高铁场景的5G无线网络规划及优化-天涯论坛

4lqedz 发表于 2024-8-31 05:39:36

高铁场景的5G无线网络规划及优化

1、引言
随着 5G 网络建设的推动和应用场景的丰富，5G不仅需要满足人们对超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需要，能够为用户供给高清视频、虚拟现实、加强现实、云桌面、在线游戏等极致业务表现， 同期还要渗透到互联网的各个行业，与工业设备、医疗仪器、交通工具等进行深度的融合，实现“万物互联” 的愿景，有效地满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。经过分析5GNR高铁覆盖面临的挑战，科研了高铁场景的网络架构、天线选取、站点选取等方面的网络规划，分析并给出覆盖、切换、随机接入方面的参数优化意见。
2、5G 网络覆盖在高铁场景面临的挑战
在移动通信的网络覆盖中，高铁场景始终是一个很繁杂的场景。高铁列车的封闭性很好、列车速度很快、用户集中、高铁沿线网络覆盖场景的多样化等特征使得5G 网络覆盖在高铁场景中存在有些挑战。
2.1、穿透损耗
参考3GPP协议38.901，区别材质的穿透损耗定义如下：
3GPP 材质穿透损耗模型
<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/icCn5LlzHDuaibMJicjAxWoLd6kL5bWYeBAjzmTtnMlicmGBVTx5BaNNgcKCicUMJnk8tGQa3xSYJd1xuViaWUJCsfag/640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;">
38.901同期定义了高损和低损两种室内穿透损耗计算模型，如下：
3GPP协议室内穿透损耗模型
<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/icCn5LlzHDuaibMJicjAxWoLd6kL5bWYeBA3m271J2Oq0fOVfmSIOPZV2HXmQPqFPp3iasVGNiakU96ehHplkbzFtpg/640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;">
据此计算的各样材质的穿透损耗、室内穿透损耗如下。
3GPP 穿透损耗、室内穿透损耗计算
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链路预算重点思虑高损模型，参考以上计算结果， 意见各个频段的穿透损耗设置如下：
穿透损耗
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日前5GNR 的主流频段在C波段，以中国电信分配的频段为例， 5G运用的重点频段为 3.5GHz~3.6 GHz，这个频段比现有的 LTE 网络1.8GHz的频段高了一倍。按照传播损耗和频率成平方反比的关系，从理论上来讲，3.5GHz频段的传播损耗比1.8 GHz频段高 5.8 dB。穿透损耗与网络运用的频率无知道的线性关系，但针对同一介质来讲，穿透损耗是随着频率的增多而增多。车厢型号区别对应的穿透损耗亦区别，复兴号全封闭的新型列车就会比普通高铁列车穿透损耗更大。从实质测试的状况来看，高铁列车的穿透损耗达到 33dB~36dB，如表所示：
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在3.5GHz频段下，5G 网络在高铁场景有更大的传播损耗和车体穿透损耗。尤其是高铁列车是线状覆盖，倘若基站与高铁列车的入射角更小，信号还会更差。
2. 2、传播损耗
传播模型是链路预算最为重要的几个参数之一。2/3/4G 链路预算中一般采用 Okumura-hata （150MHz~1. 5GHz）、Cost-231 Hata 模型（适用于 1. 5GHz~2GHa），或经过校正的 Atoll/Aircom 标准宏蜂窝传播模型。以上的传模适用的频段均为 2GHz 以内，严格来讲并不适用于 5G 低频 3. 5GHz。日前在 5G 宏站低频 3. 5GHz的链路预算中， 举荐运用 3GPP UMa (Urban Macro) 和 RMa (Rural Macro) 模型。3GPP UMa/RMa 传播模型
5G NR 协议 38. 901、36. 873 中说到了 UMi(Urban Micro ）， UMa(Urban Macro)和RMa(Rural Macro) 三种无线传播模型，其中 UMi 适用于微站场景，宏站链路预算运用的是 UMa 和 RMa。
