摘要：5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和廣泛應(yīng)用，使得人們對在線娛樂和移動辦公的需求逐年攀升，而高鐵旅行給乘客帶來的舒適感受，又更進(jìn)一步激發(fā)了乘客對移動通信網(wǎng)絡(luò)的要求，因此，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋對給乘客提供舒適的通信感知和提升運(yùn)營商品牌競爭力方面有著重要作用。本文針對高鐵場景的特點和客戶需求，研究解決高鐵5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋難題，以加快推進(jìn)高鐵5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。
關(guān)鍵詞：5G；高鐵；覆蓋
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.012
中圖分類號：TN 929.53" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-03
Research on 5G Network Coverage Scheme for High speed Railway
LI Chunxu1， WANG Xiaonan2
（1.Liaoning Postal and Telecommunications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Shenyang 110179， China
2.Software College of Shenyang University of Technology， Shenyang 110000， China）
Abstract： The construction and widespread application of 5G networks have led to an increasing demand for online entertainment and mobile office. The comfort brought by high-speed rail travel has further stimulated passengers' requirements for mobile communication networks. Therefore， 5G communication network coverage plays an important role in providing passengers with comfortable communication perception and enhancing the brand competitiveness of operators. The article focuses on the characteristics of high-speed rail scenarios and customer needs， researching solutions to the challenges of high-speed rail 5G network coverage， in order to accelerate the construction of high-speed rail 5G networks.
Keywords： 5G; high-speed rail; cover
1" "高鐵5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的必要性
我國的高鐵線路建設(shè)正由原來的四縱四橫鐵路線逐漸向八縱八橫鐵路網(wǎng)完善，預(yù)計到2030年時，高速鐵路網(wǎng)總里程將達(dá)到4.5萬千米。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們的生活、工作、學(xué)習(xí)方式都有了很大程度的改變。在越發(fā)完善的移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的影響下，在線教學(xué)、線上購物、辦公會議等許多方面也同樣出現(xiàn)了新的形式，移動辦公、移動購物成為了常態(tài)。在高速移動的高鐵車廂里擁有高速率網(wǎng)絡(luò)，通過高速無線網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)已經(jīng)成為高鐵乘客出行的重要需求，而高鐵沿線5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為滿足高鐵乘客極致體驗的迫切要求[1]。
2" "高鐵5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點與優(yōu)勢
