高铁场景的5G无线网络规划及优化

4lqedz · 发表于 2024-8-31 05:39:36

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

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

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

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

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：

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：

其中：

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。

再以3.5GHzMean Urban环境为例（Cost231-hata Kc=0dB），从下图可看到：

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。

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：

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。

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：

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。

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 ) 。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

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：

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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