5G怎样覆盖高铁?

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针对5G高铁覆盖面临诸多困境,从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、穿透损耗大等方面进行了分析。针对高铁场景特征及业务体验需求,研究并提出5G高铁覆盖解决方案和规划设计方法,为运营商在高铁场景快速部署5G网络提供技术支撑。

01  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。

02  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

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

q3.1

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)。

q3.2

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)

q3.3

03  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

q3.4

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)

q3.5

从基于目标边缘吞吐量的小区半径链路预算分析,Cost-Hata模型与3GPP模型测算站距差异较大,按目前广东联通高铁4G现有存量站址站距600~800 m,至少需增加1倍以上站址方可满足5G网络覆盖要求,这对运营商来说是一项艰巨的任务,主要表现在站址选取、物业协调、工程建设、投资成本以及管道传输资源等方面。

如何克服高频段损耗站点过密问题、降低建设成本,成为重中之重。

NR下行可以和LTE现网1:1共站,通过上下行解耦、DC双连接提升上行覆盖:从链路预算及速率满足情况来看,5G高铁覆盖主要表现为上行受限,小区边缘速率超过50Mbps,可以实现和4G现网站点1:1共站。

从上行边缘速率情况来看,5G相对LTE FDD存在上行覆盖受限,需要上下行解耦或DC双连接提升上行覆盖,解耦后上行速率提升明显。

小区实际覆盖半径可根据具体站点规划情况确定,在1:1基础上,进行个别站点补充满足规划目标。

图2给出了边缘吞吐率与小区半径的关系示意。

q3.6

图2  边缘吞吐率与小区半径的关系

3.3   切换区域设计

由于5G无线通信系统的需求,系统可靠性为99.999%,端到端时延<1ms,在列车时速达350 km/h,双向切换区域范围较大。

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,因此,减少小区间切换是提升高铁用户体验感知的关键。

5G系统需要的切换重叠区域测算如图3所示,A过渡区为信号到满足切换电平迟滞(~2dB)需要的距离,并且考虑防止信号波动需重新测量而影响切换的距离余量。

B切换区域:时延1为终端测量上报周期+切换时间迟滞,时延2为切换执行时延,包括信令面及数据面执行时延。

q3.7

图3  切换重叠区域测算示意

合理的重叠覆盖区域规划是实现业务连续的基础,重叠覆盖区域过小会导致切换失败,过大会导致干扰增加,影响用户业务感知,实际规划中,根据网络参数配置及时延要求评估,进行合理的切换区域设计。

考虑单次切换时,重叠距离= 2* (电平迟滞对应距离+切换触发时间对应距离+切换执行距离)。

以常用配置(切换测量及判决160ms、切换执行20ms)为例,不同列车速度对应的重叠距离需求如表5所示,5G网络的小区间重叠覆盖距离150m,可以满足小区间切换重叠覆盖区要求。

表5 不同列车速度对应的重叠距离需求

q3.8

小区合并应用建议:根据4G网络经验,综合考虑大网用户的容量和性能,合理选择RRU共小区方案,是减少频繁切换、提高用户感知的有效方案。

5G网络中也需要继续采用RRU合并解决切换问题,5G采用hypercell(相同逻辑小区)技术小区合并后,广播信道共小区,形成一个逻辑小区,其业务信道TRP可独立调度,容量无损,有效保障用户感知。

Hyper Cell:基站侧基于上行信号判断切换,用户在同一个逻辑小区内移动时不感知TRP变更。

3.4   高铁线路覆盖方案

线路站址规划:高铁线路覆盖站址建议以“之”字形布站,以最大限度保证列车两边座位都有比较好的覆盖,尤其是在列车会车的时候能保证车内通信质量最佳。

站轨距:据无线信号传播特点,信号入射角越小,穿损越大,通常建议入射角大于10度,考虑到天线水平波瓣在90度方向增益约为0dBi,为保证不出现塔下黑,根据链路预算,建议站点离铁轨距离不超过200m。

站高:站高设计需保证信号直射径能从列车玻璃穿透,减少信号从车顶穿透几率,天线相对铁轨高度在20~45m为宜;方位角:不同入射角对应的穿透损耗不同,入射角越小,穿透损耗大。

实际测试表明,当入射角小于10°以后,穿透损耗增加的斜率变大,因此方位角设置中应保证天线与铁路夹角大于10°;下倾角:5G高铁场景天线下倾设置原则, 天线垂直波束最大增益方向指向边缘。

入射角与基站离铁轨的距离关系示意如图4所示。

q3.9

图4 入射角与基站离铁轨的距离关系示意

建议相对站高在20~45m,站点离铁轨距离在35~120m,保证列车两边座位都有比较好的覆盖。

高铁线路覆盖设备选型建议:高铁场景中2T/4T无法满足一般站间距规划,8T可满足500~650m站间距覆盖,32T/64T可满足相对较大覆盖距离(见表6)。

32T/64T理论上覆盖好于8T,容量高于8T,但小区合并、波束赋形算法难度更大、要求高,需要根据高铁线路场景及业务情况,并综合考虑成本、技术成熟度,确定建设方案,从目前厂家设备情况来看,8T方案的成熟度最高。

