高铁5G 覆盖方案的应用及分析

［马丹 迟明仁 李凤花 马云刚］

1 引言

截止2021 年底，中国高速铁路里程突破4 万公里，随着高铁路网密度快速增长，旅客发送量不断增加，高铁通信逐步成为各通信运营商提升品牌效益和客户黏合度的竞争领域。与4G 网络相比，5G 网络具有更大的带宽，有利于提升速率和容量需求。高铁的5G 网络建设不仅需要保证连续覆盖，又要提供优质、高速的业务，提高用户感知度。因此在解决高铁5G 覆盖需求时，建设高质量的高铁5G 网络对于运营商提升品牌形象和增强高端客户粘合度非常重要。

但5G 网络更高的频段对覆盖能力提出了更高要求，使得高铁5G 网络建设面临诸多挑战，如高铁具有运行时速快、车体穿透损耗大、上行PUSCH 受限、小区切换频繁、业务突发性强等特点。针对高铁5G 建设存在的问题，山东联通致力于高铁5G 覆盖技术的研究，并在鲁南高铁进行了多项功能的测试及网络性能对比，积累了宝贵的建设经验，为后续高铁5G 建设提供了新的参考依据。

2 高铁5G 覆盖技术

2.1 高铁5G 覆盖存在的问题

高铁具有列车速度快、车体穿透损耗大、铁路线路长和穿越地形种类多等特点，是一个比较特殊的覆盖场景，高铁覆盖主要面临以下问题[1]。

（1）快衰落影响

快衰落变化速度与UE 行进速度、工作频率有关，比如对于2.1 GHz 频率覆盖时速350 km 的高速火车，快衰落变化速度为1 360 Hz，变化幅度可达数10 dB。当UE行进速度大于150 km/h 时，快速功率控制失效，列车快速靠近或远离基站时，远近效应产生的干扰会影响系统性能。

（2）多普勒频移影响

接收机采用相干解调的检波方式，解调载波应与接收信号的频率和相位相同，多普勒频移会影响接收机解调性能，降低通信质量。

（3）终端频繁小区切换、重选

时速350 km 的列车相当于每秒走97 m，如果小区覆盖范围为2 km，则每20 s 会发生1 次小区切换或重选。1 次60 s 时长的语音通话，会发生3 次切换。如此频繁的切换和重选，再加上信号起伏较大，会降低切换和重选的成功率，影响通信质量。

针对上述问题，目前采用的解决办法主要有以下几种。

1、提高覆盖设计指标，使高铁沿线保持较高的覆盖电平，留一定余量来抵抗快衰落。

2、基站设备采用克服多普勒频移的技术，实现自动频偏补偿。

3、扩大单小区覆盖距离，减少小区切换和重选次数。

4、相邻小区间设置足够长的重叠区域，保证小区切换和重选顺利完成。

2.2 高铁5G 覆盖建设关键点

高铁线路5G 覆盖在建设过程中需考虑站轨距的规划、天线方位角及下倾角规划，还需兼顾容量和覆盖需求进行小区合并。

（1）站轨距规划

站规距是指站址到铁轨的垂直距离，站规距越小，多普勒频移越显著。站规距小于100 m 时，对频移影响明显，郊区铁路沿线地貌空旷时，站规距最好大一些，城区建筑物较多较多，站规距可以取值比较小。根据相关测试统计数据，高铁列车车厢穿透损耗随着掠射角的减小而增加，当掠射角在10°内时，列车穿透损耗快速增加，所以在网络规划时，掠射角应不小于10°，建议在20°以上。站轨距与掠射角的关系：假定覆盖半径R=300 m，站高h 为30 m，掠射角θ=20°，此时站轨距D=102 m；若站轨距缩小到D=52 m，则此时掠射角=10°。所以建议站轨距为100～150 m，考虑工程实施难度，最大可放宽到50～200 m，站轨距与掠射角的关系如图1 所示。

图1 站轨距与掠射角示意图

（2）天线方位角及下倾角规划

对于原有4G高铁已优化网络，且5G站点按4G站点1：1 建站的情况，优先考虑继承原有4G 站点的方位角和下倾角；对于新建5G 站点，初始方向角规划需遵循：垂直波瓣上半功率角和水平波瓣外侧半功率对准最远覆盖点，最远覆盖点需考虑100～110 m 左右的切换带，即覆盖边缘为两个相邻小区轨道覆盖中点偏移1/2 切换带的位置；初始下倾角与方位角算法类似，使用天线上半功率角对准覆盖边缘，方位角及下倾角规划示意图如图2 所示[2]。

