摘要：? 針對5G高鐵覆蓋面臨諸多困境，從5G網絡高頻段、高功耗、高傳輸帶寬需求、多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大等方面進行了分析。針對高鐵場景特征及業務體驗需求，研究并提出5G高鐵覆蓋解決方案和規劃設計方法，為運營商在高鐵場景快速部署5G網絡提供技術支撐。 01 概述 截至2018年底我國高鐵里程達2.9萬km，2025年將達3.8萬km，累計發送旅客人數已超70億人次，在4G時代，各大運營商針對高鐵覆蓋屬于品牌場景網絡建設的重中之重。隨著高鐵用戶規模增長及多樣化的業務感知要求，在5G大規模建設和應用中，對5G高鐵覆蓋解決方案的需求是非常迫切的。5G高鐵覆蓋方案將面臨諸多困境，如5G網絡高頻段、高功耗、高傳輸帶寬需求、多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大等。本文針對高鐵多種場景，研究并提出對高鐵的5G覆蓋解決方案和規劃設計方法，指導快速推進5G時代的高鐵覆蓋及精品高鐵網絡建設。 02 5G高鐵覆蓋重要性及技術難點 2.1 ?5G高鐵覆蓋的重要性 高鐵建設全面鋪開，快速化、信息化已成為趨勢：中國高鐵里程占全球60%，成為中國人出行第一選擇，累計發送旅客人次已超70億，年增長率超35%。在高鐵信息化及高鐵用戶快速增長的趨勢下，5G時代運營商需要針對高鐵覆蓋擬定針對性的方案，在網絡覆蓋及用戶體驗上形成優勢。 高鐵乘客特征和運營商價值客戶高度重合，是運營商的網絡品牌的重要展示窗口：高鐵運輸能力大，單車容納能力高，且環境舒適，用戶業務使用比例高，整體業務需求較其他場景大；高鐵用戶中商務人士乘坐比例高，高端客戶占比大，對于提升網絡品牌具有重要意義，是5G時代網絡建設的重點。? ? 2.2? 5G高鐵覆蓋技術難點 高鐵普遍存在的三大挑戰：多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大。由于5G主力的3.5GHz頻段頻率高于4G， 5G時代高鐵覆蓋更加困難，5G網絡覆蓋解決方案需要重點關注站點規劃與布局、系統切換重疊區域設計、頻率糾偏等方面，實現更好網絡性能。 2.2.1? ?多普勒頻偏影響接收機解調性能 5G無線通信系統要求峰值移動性支持≥500km/h，高速移動下的多普勒頻偏（接受信號頻率會偏離基站側中心頻點）會影響接收機解調性能，多普勒頻偏在5G網絡影響更大，3.5G相對1.8G頻偏增大一倍，在3.5GHz情況下，列車速度達到350km/h時，上行多普勒頻偏將大于2.2kHz，因此，在高頻段、終端高速移動狀態下如何克服多普勒頻偏是5G網絡關鍵技術難點之一。多普勒效解決方案主要為通過基站設備糾偏算法，進行用戶的頻率糾正來消除多普勒頻偏移帶來影響。 表1 不同頻段的上行最大多普勒頻偏 2.2.2? ?超高速移動導致切換區不足及頻繁切換問題 5G無線通信系統的系統可靠性需求為99.999%，端到端時延＜1ms，在列車時速350 km/h，切換區域超過90米，高速移動時所需要的重疊覆蓋距離明顯高于普通場景，且由于5G站距相對更小頻繁切換問題明顯。高鐵速度350km/h、站距500米情況下，平均3s切換一次，終端用戶在小區頻繁切換，切換時帶來的吞吐率體驗下降明顯，甚至掉話增加（如圖1所示）。 圖1 高鐵小區切換示意 頻繁的小區切換將極大降低用戶的感知，成為5G網絡關鍵技術難點之一。解決辦法需要合理的無線網絡規劃和參數設置，實現更快的小區重選和合理的小區重疊區滿足小區間切換要求，同時，通過小區合并可以減少小區間切換次數，提高速率性能及可靠性。 