波聚合。

NR3.5 测试指标如表8 所示，下载业务平均电平为-98 dBm，SS-RSRP≥-110 dBm 的占比为99.09%，SS-RSRP≥-105 dBm 的占比为91.69%，下载平均速率达到150 Mbit/s，峰值超过400 Mbit/s；上传业务速率受终端上行能力影响较大，由于是单侧布放漏缆（漏缆布放在进京轨道侧的隧道壁），进京方向测试的电平和速率均优于出京方向，出京方向上传速率为6.96 Mbit/s，回京方向上传速率为16.18 Mbit/s。为弥补上行终端覆盖能力的不足，开通NR2.1 作为上行业务补充，测试前3个隧道NR2.1上传数据业务指标如表9所示，在出京方向距离漏缆远侧轨道测试上传平均速率达到25 Mbit/s。

表8 隧道NR3.5测试指标

表9 NR2.1测试隧道上行数据业务指标（出京方向）

7.2 隧道场坪站效果

隧道群内隧道出入口之间通过场坪站（或尾巴天线）完成隧道口之间的信号过渡，切换不设置在隧道口，将切换转移至隧道内或场坪站（或尾巴天线）之间。以其中2 个隧道之间的信号覆盖为例，如图8（a）所示，开通场坪站前，隧道之间的信号电平有明显下降，出现掉线；开通场坪站后，复测结果如图8（b）所示，信号电平连续平滑。

图8 隧道口场坪站开通效果

7.3 声屏障测试指标

声屏障分别采用了漏缆、宏站以及漏缆和宏站结合的方案。声屏障A 由于与隧道相连，在与隧道相接处覆盖稍弱；声屏障B 和D 在全封闭路段的覆盖比半封闭路段略弱。总体下载速率在150～250 Mbit/s，上传速率在15～30 Mbit/s（见表10）。

表10 声屏障测试指标

7.4 线路宏站NR3.5测试指标

高铁全线采用NR3.5 双载波覆盖，每个载波为100 MHz 带宽，专网采用3.5～3.6 GHz 频段，公网采用3.4～3.5 GHz频段，平均站间距为450 m，平均站轨距为90 m，8×50 W 大功率8T8R RRU 外接板状天线，测试终端为2T4R 商用终端。沿线基站根据站址位置、车速等因素分别做了4、6、8、10 和12 小区合并，未开通载波聚合，即测试终端同一时刻仅在一个载波上做数据业务，TDD NR3.5 下行和上行时隙配比为7∶3，子载波间隔为30 kHz。测试结果如表11所示，高铁车厢内实测5G 上行平均速率为37.12 Mbit/s，下行平均速率为230.58 Mbit/s，完全可以满足直播和大速率下载数据业务的要求。

表11 高铁线路宏站数据业务测试指标

8 结束语

本文通过理论分析与实验网测试，对NR3.5 在高铁场景包括线路、声屏障、隧道的设备选型、站址规划以及高铁5G 切片专网做详细介绍，最后提供全线5G网络实测数据以验证网络性能。线路宏站采用8T8R设备可以支持超级小区合并，设备成本明显低于64T64R AAU。隧道5G 没有采用POI，采用2 组2T2R 3.5 GHz大功率RRU与4T4R 2.1 GHz RRU 通过高品质合路器接入漏缆可以显著提升覆盖。隧道口采用场坪站结合小区合并的方式，可以避免洞口信号陡降。声屏障根据建筑特点采用宏站或漏缆方式进行覆盖。全线5G 专网开通，实测数据体现了NR3.5在高铁场景大带宽的优势。