图2 方位角及下倾角规划示意图

（3）小区合并兼并容量及覆盖

常用的多RRU 小区合并方式有：双RRU 背靠背小区合并、多RRU 共小区方案。

①双RRU 背靠背小区合并，是指2 个RRU 共一个小区，下行两个天线发送相同的数据，上行2 个RRU 的信号作为1 个小区的多个天线信号处理，没有噪声叠加。双RRU 背靠背小区合并示意图如图3 所示。

② 多RRU 共小区方案，是指采用基带合并MRRU技术对多RRU 共小区。该合并小区技术是在基带实现的，不抬升小区底噪。生成的下行信号复制成多份发送给各个RRU，实现小区内各个RRU 使用相同的发射功率。多RRU 并联共小区方案示意图如图4 所示。

图3 双RRU 背靠背小区合并示意图

图4 多RRU 并联共小区方案示意图

对于高铁覆盖上，为了减少切换带，优先选用多RRU 共小区方式，建议小区合并数量不超过6 个。对于RRU 级联，由于受到设备光口配置的限制，建议RRU 级联数量不超过4 级。

2.3 高铁5G 覆盖设备选型

基站设备选型，设备选型应本着技术先进，价格合理的原则，从技术演进、设备功能、组网灵活性、环境使用条件及安装维护等方面综合考虑进行选取。

无线传播环境的复杂性决定了无线网络覆盖解决方案的多样性，在网络建设中常用的设备类型有：分布式基站、一体化基站和微功率基站等。不同类型设备主要特性比较，如表1 所示。

综上所述，5G 基站设备以分布式基站为主，在无法提供机房的站址可采用室外一体化基站快速部署，在小范围弱信号区或局部盲区的覆盖可采用小微基站，在少量没有机房的站址可采用独立RRU 解决。根据前期高铁建设经验，高铁基站设备的主要站型建议按下表选择，如表2 所示。

2.4 高铁5G 覆盖性能优化

针对5G 高铁覆盖的性能短板，采用多项技术来提升5G高铁覆盖能力，包括多普勒频偏补偿、上行性能提升、容量提升、用户感知提升、公专网协同等。

①多普勒频偏补偿

为解决高铁多普勒频偏问题，使用上行导频符号间的相位差进行频偏值估计，在获得频偏估计值后，分别对上下行信道进行频偏补偿，可检测并补偿UE 高速运动中产生的多普勒频移，大幅改善无线链路性能，更灵活自适应DMRS和更密集的参考符号PTRS，完全满足3.5G350 km/h 时速下的频偏。各频段和时速下的频偏见表3所示。

表1 分布式基站、一体化站和微功率基站的对比

表2 覆盖高铁基站站型选择

表3 典型频段频偏示意图

② 上行性能优化

上行性能优化包括设置PRACH 格式、上行1+1 DMRS估计增强、上行AMC 高铁性能增强、上行IRC/MRC 自适应、超级小区上行联合接受、超级小区SDMA。

③容量提升

通过高速频偏测量，一定时间内的CP 和小区切换次数，来综合判决是否属于高铁列车上的用户，识别用户后，将低速用户迁移至公网。对于公网和专网划分比较清晰的区域，通过不配置公专网邻区，可以阻止公专网间的切换；对于公网覆盖不连续，专网需要兼顾部分公网覆盖的区域，配置邻区，但是尽量提高公网到专网的切换门限，来减少公网用户切入专网；对于空闲态用户，公网设置较低的异频重新起测门限，在弱场才启动。

④ 用户感知提升

通过高低速用户标识，在过车时段内，可以对高低速用户调度优先级进行处理，通过QoS 差异化优先保障高铁用户的业务体验，实现专网专用。

⑤ 公专网协同

通过识别到专网小区里有高铁驻留时，降低周边公网的下行发射功率（当前支持对异频邻区进行最大20 dB 的功率打压），以降低公网下行对于专网的干扰；周边公网上行功控目标值也需要进行调整，减小上行对于专网的干扰，公专网协同的示意图如图5 所示。

3 高铁5G 覆盖案例分析

3.1 测试背景

山东联通已完成鲁南高铁全线5G 覆盖，鲁南高铁作为全国最长的一条NR2.1G 高铁线路，具备成为标杆性网络的基础条件，其目标是将打造成一条全国高铁标杆线路。

图5 公专网协同示意图

为了检验高铁覆盖的实际效果，山东联通对鲁南高铁全线进行5G 覆盖测试分析，针对高铁基础覆盖优化、2TR 与4TR 对网络影响、小区合并效果、NR 的2 流和4流效果以及2.1G NR 20 M 与2.1G NR 40 M 部署效果进行了相关测试，为后续5G 高铁覆盖的性能提升提供了强有力的保障。