5G技術(shù)在高鐵場景中的應(yīng)用，首先體現(xiàn)在其高速率、低時延的特點上。這一特點使得高鐵乘客能夠享受到更加流暢清晰的視頻、音頻、圖像等大帶寬傳輸和實時傳輸?shù)姆⻊?wù)，極大地提升了乘客的出行體驗。同時，5G網(wǎng)絡(luò)還具有更好的網(wǎng)絡(luò)安全性和穩(wěn)定性，能夠有效地保障旅客的通信和數(shù)據(jù)安全。
5G網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的彈性和智能化水平，實現(xiàn)了針對不同情況的網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配和優(yōu)化，從而提升了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和性能。5G網(wǎng)絡(luò)更高的帶寬和更低的時延，為高鐵乘客提供了更優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)體驗。5G技術(shù)在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中也能夠?qū)崿F(xiàn)更好的隱私保護(hù)，并支持更多的終端設(shè)備連接，提供更多的信息服務(wù)。
3" "高鐵5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨的問題及解決
方案
在以往的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，高速鐵路覆蓋場景始終都是最復(fù)雜的場景之一。高速鐵路覆蓋場景具有列車行駛速度快、車體密閉性非常好、信號穿透性差、用戶集中度高等特點。在5G網(wǎng)絡(luò)普及的當(dāng)下，由于5G網(wǎng)絡(luò)自身的特點，給高鐵信號覆蓋帶來了全新的挑戰(zhàn)。如何解決高速鐵路場景的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋就成為了擺在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者眼前的難題。
3.1 多普勒效應(yīng)引起的頻偏及解決方案
高速鐵路5G信號的多普勒效應(yīng)是因為基站與信號接收端之間的相對運(yùn)動，而這種相對運(yùn)動會導(dǎo)致波源的發(fā)射頻率和接收頻率有所差別。簡單來說，當(dāng)兩者相互接近時，波長變長、頻率變低，反之亦然。如圖1所示，在高鐵場景中，當(dāng)接收終端與車廂內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信信號有相對運(yùn)動時，終端接收到的信號頻率就會發(fā)生偏差。這個偏差將直接影響移動終端的接入和切換成功率，當(dāng)偏差大到一定程度時甚至?xí)斐山K端掉話或斷網(wǎng)。一般情況下，當(dāng)列車運(yùn)行速度小于250 km/h時，多普勒效應(yīng)對信號影響比較小；當(dāng)列車運(yùn)行速度高于250 km/h時，多普勒效應(yīng)對于通信信號的影響就會很大，此時會導(dǎo)致終端接收到信號頻率產(chǎn)生大幅偏差，掉話率增加，無線信號的質(zhì)量也將嚴(yán)重下降，移動終端脫網(wǎng)概率嚴(yán)重上升，終端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將很難實現(xiàn)[2]。
多普勒頻移計算的公式為：
fd=f0/c×v×cosA" " " " " " " " （1）
式中，c代表光速；v代表高鐵車速；A代表軌道方向與信號發(fā)射方向的夾角。由此可見，高鐵車速與信號源相對運(yùn)動速度和多普勒頻移程度成正比。根據(jù)計算可以得到表1。并由表1可知，在高鐵5G網(wǎng)絡(luò)中，基站所接收到的終端頻偏要比4G高很多，也就是說5G網(wǎng)絡(luò)受高速鐵路運(yùn)行速度的影響要遠(yuǎn)大于4G網(wǎng)絡(luò)。
因為高鐵場景會產(chǎn)生多普勒頻移，因此終端接收的頻率也會有偏移，這種問題會導(dǎo)致OFDM符號間和符號內(nèi)產(chǎn)生干擾，可能會造成發(fā)射數(shù)據(jù)無法解調(diào)，最終導(dǎo)致終端無法入網(wǎng)。如果終端無法適應(yīng)其對應(yīng)的頻率和速度的頻偏范圍，則終端入網(wǎng)將會更加困難，更會產(chǎn)生吞吐率下降和KPI降低等網(wǎng)絡(luò)問題。
針對這個問題，可以利用符號間和符號內(nèi)的頻偏補(bǔ)償來解決。頻偏補(bǔ)償是基站用上行導(dǎo)頻信號對頻偏值進(jìn)行估計，然后進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N方式。其中，符號間頻偏補(bǔ)償是利用頻偏在時域上產(chǎn)生一個線性相位變化進(jìn)行相位糾正的。對于符號內(nèi)的頻偏補(bǔ)償，主要使用頻域濾波法，該方法通過跟蹤高鐵多普勒頻偏的變化并分析，從而解決物理層解調(diào)性能急劇惡化的問題[3]。
3.2 高鐵5G信號的穿透損耗及解決方案