模型的传播损耗表达式分为 LOS 和 NLOS 两种场景，链路预算我们重点关注NLOS 场景， UMa 和 RMa 的路损表达式均为：
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其中：
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经过两个模型的传播损耗表达式，给定 MAPL 之后，可计算两个传模分别对应的半径。
以 1. 8GHz Mean Urban 环境为例（Cost231-hata Kc=0dB），从下图可看到：
相同路损状况下， UMa 对应的半径大于 Cost231-hata；
1.8GHz 频段，相同覆盖距离状况下， UMa 对应的路径损耗约比 Cost231-hata 低3dB。
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再以3.5GHzMean Urban环境为例（Cost231-hata Kc=0dB），从下图可看到：
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UMa 传播模型修正:UMa 传播模型一个重大争议是公式中的频率项， 亦即 20log10(fc) 。2/3/4G 常用的 cost231-hata 模型中，对应的频率因子是 33. 9。
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亦即，随着频率的提高， cost231-hata 模型计算的路损提高更大，偏悲观；而UMa 计算的路损则会偏小，偏阳光。
参考外场测试数据， 日前产线基线意见将 UMa 频率因子修改为 25，用于 DenseUrban：
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为了将 UMa 适配区别的地物环境，有两种方式：
1、与 Cost231-hata 类似的方式， 经过 K Clutter（Kc）进行调节；当采用方式 1 时， 意见传播模型如下，其中 DU/U/SU 都采用 UMa， 经过 Kc 调节，频率因子取 25；RU 采用 RMa（由于是农村环境，频率因子不进行修正，仍运用20）。这个模型是日前产线基线。
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经过 UMa 的参数平均建筑物高度 h 和平均街道宽度 W 来进行调节。
当采用方式 2 时，可结合当地实质地物状况进行调节。若需保持 4/5G 链路预算半径与产线基线基本持平， 意见的参数取值如下：
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2. 2、多普勒效应带来的频偏
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，引起基站的发射和接收频率不一致。高铁的速度越快，频偏亦越大，这将引起基站信号接收性能下降，高速导致的大频偏针对接收机解调性能的提高是一个极重的挑战。
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当UE与基间的相对移动速度越大，多普勒频移越大。经过计算能够得到表2，5G网络中，基站接收到UE的频偏比 LTE 网络高非常多，已然高于pleamble的子载波间隔 (1.25kHz ) 。
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多普勒频移将使接收频率偏移，产生OFDM符号内和符号间干扰，严重时会导致接收方没法解调出发送方的发射数据，最终导致 UE 没法接入网络。若UE没法支持对应频率和速度下的频偏范围，将会引起UE入网困难、KPI 恶化以及吞吐率下降等性能问题。
2. 3、用户集中多，容量需要大
日前乘坐高铁的用户越来越多，每当高铁过境时，覆盖高铁的基站用户数剧增，移动网络的负荷瞬间飆升。以现有的LTE网络来讲，在高铁列车过境时，RRC连接用户数瞬间飆升100多个，引起瞬间的 PRB 利用率过高，基站负荷过高，用户感知下降。
2. 4、频繁切换重选影响感知
高铁经过的区域较多，路线较长，高铁上用户在运用移动网络时，会产生频繁的小区切换、重选。倘若高铁覆盖的切换带设置不恰当、切换参数设置不恰当的话，将会引起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。
3、5G 网络规划
3. 1、NSA/SA 网络架构