3.2 测试效果分析

3.2.1 NR 小区合并效果验证

通过小区合并技术，可以显著减少切换频次，提升车上人员的感知和体验，尤其是相邻小区间联合接收和联合发送，保证小区交叠区域的用户体验。在5G 建网初期，超级小区合并是可以迅速提升性能的一个重要手段。

在当前鲁南高铁NR 单20 M 带宽较小的情况下，验证通过小区拆分提升负荷的效果。选取嘉祥县内物理站点共计5 个站点，3 公里进行拆分小区验证。

通过网管KPI 指标，观察1 月10 日分裂前后两天指标（6～23 点），如图6 所示。在总流量变化不大的情况下，下行PRB 利用率明显下降，说明小区分裂带来负荷的降低，但掉线率、CQI 优良率明显下降，同频切换成功率小幅波动。

通过线现场测试发现小区分裂后SS-RSRP 有明显的下降，SS-SINR 略有下降，FTP 下载速率有明显大幅下降，路测指标如表4 所示。

表4 路测指标对比

图6 网管KPI 各项指标变化变化

在高速场景下，切换控制是影响线上覆盖的关键点，小区分裂后导致需进行站下切换，且站轨距越近的站点站下切换距离越短，带来的负面影响越大。且通过计算，在站间距600 m 的场景下，列车时速300 km/h，单小区的驻留时间只有4 s，过短的驻留时间导致频繁切换，也会影响性能。

3.2.2 NR 的2 流和4 流效果验证

在车速较快场景下，验证NR 的2 流和4 流测试效果，比较当前适用高速场景下的流数设置。本次验证测试选取临沂北站-日照东站进行，策略配置为站台及站台两边各两个站两次测试中均设置为4 流，其他站点对比测试时分别设置为4 流和2 流。下行流数和平均MCS 对比测试结果如图7 所示，平均下载速率对比如图8 所示。

从上图测试数据分析，在高速场景下最大流数设置为4 的场景下的实际流数明显高于最大流数设置为2 场景；但是部署2 流有更高的MCS 和下载速率。

通过测试发现当前主流终端在高速场景下和基站侧的配合度不高，表现在高速路段信噪比偏低时“虚高”上报高阶RI，导致流数高反而流量和MCS 在下降。因此，在当前线上实测2 流效果好于4 流情况下，建议先在RI 最大2 流的基础下继续优化速率，同时，后续也会对高铁场景NR 小天线RI 适配信道方案继续尝试进行优化和改进，以期在高速场景下的流数问题上能取得进展。

3.2.3 2.1G NR 20M 与2.1G NR 40M 部署效果验证

图7 下行流数、平均MCS 对比

图8 平均下载速率对比

在NR2.1G 的20 M 带宽条件下，本次5G 高铁下行速率目标70 Mbit/s、上行速率目标35 Mbit/s。通过对上下行性能的功能部署和改进优化，下行、上行速率已取得较好效果，当前高铁线上测试下载速率已稳定达到90 Mbit/s 以上，如图9 所示。

图9 经过优化后的上下行下载速率变化（20 M 带宽）

另外选取庄寨路段，部署NR2.1G 40 M，结合RF调整、切换参数优化等措施，下行PDCP 层速率稳定在150 Mbit/s以上、上行PDCP层速率稳定在60 Mbit/s以上，如图10 所示。

图10 经过优化后的下载、上传速率变化（40 M 带宽）

由图10 可以看出，2.1G 40 M 带宽相对于2.1G 20 M带宽下载速率提升了62.3%，上传速率提升了77.1%，能够大幅提升用户的使用体验，保障容量需求。

4 结束语

本文针对高铁5G 覆盖存在的问题，研究并提出对高铁5G 覆盖解决方案和设计方法。并结合鲁南高铁5G 建设情况，对多种技术手段对比测试分析，验证了方案的可行性。由于高铁场景的特殊性，目前高铁业务主要以视频、游戏、社交、办公等业务为主，对流量的需求很大，视频业务对边缘速率提出更高的要求。山东联通应把高铁网络定位于提升联通品牌的战略高度，在充分利用现有资源的基础上，统一制定的高铁管理模式进行建设与管理，打造一张高质量的精品网络。精细规划,对覆盖方案和设备选型严格把关，做到网络规划、设计、建设、与网络优化目标统一。