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本文刊发于《移动通信》2019年第6期

高铁场景的5G无线网络规划及优化

董帝烺，杜丕加，许绍松

（中国联合网络通信有限公司福建省分公司，福建泉州362000）

【摘 要】为了做好高铁场景5G网络的规划及优化，介绍了5G在高铁场景面临的挑战，研究了高铁场景的网络架构、天线选择、站点选择等方面的网络规划，分析并给出覆盖、切换、随机接入方面的参数优化建议。

【关键词】高铁；5G；多普勒效应；大规模MIMO；网络规划

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.06.007

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2019)06-0036-06

引用格式：董帝烺,杜丕加,许绍松. 高铁场景的5G无线网络规划及优化[J]. 移动通信, 2019,43(6): 36-41.

1 引言

2018年5G标准的R15版本冻结，三大运营商开始在试点城市进行组网规划、验证测试、商用部署。中国联通把高铁列入重点口碑场景，建设了高铁3G和4G网络，经过多年的网络优化，高铁的网络覆盖质量已经达到较高的水平。通过高铁出行的人群同样是5G的重要目标客户，为了提升运营商品牌形象，高铁场景下的5G网络也同样需要具有良好的覆盖质量。

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，高铁场景一直是一个很复杂的场景。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一些挑战。

2.1 传播损耗和穿透损耗更大

目前5G NR的主流频段在C波段，以中国联通分配的频段为例，5G使用的主要频段为3.4 GHz~3.5 GHz，这个频段比现有的LTE网络1.8 GHz的频段高了一倍。根据传播损耗和频率成平方反比的关系，从理论上来说，3.5 GHz频段的传播损耗比1.8 GHz频段高5.8 dB。

穿透损耗与网络使用的频率没有明确的线性关系，但对于同一介质来说，穿透损耗是随着频率的增加而增加。车厢型号不同对应的穿透损耗也不同，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。从实际测试的情况来看，高铁列车的穿透损耗达到了33 dB~36 dB，如表1所示：

在3.5 GHz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。特别是高铁列车是线状覆盖，如果基站与高铁列车的入射角更小，信号还会更差。

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，导致基站的发射和接收频率不一致。高铁的速度越快，频偏也越大，这将导致基站信号接收性能下降，高速引起的大频偏对于接收机解调性能的提升是一个极大的挑战。图1为高铁多普勒效应：

图1 高铁多普勒效应

多普勒频移计算公式如式(1)所示：

fd=f0/c×v×cosθ (1)

其中，c表示光速，取值为3×108 m/s，v表示UE的移动速率，θ表示UE相对于基站的运动方向与基站信号传播方向的夹角。从公式(1)可以看到，当UE与基站间的相对移动速度越大，多普勒频移越大。通过计算可以得到表2，5G网络中，基站接收到UE的频偏比LTE网络高很多，已经高于pleamble的子载波间隔（1.25 kHz）。

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，严重时会造成接收方无法解调出发送方的发射数据，最终造成UE无法接入网络。若UE无法支持对应频率和速度下的频偏范围，将会导致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，容量需求大

目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飙升。以现有的LTE网络来说，在高铁列车过境时，RRC连接用户数瞬间飙升了100多个，导致瞬间的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，高铁上用户在使用移动网络时，会产生频繁的小区切换、重选。如果高铁覆盖的切换带设置不合理、切换参数设置不合理的话，将会导致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 高铁场景5G网络规划

高铁网络覆盖有两种方式：与公网同频组网和异频的专网组网。5G频段有限，中国联通主要使用3.5 GHz

~3.6 GHz频段，这个频段范围内高铁的覆盖将采用与公网同频组网的方式。在5G网络规划中，需要考虑网络架构、Massive MIMO的选择、高铁站间距和各种场景的天线设备选择。

3.1 NSA/SA网络架构

5G的网络架构主要分为NSA和SA这两种模式。NSA的组网模式是利用现有的4G网络作为锚点，5G网络的控制信令走在4G网络上，5G的业务数据走在5G网络。而SA的组网模式是控制和数据都在5G网络上承载，不需要借助4G网络。

2018年年底3GPP R15 F40标准版本冻结，这个版本相对比较成熟，已经有完善的NSA和SA方案。但是SA组网模式核心网目前只具备初级功能，不支持计费、语音和漫游等功能，而且SA模式的智能终端芯片刚推出，预计要到2019年年底才有商用智能终端推出。这意味着SA组网模式端到端的技术成熟度比较晚，要到2020年SA网络架构才具备端到端的组网能力。