2.2.3? ?5G高頻段的車體穿透損耗更大 5G無線通信系統的目前使用頻段為3.5 GHz，自由空間損耗及車廂損耗較1.8 GHz頻段高，其中自由空間傳播損耗高6 dB，車體傳播損耗高3~5 dB。CRH380A車廂整體穿透損耗平均值約20 dB，3.5 GHz頻段穿透損耗更高約25 dB，不同車型采用材質差異，穿透損耗差異也很大（見表2），且基站到高鐵的入射角越小，損耗越大，因此，在網絡規劃設計時入射角應控制在10°以上，基站到高鐵最小距離為：80~200 m。 表2不同列車不同頻段的穿透損耗（dB） 03 高鐵多場景覆蓋規劃方案 3.1? ?規劃目標建議 目前階段高鐵主要以視頻、游戲、社交、辦公類等eMBB業務為主。根據4G高鐵數據統計，高鐵業務模型與大網eMBB類似，文字、圖片帶寬需求變化不大，視頻業務占比56%左右，未來業務較長時間內仍以“高清視頻”為核心，帶動流量增長。 5G初期，eMBB主要以2K視頻+智能手機、4K視頻+HDTV/VR為主要業務（見表3）；其中2K視頻是5G業務最小業務要求，高鐵場景大部分時間處于200~350kmh高速運行，邊緣速率規劃建議按照4K視頻業務需求：下行速率要求>50Mbps，上行速率可根據不同覆蓋目標要求確定，初期建議UL>1Mbps，后續再分階段考慮>5Mbps滿足1080P視頻上傳要求。 高鐵場景邊緣速率規劃建議：DL 50Mbps，UL 1 Mbps /5Mbps。 表3? eMBB業務帶寬需求 3.2? ?鏈路預算分析 合理站址規劃是網絡質量基石，在網絡規劃選址既要充分考慮利用現有資源，同時也要考慮站址規劃合理性。目前中國獲取5G頻譜資源為3500~3600 MHz， 根據業界內專家的初步評估，3.5 GHz頻段的總損耗比1.8 GHz約大14 dB，主要表現在空間損耗、車廂穿透損耗及間隙發射帶來損耗。基于目標邊緣吞吐量的小區半徑鏈路預算分析如表4所示，從表4可以看出，5G站址規劃站距勢必比4G網絡更密。 表4 基于目標邊緣吞吐量的小區半徑鏈路預算 （2.5ms單周期） 從基于目標邊緣吞吐量的小區半徑鏈路預算分析，Cost-Hata模型與3GPP模型測算站距差異較大，按目前廣東聯通高鐵4G現有存量站址站距600~800 m，至少需增加1倍以上站址方可滿足5G網絡覆蓋要求，這對運營商來說是一項艱巨的任務，主要表現在站址選取、物業協調、工程建設、投資成本以及管道傳輸資源等方面。如何克服高頻段損耗站點過密問題、降低建設成本，成為重中之重。 NR下行可以和LTE現網1:1共站，通過上下行解耦、DC雙連接提升上行覆蓋：從鏈路預算及速率滿足情況來看，5G高鐵覆蓋主要表現為上行受限，小區邊緣速率超過50Mbps，可以實現和4G現網站點1:1共站。從上行邊緣速率情況來看，5G相對LTE FDD存在上行覆蓋受限，需要上下行解耦或DC雙連接提升上行覆蓋，解耦后上行速率提升明顯。小區實際覆蓋半徑可根據具體站點規劃情況確定，在1:1基礎上，進行個別站點補充滿足規劃目標。 圖2給出了邊緣吞吐率與小區半徑的關系示意。 圖2 ?邊緣吞吐率與小區半徑的關系 3.3? ?切換區域設計 由于5G無線通信系統的需求，系統可靠性為99.999%，端到端時延＜1ms，在列車時速達350 km/h，雙向切換區域范圍較大。終端用戶在小區頻繁切換，切換時帶來的吞吐率體驗下降明顯，甚至掉話增加，因此，減少小區間切換是提升高鐵用戶體驗感知的關鍵。 5G系統需要的切換重疊區域測算如圖3所示，A過渡區為信號到滿足切換電平遲滯（~2dB）需要的距離，并且考慮防止信號波動需重新測量而影響切換的距離余量。B切換區域：時延1為終端測量上報周期+切換時間遲滯，時延2為切換執行時延，包括信令面及數據面執行時延。