打开文本图片集

摘要：随着高铁成为作为一种重要的交通方式，为满足高铁场景下的客户需求，可利用2.6GHz频段进行高铁场景覆盖。同是时研究了高铁5G网络面临的主要问题，以及可采用的网络覆盖策略。最后，对高铁场景下的各场景站点规划方法进行了研究，同时对未来可能出现的高铁新型建设方式进行了展望。

关键词：5G；高铁；覆盖策略；网络规划

高铁5G网络覆盖的主要挑战

由于高铁的特殊性，主要存在多普勒频偏，车体封闭无线损耗高，切换频繁导致的性能下降，同频组网公专网干扰处理等问题[1]，高速铁路的5G覆盖面临严峻挑战：

1、多普勒频移影响网络质量：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低。对于高速移动用户，多普勒频移往往非常大，以2.6GHz信号为例，时速350km/h的高铁列车的上行多普勒频移可高于1.7kHz[2]，如不能有效校正，系统解调性能会严重恶化。多普勒频移是影响高铁覆盖链路性能的主要因素。

2、新型车体增加穿透损耗：高速列车采用封闭式设计，车体普遍采用的高强度不锈钢或合金材料，密封性的提高及材质的升级导致高铁车体对无线信号产生很大的穿透损耗，使得无线端覆盖受限，无线信号差。例如，中国的和谐号、复兴号等列车车体均为中空铝合金，对2.6GHz信号垂直入射的穿透损耗可达28dB[3]。同时，高铁网络通常采用带状覆盖方式建设，在覆盖边缘使得信号掠射角较小，进一步增大了车体的穿透损耗。因此，信号掠射角的设计对于高铁场景下的无线网络规划至关重要。

高铁场景5G网络覆盖策略

高铁网络覆盖有两种方式：公网覆盖方案及专网覆盖方案。公网覆盖方案将高速铁路覆盖与周边区域统一考虑，采用常规宏蜂窝组网方式进行覆盖；专网覆盖方案将针对高速铁路特定的组网需求，主要为满足高速铁路覆盖需求建设的专用网络。相对于公网方案，专网方案在频率、设备、功能、参数配置等方面有特定的要求，其主要特性如下：1、频率配置。专网覆盖优先采用专用频率，不具备专有频率条件下应尽量规避公网的同频干扰。2、设备配置。专网覆盖主设备主要采用八通道/两通道分布式基站设备，利用小区合并功能扩大单小区覆盖范围，并选用窄波束、高增益定向天线增强覆盖能力。3、功能配置。专网覆盖网络站点普遍配置高速移动及小区合并功能。4、参数配置。专网覆盖站点参数配置中将采取优化重选、切换控制参数，加快重选、切换速度，邻区设置只在车站区域设立专网与公网的出入口，并通过频率优先级设置、基于负荷的切换机制等保证专网覆盖质量。根据实际网络需求及用户使用情况，高速铁路建议采用专网覆盖方式。

高铁场景5G网络站点规划

对于高铁场景来说，其站点规划需满足较多具体场景，如高铁沿线、隧道、车站等特殊场景的覆盖需求。

1、高铁沿线：影响高铁沿线站点布局的因素主要有：单站最大覆盖距离、站轨距、站间距、站高、入射角，且各个因素之间相互影响制约，对高铁沿线站点的规划设计带来了较大挑战。下面我们将对相关参数进行分析研究，以便得出适用于2.6GHz的规划参数。

（1）站轨距对站间距影响

由于不同的入射角对应的车厢最大穿透距离是不同的，使得不同的入射角对应的穿透损耗不同，实际测试表明随着入射角变小，穿透损耗不断增加。对于2.6GHz，入射角小于10度将明显增加额外的车体穿透损耗。因此，建议入射角需大于10度，并且需根据站间距选择合适的站轨距。

（2）站高对单站最大覆盖距离的影响

由于铁路沿线站点绝大部分位于农村区域，因此建议参考3GPP的Rma-NLOS（郊区）模型进行网络规划。具体公式和系数取值如下：

由公式可见基站站高hbs对单站最大覆盖距离存在影响。根据链路预算及5G传模，可以计算出各站高情况下的最大站间距。对于2.6GHz情形，对应不同的上行边缘速率要求，不同站轨距，其站高与站间距关系也不相同。下列左图为站轨距为50米情形下，在上行边缘速率分别为512K/256K的情况下，站高与站间距对应关系；右图为站轨距为100米情形下，在上行边缘速率分别为512K/256K的情况下，站高与站间距对应关系。经过计算可知，在站轨距50-100米情况下，站高需达到20米，站间距可达到450米左右。如进一步提高站高，则可达到600米左右站间距。综上分析，可知采用2.6GHz进行高铁沿线覆盖，宜设计站轨距为50-100米，站高不小于20米，站间距450-600米。另外高铁沿线一般为郊区和农村开阔地带，可采用宏站进行“之”字型带状覆盖，站点交错分布在高铁的两侧，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。

高铁5G场景新型建设方式展望

1、利用5G CPE上车方式改造高铁列车，减少沿途站点。采用在高铁列车上部署5G CPE方式，在列车外部署的天线收集基站型号，通过CPE设备在车厢内分发信号，该方案可克服高铁列车车厢损耗大的特点，减少链路预算中的穿透损耗，提升覆盖距离。采用该方法后，站间距预计可提升至常规规划方案的1.5-2倍。但高铁列车改造涉及高铁列车、通信设备、隧道安全等各方面问题，且需要将采用该覆盖方式的高铁线路上的所有列车进行改造，涉及周期较长，实施难度较大。

2、通过采用透镜天线替换板状天线，延长覆盖距离。透镜天线就是根据光学理论引入的“镜片”概念，在各种形状的电磁辐射器前加装介质透镜，电磁波经过“镜片”作用后可以转变成平面波，以得到锥形或圆柱形波束。龙伯球透镜是一种比较实用的透镜天线，龙伯透镜是由介质材料做成的圆球体，它的作用是将不同角度传播的电磁波会聚到“镜片”表面的一点，在球的正对不同方向来波球面焦点设置小增益接收天线，通过透镜辐射可将发射功率密度提高10倍以上，天线效率高于90%。

小结

目前，随着高铁的普及已成为越来越多的人出行方式的首选。同时随着5G网络的大力建设，未来高铁作为5G的一种重要场景，具有巨大的市场潜力和社会价值，也需要为客户提供良好的网络服务。随着中国移动获得覆盖能力较强的2.6GHz频段，可以更为便捷的建设较为完善的5G网络覆盖。

参考文献：

[1] 赵洪伟，李玲.高铁LTE专网多频组网优化策略研究[J].邮电设计技术，2019（3）：46-51.

[2] 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

[3] 刘威，刁兆坤，范才坤，王振章，滕琳雅.广深港高铁 5G网络建设策略及方案研究[J].通信世界，2020，（第4期）.