高铁场景下用户的业务需求主要是视频、微信、游戏等主流数据业务，目前的4G网络基本上都可以满足，用户对高铁5G网络的需求还没那么强烈。高铁场景的5G网络一般会随着运营商拿到商用牌照，进行全国性的商用部署时才会进行网络规划建设，部署的时间大概在2020年。高铁场景的网络，一般要求全国性连续覆盖，网络建设的投资会比较大。为了避免NSA再升级SA网络的额外投资，高铁场景下的5G网络部署将一步到位，即使用SA网络架构。规划上需要全国统一的网络架构，减少不同区域NSA和SA模式不同带来的复杂性，需要都统一采用option 2的SA网络架构。对于要在今年进行高铁网络部署的城市，由于SA网络架构还不具备端到端的方案，可以选择option 3x的NAS网络架构。

3.2 连续覆盖规划

在NSA网络下，锚点网络不连续将导致终端需要进行过多的测量，影响用户感知速率及终端耗电。高铁车速快，NSA下NR覆盖如果不连续，会频繁地添加、删除NR辅小区，用户根本无法享受到5G带来的高速率服务，所以建议NSA场景下NR覆盖一定要连续。同样在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也必须要连续覆盖。图2是高铁场景下不连续覆盖的问题示意图：

图2 高铁场景下不连续覆盖的问题

3.3 Massive MIMO选择

Massive MIMO是5G网络的关键技术，通过大规模天线可以达到32T32R、64T64R，具有波束赋型和MU-MIMO的特性，可以提升覆盖和容量。但高铁场景下，UE随着高铁快速移动，无线信道时变非常快，业务波束很难快速捕捉并及时跟踪信道的变化，很难实现波束赋型。同时，高铁场景的用户非常集中，很难达到MU-MIMO的用户配对。因此，兼顾天线成本无线高级设置最大发送速率，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可以采用32T32R天线。

3.4 高铁覆盖站点规划

根据参考文献[4]的链路预算方法，可以得到以下在上行/下行不同边缘速率情况下的上行/下行最大允许路径损耗的表格（如表3）。

从表3可以看到，下行允许的最大路径损耗比上行多17个dB，也就是说上行的覆盖更容易受限。因此，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。目前5G网络主流频段使用3.5 GHz频段，而且在高铁场景下基站大部分都是用宏站，视距传播，以3GPP 38.901的传播模型来计算，可以得到在城区5G NR基站的小区覆盖半径为430 m，农村的小区覆盖半径为570 m。

在高铁场景下，基站到铁轨的垂直距离主要和掠射角有关，掠射角越小，穿透损耗就会越大，一般掠射角不能小于10°，基站到铁轨的垂直距离在100 m左右。

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，一般在1 s内就能完成切换，考虑到一定的冗余时间，以高铁2 s行驶的距离作为5G小区的切换重叠覆盖区，高铁速度按照350 km/h来计算，重叠覆盖区即为194 m。

根据边缘速率，通过链路预算和传播模型的公式，可以计算得到高铁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，可以计算高铁5G小区的站间距，在城区场景高铁5G小区站间距为666 m，农村场景高铁5G小区站间距为946 m。因此，高铁5G小区的站间距范围为660 m~940 m。

3.5 高铁主要场景的规划

对于移动通信来说，高铁是个很复杂的场景，因为高铁沿线会有隧道、桥梁等特殊场景的覆盖需求。

（1）高铁候车大厅

高铁的候车大厅一般都是封闭的场馆，通过室外的宏站进行覆盖，效果会较差，一般采用室内覆盖的方式。候车大厅内比较宽敞，但是人流非常密集，容量需求非常高。在候车大厅这种场景，可以采用多个5G的AAU挂墙进行覆盖或者用数字化室内分布进行覆盖。

（2）高铁站台

高铁站台是用户在高铁上下车及等待的区域，整个区域比较开放，可以用附近的宏站进行覆盖。高铁在进出站台时，车速都会比较慢，几乎没有多普勒效应，用户在上下车的等待中移动性相对较少，基站的天线可以采用64T64R，同时兼顾站点用户的人流密集的容量需求。

（3）高铁沿线

高铁沿线一般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。在建设过程中尽量利旧现有的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一般在100 m左右，尽量使得基站与终端之间存在直射径，这样可以提供更好的覆盖性能。高铁5G基站的分布采用“之”字型的方式（如图3所示），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。如果高铁有拐弯时，尽量部署在铁轨的内拐弯处。