5GNR的组网模式，有 SA(Standalone) 和 NSA(Non-Standalone) 两种方式。
SA 即为独立组网， 包含 Option 2/4/4a 三种组网方式；而 NSA 则是 NR 以 LTE eNB做为掌控面锚点接入 EPC， 包含 Option3/3a/3x/7/7a/7x。
当采用NSA组网时，PUSCH 的信号仅在其中1T发射，因此呢，发射功率将从原来的26dBm降低为 23dBm。同期，参考系统仿真意见，SINR将在 SA 基本上+2dB。亦即，对比SA组网， NSA的MAPL要小 5dB。
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而下行终端依然是 4R 接收，日前暂未思虑 NSA 针对下行链路预算的影响。实质上， 由于 NSA 时上行 SRS 单发，影响赋形性能，下行亦会有约 10%~20%的容量损失。
3. 2、连续覆盖规划
在NSA网络下，锚点网络不连续将引起终端需要进行太多的测绘，影响用户感知速率及终端耗电。高铁车速快，NSA下NR覆盖倘若不连续，会频繁地添加、删除NR辅小区，用户基本没法享受到 5G 带来的高速率服务，因此意见 NSA场景下NR覆盖必定要连续。一样在 SA 网络下，为了避免高铁SA网络不连续覆盖而回落到LTE网络带来的感知下降，SA网络架构下NR亦必须要连续覆盖。
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3. 3、 Massive MIMO 选取
MIMO 技术已然广泛应用于 WIFI、LTE 等。理论上，天线越多，频谱效率和传输靠谱性就越高。详细而言，当前LTE基站的多天线仅在水平方向摆列，只能形成水平方向的波束并且当天线数目较多时，水平摆列会使得天线总尺寸过大从而引起安装困难。而5G的天线设计参考了军用相控阵雷达的思路，目的是更大地提高系统的空间自由度。基于这一思想的 LSAS 技术，经过在水平和垂直方向同期安置天线， 增多了垂直方向的波束维度，并加强了区别用户间的隔离（如图7所示）。同期，有源天线技术的引入还将更好地提高天线性能，降低天线耦合导致能耗损失，使 LSAS 技术的商用化作为可能
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因为 LSAS 能够动态地调节水平和垂直方向的波束， 因此呢能够形成针对用户的特定波束，并利用区别的波束方向区分用户。基于 LSAS 的 3D 波束成形能够供给更细的空域粒度， 加强单用户 MIMO 和多用户 MIMO 的性能。
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同期， LSAS 技术的运用为提高系统容量带来了新的思路。例如， 能够经过半静态地调节垂直方向波束，在垂直方向上经过垂直小区分裂（cell split）区分不同的小区，实现更大的资源复用。
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大规模 MIMO 技术能够由有些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为实现在高频段上进行移动通信供给了广阔的前景，它能够成倍提高无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。
咱们以一个 20 平方厘米的天线理学平面为例， 倘若这些天线以半波长的间距摆列在一个个方格中，则：倘若工作频段为 3. 5GHz，就可安排 16 副天线；如工作频段为 10GHz，就可安排 169 根天线了。
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3D-MIMO 技术在原有的 MIMO 基本上增多了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可避免了相互之间的干扰。协同大规模 MIMO，可实现多方向波束赋型。
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Massive MIMO 是 5G 网络的关键技术， 经过大规模天线能够达到 32T32R、64T64R， 拥有波束赋型和 MU-MIMO 的特性， 能够提高覆盖和容量。但高铁场景下， UE 随着高铁快速移动，无线信道时变非常快，业务波束很难快速捉捕并及时跟踪信道的变化，很难实现波束赋型。同期，高铁场景的用户非常集中，很难达到 MU-MIMO 的用户配对。因此呢，兼顾天线成本，高铁场景下天线不采用 64T64R的大规模天线，而是采用 8T8R 高增益窄波束天线。当高铁穿过城区，车速会放缓，为了兼顾大网的用户，高铁场景下城区区域能够采用 32T32R 天线。