表6 不同类型设备覆盖对比

q3.10

3.5   高铁隧道覆盖方案

高铁隧道由于隧道空间狭小,列车速度快,生产风压及安全性考虑导致无法采用常规天线覆盖,建议隧道内采用泄露电缆进行覆盖(见图5),两侧洞口采用定向天线朝外延伸,增大室外宏站与隧道区域的重叠覆盖带区域,保证切换的顺利完成。

q3.11

图5  高铁隧道覆盖示意

表7给出了覆盖方案的对比。

表7 覆盖方案对比

q3.12

漏缆及POI情况分析及建议:存量13/8漏缆规格无法支持3.5 GHz,最大截止频率为2.9GHz,无法满足5G演进,采用5/4漏缆可支持3.5GHz,优选2T2R漏缆方案。3.5GHz漏缆的2种部署方案,建议采用漏缆替换方案。

  1. 800M~3.6G全带漏缆替换存量漏缆:无额外安装空间要求,对sub3G KPI存在恶化风险。
  2. 新增3.5G only窄带漏缆:指标更好,不影响sub3G KPI,但有额外安装空间要求,安装位置导致穿损更大。

存量POI无法支持3.5GHz,也只支持2.6GHz频段60MHz,NR3.5GHz需新增或替换POI,建议隧道组网使用POI+漏缆,3家运营商共建共享,降低建设难度及成本。

3.6   高铁站厅覆盖方案

高铁站枢纽主要功能区包含站厅、站台、出入口等,场景空旷,但容量密度高,站厅、站台小区间干扰控制存在困难。

从用户分布特点来看,高铁站大厅用户密度大,高铁运行时间段内人流巨大,且用户流动性强,大量用户随列车运行移动。

从业务特征来看,高铁站厅是典型高流量区域,用户数密集、业务高热。

根据高铁站厅的场景特征,建议使用数字化室设备分进行覆盖,可选择新增3/4/5G多模数字化室分模块,或在现有传统DSA系统基础上,新增5G数字化室分模块混合部署(见图6)。

q3.13

图6  高铁站厅覆盖示意

站厅使用数字化室分设备具备如下优势。

  1. 高性能,提升用户体验,pRRU一根缆支持4*4MIMO,提升吞吐率与小区容量。
  2. 光纤+网线,缩短施工周期;端到端可维可控,与宏站共网管,降低维护成本。
  3. 支持软件扩容,无需硬件改造小区灵活劈裂,应对话务持续增长,保障用户体验。

04  高铁覆盖解决方案建议

根据5G小区半径及链路预算分析,按目前广东联通高铁4G现有存量站址规模,至少需增加1倍站址才可满足5G网络覆盖要求,这对运营商来说是一项艰巨的任务,且建网成本无法承受。

本文研究克服高频段损耗站点过密问题的方案,建议NR下行可以和LTE现网1:1共站,通过上下行解耦、DC双连接提升上行覆盖,在1:1基础上根据规划评估进行部分区域按需补充站点,满足规划目标。

高铁场景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,减少小区间切换是提升高铁用户体验感知的关键。

建议进行合理的重叠覆盖区域规划,并采用RRU合并解决切换问题,有效保障用户感知。

高铁完整覆盖解决方案包括线路、隧道、站厅,其中高铁线路覆盖站址建议以“之”字形布站,建议入射角大于10度,站点离铁轨距离不超过200m,天线相对铁轨高度在20~45m为宜,根据站轨距、高度、入射角规划设计合理的方位角及下倾角,保障覆盖效果。

建议隧道内采用泄露电缆进行覆盖,两侧洞口采用定向天线朝外延伸,增大室外宏站与隧道区域的重叠覆盖带区域,保证切换的顺利完成,详细评估当前POI、漏缆演进到5G条件限制,建议隧道组网使用POI+漏缆,3家运营商共建共享,降低建设难度及成本。

高铁站厅建议使用数字化室设备分进行覆盖,可选择新增3/4/5G多模数字化室分模块,或在现有传统DSA系统基础上,新增5G数字化室分模块混合部署。使用数据化室分具备易部署、易维护、平滑扩容等优势。

参考文献

  • Vincent W.S.Wong、Robrt Schober、Derrich Wing Kwan Ng、Li-Chun Wang 《5G系统关键技术详解》  人民邮电出版社
  • Afif Osseiran、Jose F.Monserrat、Patrich Marsch《5G移动无线通信技术》 人民邮电出版社
  • 沈嘉、索世强、全海洋、赵训威、胡海静、姜怡华《3GPP长期研究(LTE)技术原理与系统设计》  人民邮电出版社
  • 杨峰义、张建敏、王海宁等《5G网络架构》,电子工业出版社

作者简介:林铁力,工程师,本科,主要从事无线通信网的规划建设工作。

本文来源:5G新技术

来源: 无线深海

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