图3 高铁沿线基站部署示意图

（4）高铁隧道

当高铁隧道较短时，如长度小于500 m，可以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，宜采用辐射型泄露电缆覆盖，辐射型泄漏电缆覆盖均匀，且具有方向性，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，可以放置5G的BBU和RRU，泄露电缆安装在与高铁列车窗口对应的位置，为了增加容量和用户感知，可以采用两根泄露电缆形成双流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础，在高铁场景下，5G网络的优化主要在于天线及切换带的大小。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无线高级设置最大发送速率，因此合理的天馈方位角和俯仰角是保证良好覆盖的基础。在优化中，尽可能地让天线近点覆盖，减小信号衰减，同时根据站间距及站轨距合理设置天线入射角度。在切换带的大小方面，切换带过小会导致切换失败，过大则会产生乒乓切换，增加干扰，因此需要合理的RF优化，保证切换带大小适中。

4.2 多普勒频偏补偿

多普勒效应是影响高铁网络性能的重要因素，一直以来解决多普勒效应的频移问题，主要都是靠设备厂家在基站上实施的频偏补偿方案。基站通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补偿，来抵消多普勒效应带来的频偏问题，改善无线链路性能。虽说5G网络的频段较高，带来的频偏较大，但目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，具有更好的信道估计和频偏检测能力，能更及时地进行频偏补偿。

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情况会比较多，而且由于高铁5G小区的覆盖范围较小，用户在使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根据高铁的特点，保证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测量报告的上报。5G的测量报告是UE的物理层进行测量，测量结果经过L3滤波向高层提供测量结果。高铁的车速很快，信号波动会比较大，历史测量结果的可参考度较低，在L3滤波的参数设置上要尽量减少历史测量结果的影响。在A3事件参数设置中，也要减少A3事件切换时间迟滞，使得目标小区满足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，一般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。对于5G网络，在使用小区合并的方法时，还可以采用CU+DU分开的架构。同一个CU下的DU之间进行切换，由于控制面集中，PDCP的实例无需复位或重建，切换流程涉及到的网元交互会减少，可以减少切换的时延，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，频偏会导致基站在检测PRACH信道时，时域上出现伪相关峰，影响基站对PRACH信道的检查。根据前面的分析可知，3.5 GHz频段，时速超过200 km/h的多普勒频移已经超过1.25 kHz的preamble子载波间隔，在这种高速的情况下，如果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在早期就考虑到多普勒频移的影响，协议上提出了生成前导序列时使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就会选择限制集合。5G NR提供了14种preamble Format，其中4种长序列，10种短序列。在3GPP 38.211 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。小区中循环移位的大小Ncs和小区最大覆盖半径有关系，一般都是根据PRACH格式和规划的小区覆盖半径来规划Ncs的大小。在PRACH时域配置时，考虑到上下行的子帧配置的位置以及高铁用户密集的情况，在3GPP 38.211 Table 6.3.3.2-3表中，选择合适的时域配置，一般是在子帧4或子帧9。

5 结束语

目前5G网络还只是在试点城市进行部署，高铁场景的网络部署还未开始。本文结合高铁LTE网络规划及优化过程中遇到的一些问题，思考未来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网络部署给出了一些建议。

在高铁网络规划中，尽量采用SA网络架构，要保障连续覆盖，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100 m左右，避免掠射角过小，基站交错部署在高铁两侧，同时根据不同的高铁场景选择合适部署方式。

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，200 m左右，避免切换失败或者乒乓切换。高铁上可以采用CU+DU分开的结构，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滤波历史测量值的影响，减少切换触发时间。PRACH使用限制集的循环移位，采用Format 3的preamble子载波间隔可以达到5 kHz，PRACH的时域配置要考虑上下行子帧配置的位置。

★原文发表于《移动通信》2019年第6期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.06.007 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2019)06-0036-06引用格式：董帝烺,杜丕加,许绍松. 高铁场景的5G无线网络规划及优化[J]. 移动通信, 2019,43(6): 36-41.

作者简介

董帝烺（orcid.org/0000-0003-3831-0584）：高级工程师，中国联通网优专家，毕业于厦门大学通信工程专业，现任中国联通福建泉州片区优化中心主任，主要从事WCDMA、LTE的网络优化和NR新技术的研究。

杜丕加：高级工程师，软件设计师，毕业于厦门大学电子信息工程专业，现任职于中国联通福建泉州片区网优中心，主要从事核心网优化的相关工作。

许绍松：高级工程师，中国联通网优专家，现任中国联通福建福州片区优化中心主任，主要从事WCDMA、LTE的网络优化和NR新技术的研究。

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