5G 在高铁场景的覆盖分析

摘要：５Ｇ网络是通信技术的颠覆式变革。它将开启万物感知、万物互联、万物智能的新时代；可极大地带动相关产业的快速发展，拓展数字经济发展新领域、新空间。５Ｇ网络的部署与发展对于加速经济社会数字化转型，培育数字经济新产业、新业态，释放信息消费巨大市场空 间，助推供给侧结构性改革，具有重要意义。高铁作为现代社会的重要交通工具，每日都承载了数以亿计旅客的交通出行，成为了信息通信的“新 数据爆点”。为了让广大乘客在高铁出行中享受到５Ｇ带来的最便利的信息服务，高铁５Ｇ覆盖势在必行。文中将针对高铁５Ｇ（红线内）覆盖 进行相关阐述。

关键词：5G；高铁；场景覆盖

一、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 3.5GHz~3.6GHz 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、MassiveMIMO 的选择、高铁站间距和各种场景的天线设备选择。 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 3GPPR15F40 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。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 option2 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 option3x 的 NAS 网络架构。 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。 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。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100m 左右。关于高铁沿线 5GNR 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 1s 内就能完成切换，考虑到一定的冗余时间，以高铁 2s 行驶的距离作为 5G 小区的切换重叠覆盖区，高铁速度按照 350km/h 来计算，重叠覆盖区即为 194m。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 666m，农村场景高铁 5G 小区站间距为 946m。因此，高铁 5G 小区的站间距范围为660m~940m。

二、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100m 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，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。

高铁隧道当高铁隧道较短时，如长度小于 500m，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 500m，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 500m 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。 三、高铁场景 5G 网络优化 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，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。 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。

四、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 600m~900m，基站到铁轨距离为 100m 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。 参考文献

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