3. 4、高铁覆盖站点规划
按照链路预算办法， 能够得到以下在上行/下行区别边缘速率状况下的上行/下行最大准许 路径损耗的表格
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按照上表能够看出下行准许的最大路径损耗比上行多 17 个 dB, 亦便是说上行的覆盖更易受限。因此呢，以上行 1 Mb/s 的上行最大路径损耗来计算小区的覆盖半径。日前 5G 网络主流频段运用 3. 5 GHz 频段， 况且 在高铁场景下基站大部分都是用宏站，视距传播，以 3GPP38. 901 的传播模型来计算， 能够得到在城区 5G NR 基站的小区覆盖半径为 430m，农村的小区覆盖半径为 570m。
在高铁场景下，基站到铁轨的垂直距离重点和掠射角相关，掠射角越小，穿透损耗就会越大， 通常掠射角不可少于 10° ，基站到铁轨的垂直距离在 100 m 上下。
关于高铁沿线 5G NR 小区的切换时间，从切换的测量、判断、执行的时间来看，通常在 1s 内就能完成切换， 思虑到必定的冗余时间，以高铁 2 s 行驶的距离作为 5G 小区的切换重叠覆盖区，高铁速度根据 350 km/h 来计算，重叠覆盖区即为 194m。
按照边缘速率， 经过链路预算和传播模型的公式， 能够计算得到高铁 5G 小区在城区和农村的覆盖半径。结合 5G 高铁小区的切换重叠覆盖区， 能够计算高铁5G 小区的站间距，在城区场景高铁 5G 小区站间距为 666m，农村场景高铁 5G 小区站间距为 946m。因此呢，高铁 5G 小区的站间距范围为 660m~940 m。
3. 5、高铁重点场景的规划
针对移动通信来讲，高铁是个很繁杂的场景， 由于高铁沿线会有隧道、桥梁等特殊场景的覆盖需要。
高铁候车大厅
高铁的候车大厅通常都是封闭的场馆， 经过室外的宏站进行覆盖，效果会较差，通常采用室内覆盖的方式。候车大厅内比较宽敞， 然则人流非常密集，容量需要非常高。在候车大厅这种场景， 能够采用多个 5G 的 AAU 挂墙进行覆盖或用数字化室内分布进行覆盖。
高铁站台
高铁站台是用户在高铁上落车及等待的区域， 全部区域比较开放， 能够用周边的宏站进行覆盖。高铁在进出站台时，车速都会比较慢，几乎无多普勒效应，用户在上落车的等待中移动性相对较少，基站的天线能够采用 64T64R， 同期兼顾站点用户的人流密集的容量需要。
高铁沿线
高铁沿线通常经过城区和农村开阔地带，都是用宏站进行覆盖，采用 8T8R 的高增益窄波束天线。在建设过程中尽可能利旧现有的 4G 基站，在覆盖不足的区域需要新建基站，基站与铁轨的垂直距离通常在 100 m 上下， 尽可能使得基站与终端之间存在直射径， 这般能够 供给更好的覆盖性能。高铁 5G 基站的分布采用“之”字型的方式，站点交错分布在高铁的两侧，这有利于 5G 无线信号的均匀分布，使得切换覆盖区的衔接更好。倘若高铁有拐弯时， 尽可能安排在铁轨的内拐弯处。
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当高铁隧道较短时，如长度少于 500 m， 能够在隧道的两端用天线对打的方式在隧道内进行覆盖。在隧道较长时，如长度大于 500 m，由于隧道空间狭小，宜采用辐射型泄密电缆覆盖，辐射型泄漏电缆覆盖均匀，且拥有方向性，适合覆盖隧道。在高铁隧道中基本上每隔 500 m 就会有个设备洞室， 能够安置5G 的 BBU 和 RRU， 泄密电缆安装在与高铁列车窗口对应的位置，为了增多容量和用户感知， 能够采用两根泄密 电缆形成双流 MIMO。
4、高铁场景 5G 网络优化
4. 1、覆盖的优化
覆盖是移动通信的基本，在高铁场景下，5G网络的优化重点在于天线及切换带的体积。在天线方面，天线的入射角会影响到入射信号在高铁的穿透损耗，因此呢恰当的天馈方位角和俯仰角是保准良好覆盖的基本。在优化中，尽可能地让天线近点覆盖，减小信号衰减，同期按照站间距及站轨距恰当设置天线入射方向。在切换带的体积方面，切换带过小会引起切换失败，过大则会产生乒乓切换，增多干扰，因此呢需要恰当的RF优化， 保准切换带体积适中。
4. 2、多普勒频偏赔偿
多普勒效应是影响高铁网络性能的重要原因，一直败兴处理多普勒效应的频移问题， 重点都是靠设备厂家在基站上实施的频偏赔偿方法。基站经过对接收到上行信号进行频偏检测，从而在发射下行信号时进行频偏赔偿，来抵消多普勒效应带来的频偏问题，改善无线链路性能。虽然说5G网络的频段较高，带来的频偏很强，但日前的设备性能及频偏校正算法，能更好地跟踪高速移动速度，拥有更好的信道估计和频偏检测能力，能更即时地进行频偏赔偿。
4. 3、切换参数优化
