5G时代高铁覆盖解决方案研究

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概述

截至2018年底我国高铁里程达2.9万km，2025年将达3.8万km，累计发送旅客人数已超70亿人次，在4G时代，各大运营商针对高铁覆盖属于品牌场景网络建设的重中之重。随着高铁用户规模增长及多样化的业务感知要求，在5G大规模建设和应用中，对5G高铁覆盖解决方案的需求是非常迫切的。5G高铁覆盖方案将面临诸多困境，如5G网络高频段、高功耗、高传输带宽需求、多普勒频偏、频繁切换、穿透损耗大等。本文针对高铁多种场景，研究并提出对高铁的5G覆盖解决方案和规划设计方法，指导快速推进5G时代的高铁覆盖及精品高铁网络建设。

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5G高铁覆盖重要性及技术难点

2.1 5G高铁覆盖的重要性

高铁建设全面铺开，快速化、信息化已成为趋势：中国高铁里程占全球60%，成为中国人出行第一选择，累计发送旅客人次已超70亿，年增长率超35%。在高铁信息化及高铁用户快速增长的趋势下，5G时代运营商需要针对高铁覆盖拟定针对性的方案，在网络覆盖及用户体验上形成优势。

高铁乘客特征和运营商价值客户高度重合，是运营商的网络品牌的重要展示窗口：高铁运输能力大，单车容纳能力高，且环境舒适，用户业务使用比例高，整体业务需求较其他场景大；高铁用户中商务人士乘坐比例高，高端客户占比大，对于提升网络品牌具有重要意义，是5G时代网络建设的重点。

2.2 5G高铁覆盖技术难点

高铁普遍存在的三大挑战：多普勒频偏、频繁切换、穿透损耗大。由于5G主力的3.5GHz频段频率高于4G， 5G时代高铁覆盖更加困难，5G网络覆盖解决方案需要重点关注站点规划与布局、系统切换重叠区域设计、频率纠偏等方面，实现更好网络性能。

2.2.1 多普勒频偏影响接收机解调性能

5G无线通信系统要求峰值移动性支持≥500km/h，高速移动下的多普勒频偏（接受信号频率会偏离基站侧中心频点）会影响接收机解调性能，多普勒频偏在5G网络影响更大，3.5G相对1.8G频偏增大一倍，在3.5GHz情况下，列车速度达到350km/h时，上行多普勒频偏将大于2.2kHz，因此，在高频段、终端高速移动状态下如何克服多普勒频偏是5G网络关键技术难点之一。多普勒效解决方案主要为通过基站设备纠偏算法，进行用户的频率纠正来消除多普勒频偏移带来影响。

表1 不同频段的上行最大多普勒频偏

2.2.2 超高速移动导致切换区不足及频繁切换问题

5G无线通信系统的系统可靠性需求为99.999%，端到端时延＜1ms，在列车时速350 km/h，切换区域超过90米，高速移动时所需要的重叠覆盖距离明显高于普通场景，且由于5G站距相对更小频繁切换问题明显。高铁速度350km/h、站距500米情况下，平均3s切换一次，终端用户在小区频繁切换，切换时带来的吞吐率体验下降明显，甚至掉话增加（如图1所示）。

图1 高铁小区切换示意

频繁的小区切换将极大降低用户的感知，成为5G网络关键技术难点之一。解决办法需要合理的无线网络规划和参数设置，实现更快的小区重选和合理的小区重叠区满足小区间切换要求，同时，通过小区合并可以减少小区间切换次数，提高速率性能及可靠性。

2.2.3 5G高频段的车体穿透损耗更大

5G无线通信系统的目前使用频段为3.5 GHz，自由空间损耗及车厢损耗较1.8 GHz频段高，其中自由空间传播损耗高6 dB，车体传播损耗高3~5 dB。CRH380A车厢整体穿透损耗平均值约20 dB，3.5 GHz频段穿透损耗更高约25 dB，不同车型采用材质差异，穿透损耗差异也很大（见表2），且基站到高铁的入射角越小，损耗越大，因此，在网络规划设计时入射角应控制在10°以上，基站到高铁最小距离为：80~200 m。

表2不同列车不同频段的穿透损耗（dB）

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高铁多场景覆盖规划方案

3.1 规划目标建议

目前阶段高铁主要以视频、游戏、社交、办公类等eMBB业务为主。根据4G高铁数据统计，高铁业务模型与大网eMBB类似，文字、图片带宽需求变化不大，视频业务占比56%左右，未来业务较长时间内仍以“高清视频”为核心，带动流量增长。

5G初期，eMBB主要以2K视频+智能手机、4K视频+HDTV/VR为主要业务（见表3）；其中2K视频是5G业务最小业务要求，高铁场景大部分时间处于200~350kmh高速运行，边缘速率规划建议按照4K视频业务需求：下行速率要求>50Mbps，上行速率可根据不同覆盖目标要求确定，初期建议UL>1Mbps，后续再分阶段考虑>5Mbps满足1080P视频上传要求。

高铁场景边缘速率规划建议：DL 50Mbps，UL 1 Mbps /5Mbps。

表3 eMBB业务带宽需求

3.2 链路预算分析

合理站址规划是网络质量基石，在网络规划选址既要充分考虑利用现有资源，同时也要考虑站址规划合理性。目前中国获取5G频谱资源为3500~3600 MHz， 根据业界内专家的初步评估，3.5 GHz频段的总损耗比1.8 GHz约大14 dB，主要表现在空间损耗、车厢穿透损耗及间隙发射带来损耗。基于目标边缘吞吐量的小区半径链路预算分析如表4所示，从表4可以看出，5G站址规划站距势必比4G网络更密。

表4 基于目标边缘吞吐量的小区半径链路预算

（2.5ms单周期）