高鐵車體密閉性特別好，其材料大多為特殊型號不銹鋼或合金材料。這種材料會對5G網(wǎng)絡(luò)信號傳播造成很大程度的衰減，從而導(dǎo)致車體內(nèi)覆蓋效果減弱，終端接收網(wǎng)絡(luò)信號的質(zhì)量變差。舉個例子，如果列車車體的材料是特殊合金材料，當(dāng)5G信號垂直入射到車體上時，穿透損耗大概為30 dB，而5G基站通常沿著鐵路沿線建設(shè)，這就導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方向基本是順著鐵路沿線的，5G信號進(jìn)入車廂的入射角度將會很小，這將比垂直入射車體產(chǎn)生更大的信號損耗。同時，高鐵車體對于5G頻段的屏蔽也要大于4G頻段。上述的5G信號在穿透車體時產(chǎn)生大量損耗，將導(dǎo)致車內(nèi)終端接收信號強(qiáng)度減弱，從而對高速鐵路車廂內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
針對高鐵列車穿透損耗問題，在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，應(yīng)盡量選擇在沒有障礙物的空間，并且基站應(yīng)與鐵軌保持相應(yīng)的覆蓋距離，避免信號穿透車體的入射角（即掠射角）過小導(dǎo)致穿透損耗過大。同時也需要考慮空間傳播損耗對網(wǎng)絡(luò)信號的影響。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試經(jīng)驗，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)信號入射角小于10°時，高鐵車輛的穿透損耗會明顯增加。基站天線與基站鐵軌的垂直距離計算公式如下：
H=（S/2）×tan（掠射角）" " " " " "（2）
由此可知，根據(jù)掠射角、站間距（S），便可計算出基站天線與基站鐵軌的垂直距離（H）。例如，當(dāng)站間距為500 m時候，S=0.5 km，臨界掠射角設(shè)計為10°，計算得出基站天線與基站鐵軌的垂直距離（H）為44 m。在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，需綜合考慮車體對不同頻段穿透損值來設(shè)置臨界掠射角的大小。
如圖2所示，在規(guī)劃設(shè)計基站位置的時候，針對平直的軌道，基站建設(shè)位置點應(yīng)選擇交錯建設(shè)在鐵路的兩側(cè)，呈“W”形狀分布。這種設(shè)計方式有利于均衡車體兩側(cè)信號強(qiáng)度和質(zhì)量。而對于圓弧形鐵路，應(yīng)盡量將基站位置選擇在內(nèi)側(cè)。這種布局可提高無線信號入射角角度，降低列車本身對5G網(wǎng)絡(luò)信號的穿透損耗，從而提高5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。
圖2 高鐵基站布局示意圖
為保證連續(xù)覆蓋，在站間距500 m的情況下，覆蓋半徑建議在200 m以內(nèi)。掠射角取10°，相對站高建議為17～35 m。這樣可保證列車兩邊的座位都能夠有好的覆蓋效果。
3.3 高鐵場景中5G信號的頻繁切換及解決方案
當(dāng)列車時速到達(dá)350 km/h的時候，高鐵列車會快速通過臨近小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域到達(dá)下一個小區(qū)覆蓋區(qū)。由于5G網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、端到端的時延小于
1 ms的特點，在短時間內(nèi)列車經(jīng)過的基站小區(qū)增多會導(dǎo)致終端用戶在幾個小區(qū)間頻繁切換，如果此時切換區(qū)相關(guān)參數(shù)不合理，將導(dǎo)致終端切換失敗，從而引發(fā)嚴(yán)重的掉話或吞吐率明顯下降。因此，提升高鐵用戶體驗感知的重要措施就是減少高鐵5G網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)間切換[4]。
針對高鐵小區(qū)切換頻繁的情況，應(yīng)該合理地規(guī)劃小區(qū)間覆蓋重疊區(qū)。區(qū)域過小和過大分別會導(dǎo)致切換失敗和干擾增加，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將會受到不良影響。在做網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的時候，應(yīng)根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置來合理設(shè)計切換區(qū)。對于不同的列車行駛速度重疊覆蓋區(qū)域距離情況如表3所示。