高铁是线覆盖场景，在高铁沿线跨区域跨基站的状况会比较多， 况且因为高铁 5G 小区的覆盖范围较小，用户在运用过程中产生的切换会比较频繁。在高铁5G 网络的切换策略上，切换各项参数的设置要按照 高铁的特点， 保准切换的顺畅和快速完成。5G 网络采用 A3 事件触发切换，在触发 A3 事件前要进行 MR 测绘 报告的上报。5G 的测绘报告是 UE 的理学层进行测绘， 测绘结果经过 L3 滤波向高层供给测绘结果。高铁的车速火速，信号波动会比很强，历史测绘结果的可参考度较低，在 L3 滤波的参数设置上要尽可能减少历史测绘结果的影响。在A3 事件参数设置中， 亦要减少 A3 事件切换时间迟滞，使得目的小区满足 A3 事件的 RSRP 后能尽快触发切换。
在高铁场景下，为了避免频繁的切换， 通常都会采用小区合并的方式来扩大合并后小区的覆盖范围，减少频繁的小区间切换。针对 5G 网络，在运用小区合并的办法时，还能够采用 CU+DU 分开的架构。同一个 CU 下的 DU 之间进行切换， 因为掌控面集中， PDCP 的实例无需复位或重建，切换流程触及到的网元交互会减少， 能够减少切换的时延，降低切换失败的概率。
4. 4、 PRACH 参数优化
高铁场景下，UE高速移动的时候，频偏会引起基站在检测 PRACH 信道时，时域上出现伪关联峰，影响基站对 PRACH 信道的检测。按照前面的分析可知，时速超过200km/h 的多普勒频移已然超过 1. 25 kHz 的 preamble 子载波间隔，在这种高速的状况 下， 倘若还是用普通低速模式下的 PRACH 参数规划，将会严重影响用户的接入、切换等性能。
3GPP 在初期就思虑到多普勒频移的影响，协议上提出了生成前导序列时运用循环移位的限制集合，在参数 High-Speed-Flag 中配置 Ultra-High-Speed，preamble 生成的循环移位 Ncs 就会选取限制集合。5G NR 供给了 14 种 preambleFormat，其中 4 种长序列， 10 种短序列。在 3GPP38. 211 Table 6. 3. 3. 1-1 表中，Format 3 的 preamble 子载波间隔为 5 kHz，支持限制集合 Type A 和 B，非常适合高铁场景。表 4 为 3GPP 38. 211 Table 6. 3. 3. 1-1 长序列 preamble 格式：
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其他的 PRACH 参数的规划和 LTE 类似。小区中循环移位的体积 Ms 和小区最大覆盖半径相关系， 通常都是按照 PRACH 格式和规划的小区覆盖半径来规划 Wcs的体积。在 PRACH 时域配置时， 思虑到上下行的子帧配置的位置以及高铁用户密集的状况，在 3GPP 38. 211 Table 6. 3. 3. 2-3 表中， 选取合适的时域配置， 通常是在子帧 4 或子帧 9。
5、总结
日前 5G 网络还只是在试点城市进行安排，高铁场景的网络安排还未起始。本文结合高铁 LTE 网络规划及优化过程中遇到的有些问题，思考将来 5G 网络在高铁场景下的网络规划及优化，对将来进行高铁场景下的 5G 网络安排给出了有些意见。
在高铁网络规划中，尽可能采用SA网络架构，要保证连续覆盖，避免频繁回落到 LTE，天线以 8T8R 为主，站间距在 600 m〜900 m，基站到铁轨距离为100m 上下，避免掠射角过小，基站父错安排在高铁两侧， 同期按照区别的高铁场景选取合适安排方式。
高铁小区要开启高速频偏校正功能，避免多普勒频偏的影响。高铁 5G 小区的切换带适中，200m上下，避免切换失败或乒乓切换。高铁上能够采用CU+DU掰开的结构，同一个 CU 下的 DU 之间切换时延较短。高铁切换采用 A3 事件，要减少L3滤波历史测绘 值的影响，减少切换触发时间。PRACH运用限制集的循环移位，采用 Format 3 的 preamble 子载波间隔能够 达到 5 kHz， PRACH 的时域配置要思虑上下行子帧配置的位置。
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jm2020 发表于 2024-9-5 20:16:14

楼主继续加油啊！外链论坛加油！

nykek5i 发表于 2024-10-16 10:31:18

你的见解真是独到，让我受益匪浅。

b1gc8v 发表于 2024-11-1 21:13:11

大势所趋，用于讽刺一些制作目的就是为了跟风玩梗，博取眼球的作品。

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高铁场景的5G无线网络规划及优化