另外，各設(shè)備廠家也在針對高鐵覆蓋場景研發(fā)新的設(shè)備，以提高設(shè)備覆蓋能力。其中RRU合并技術(shù)可以有效地緩解高鐵5G小區(qū)因車速過快引起的小區(qū)間頻繁切換的問題。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)經(jīng)驗，單個小區(qū)最多可支持12臺RRU設(shè)備合并，從而形成超級小區(qū)。超級小區(qū)能夠有效地減少小區(qū)間切換的次數(shù)，從而減少配置PCI用量，進(jìn)而可以有效避免由于頻繁切換引起的模三干擾。
4" "高鐵5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 高鐵線路覆蓋增強(qiáng)技術(shù)
高鐵線路覆蓋增強(qiáng)技術(shù)通過“多通道設(shè)備+高增益定向天線”的建設(shè)方式實現(xiàn)。由于高鐵列車移動速度高，對于此種覆蓋場景很難發(fā)揮64T64R、32T32R多天線技術(shù)的優(yōu)勢，經(jīng)過實驗測試，8T8R無論從成本、功耗還是小區(qū)合并能力來看，其覆蓋效果都具有很大優(yōu)勢。
4.2 多普勒頻移校正技術(shù)
該技術(shù)通過對軌道交通和信道建模的分析，快速分辨出不同路徑上的多普勒頻移情況，并在短時間內(nèi)進(jìn)行預(yù)估和校正。多普勒頻移估計技術(shù)具有時延短、精度高、實現(xiàn)復(fù)雜度低的特點，該技術(shù)適合于高速移動和復(fù)雜場景下的多普勒頻移估計與校正，而且相對于傳統(tǒng)方法，能夠有效改善多普勒頻移補(bǔ)償?shù)姆秶?/P>
4.3 增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）
5G增強(qiáng)型移動寬帶具備較低時延、更大吞吐量的特點。主要體現(xiàn)在以下領(lǐng)域：超高清視頻、傳超高清視頻流的傳輸、可感知的互聯(lián)網(wǎng)、寬帶光纖用戶以及虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，能夠支持旅客在快速移動的高鐵列車上享受高速率上網(wǎng)的體驗。
5" "高鐵5G網(wǎng)絡(luò)其他應(yīng)用
5G網(wǎng)絡(luò)可以滿足車站值班員和車長等多方之間的無線通信需求。5G網(wǎng)絡(luò)能夠完成數(shù)字調(diào)度通信系統(tǒng)中的調(diào)度，專用、站間區(qū)間等傳統(tǒng)語音通信調(diào)度，還可以進(jìn)行多方視頻通話。5G網(wǎng)絡(luò)還能使高鐵提供智能引導(dǎo)、智能安檢及智慧旅途等服務(wù)，以及實現(xiàn)鐵路生產(chǎn)安全作業(yè)管控、鐵路集裝箱貨物調(diào)度管理、智慧車站建設(shè)及綜合安防監(jiān)控管理，實對列車及集裝箱貨物進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度和管理，以及對鐵路線路、列車車站和客流進(jìn)行監(jiān)控管理。高鐵5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將引起鐵路服務(wù)的重大突破，不僅能夠有效提升用戶旅途體驗，為實現(xiàn)智慧高鐵、智慧出行提供技術(shù)上支撐，而且能夠進(jìn)一步推進(jìn)各地人才互通和文化交流。此外，5G技術(shù)結(jié)合智能監(jiān)控和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，能夠全面提升鐵路系統(tǒng)整體智能化。
6" "結(jié)束語
高速鐵路5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋作為5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要組成場景，其網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞已經(jīng)逐漸對人們的日常出行體驗產(chǎn)生影響。本文對高速鐵路5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的特點以及面臨的問題進(jìn)行了分析，給出了具體的解決方案，并進(jìn)一步探討了高速鐵路5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)，以及高鐵5G網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展與應(yīng)用。未來隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，智慧鐵路的設(shè)計理念在技術(shù)上也將實現(xiàn)重大突破，相信在不久的將來，鐵路系統(tǒng)將實現(xiàn)信息化、自動化、智能化。■
參考文獻(xiàn)
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作者簡介：李春旭（1988—），男，漢族，遼寧沈陽人，工程師，本科，研究方向為無線通信。
王曉楠（1980—），女，漢族，遼寧沈陽人，助理研究員，碩士，研究方向為信息通信。
