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5G時(shí)代高鐵覆蓋解決方案研究

2020-12-17 09:31 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)

導(dǎo)讀:針對5G高鐵覆蓋面臨諸多困境,從5G網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行了分析。針對高鐵場景特征及業(yè)務(wù)體驗(yàn)需求,研究并提出5G高鐵覆蓋解決方案和規(guī)劃設(shè)計(jì)方法,為運(yùn)營商在高鐵場景快速部署5G網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支撐。

01

概述

截至2018年底我國高鐵里程達(dá)2.9萬km,2025年將達(dá)3.8萬km,累計(jì)發(fā)送旅客人數(shù)已超70億人次,在4G時(shí)代,各大運(yùn)營商針對高鐵覆蓋屬于品牌場景網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重中之重。隨著高鐵用戶規(guī)模增長及多樣化的業(yè)務(wù)感知要求,在5G大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(guī)劃設(shè)計(jì)方法,指導(dǎo)快速推進(jìn)5G時(shí)代的高鐵覆蓋及精品高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

02

5G高鐵覆蓋重要性及技術(shù)難點(diǎn)

2.1 5G高鐵覆蓋的重要性

高鐵建設(shè)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(jì)發(fā)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(shí)代運(yùn)營商需要針對高鐵覆蓋擬定針對性的方案,在網(wǎng)絡(luò)覆蓋及用戶體驗(yàn)上形成優(yōu)勢。

高鐵乘客特征和運(yùn)營商價(jià)值客戶高度重合,是運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)品牌的重要展示窗口:高鐵運(yùn)輸能力大,單車容納能力高,且環(huán)境舒適,用戶業(yè)務(wù)使用比例高,整體業(yè)務(wù)需求較其他場景大;高鐵用戶中商務(wù)人士乘坐比例高,高端客戶占比大,對于提升網(wǎng)絡(luò)品牌具有重要意義,是5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。

2.2 5G高鐵覆蓋技術(shù)難點(diǎn)

高鐵普遍存在的三大挑戰(zhàn):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(shí)代高鐵覆蓋更加困難,5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案需要重點(diǎn)關(guān)注站點(diǎn)規(guī)劃與布局、系統(tǒng)切換重疊區(qū)域設(shè)計(jì)、頻率糾偏等方面,實(shí)現(xiàn)更好網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2.1 多普勒頻偏影響接收機(jī)解調(diào)性能

5G無線通信系統(tǒng)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(cè)中心頻點(diǎn))會影響接收機(jī)解調(diào)性能,多普勒頻偏在5G網(wǎng)絡(luò)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(dá)到350km/h時(shí),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(tài)下如何克服多普勒頻偏是5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。多普勒效解決方案主要為通過基站設(shè)備糾偏算法,進(jìn)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

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2.2.2 超高速移動導(dǎo)致切換區(qū)不足及頻繁切換問題

5G無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性需求為99.999%,端到端時(shí)延<1ms,在列車時(shí)速350 km/h,切換區(qū)域超過90米,高速移動時(shí)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(qū)頻繁切換,切換時(shí)帶來的吞吐率體驗(yàn)下降明顯,甚至掉話增加(如圖1所示)。

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圖1 高鐵小區(qū)切換示意

頻繁的小區(qū)切換將極大降低用戶的感知,成為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。解決辦法需要合理的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)更快的小區(qū)重選和合理的小區(qū)重疊區(qū)滿足小區(qū)間切換要求,同時(shí),通過小區(qū)合并可以減少小區(qū)間切換次數(shù),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(tǒng)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)入射角應(yīng)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)

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03

高鐵多場景覆蓋規(guī)劃方案

3.1 規(guī)劃目標(biāo)建議

目前階段高鐵主要以視頻、游戲、社交、辦公類等eMBB業(yè)務(wù)為主。根據(jù)4G高鐵數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),高鐵業(yè)務(wù)模型與大網(wǎng)eMBB類似,文字、圖片帶寬需求變化不大,視頻業(yè)務(wù)占比56%左右,未來業(yè)務(wù)較長時(shí)間內(nèi)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(jī)、4K視頻+HDTV/VR為主要業(yè)務(wù)(見表3);其中2K視頻是5G業(yè)務(wù)最小業(yè)務(wù)要求,高鐵場景大部分時(shí)間處于200~350kmh高速運(yùn)行,邊緣速率規(guī)劃建議按照4K視頻業(yè)務(wù)需求:下行速率要求>50Mbps,上行速率可根據(jù)不同覆蓋目標(biāo)要求確定,初期建議UL>1Mbps,后續(xù)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(guī)劃建議:DL 50Mbps,UL 1 Mbps /5Mbps。

表3 eMBB業(yè)務(wù)帶寬需求

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3.2 鏈路預(yù)算分析

合理站址規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量基石,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃選址既要充分考慮利用現(xiàn)有資源,同時(shí)也要考慮站址規(guī)劃合理性。目前中國獲取5G頻譜資源為3500~3600 MHz, 根據(jù)業(yè)界內(nèi)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(xiàn)在空間損耗、車廂穿透損耗及間隙發(fā)射帶來損耗?;谀繕?biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算分析如表4所示,從表4可以看出,5G站址規(guī)劃站距勢必比4G網(wǎng)絡(luò)更密。

表4 基于目標(biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算

(2.5ms單周期)

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從基于目標(biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)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(lián)通高鐵4G現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)覆蓋要求,這對運(yùn)營商來說是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),主要表現(xiàn)在站址選取、物業(yè)協(xié)調(diào)、工程建設(shè)、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(diǎn)過密問題、降低建設(shè)成本,成為重中之重。

NR下行可以和LTE現(xiàn)網(wǎng)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(yù)算及速率滿足情況來看,5G高鐵覆蓋主要表現(xiàn)為上行受限,小區(qū)邊緣速率超過50Mbps,可以實(shí)現(xiàn)和4G現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)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(qū)實(shí)際覆蓋半徑可根據(jù)具體站點(diǎn)規(guī)劃情況確定,在1:1基礎(chǔ)上,進(jìn)行個(gè)別站點(diǎn)補(bǔ)充滿足規(guī)劃目標(biāo)。

圖2給出了邊緣吞吐率與小區(qū)半徑的關(guān)系示意。

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圖2 邊緣吞吐率與小區(qū)半徑的關(guān)系

3.3 切換區(qū)域設(shè)計(jì)

由于5G無線通信系統(tǒng)的需求,系統(tǒng)可靠性為99.999%,端到端時(shí)延<1ms,在列車時(shí)速達(dá)350 km/h,雙向切換區(qū)域范圍較大。終端用戶在小區(qū)頻繁切換,切換時(shí)帶來的吞吐率體驗(yàn)下降明顯,甚至掉話增加,因此,減少小區(qū)間切換是提升高鐵用戶體驗(yàn)感知的關(guān)鍵。

5G系統(tǒng)需要的切換重疊區(qū)域測算如圖3所示,A過渡區(qū)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(qū)域:時(shí)延1為終端測量上報(bào)周期+切換時(shí)間遲滯,時(shí)延2為切換執(zhí)行時(shí)延,包括信令面及數(shù)據(jù)面執(zhí)行時(shí)延。

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圖3 切換重疊區(qū)域測算示意

合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ),重疊覆蓋區(qū)域過小會導(dǎo)致切換失敗,過大會導(dǎo)致干擾增加,影響用戶業(yè)務(wù)感知,實(shí)際規(guī)劃中,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置及時(shí)延要求評估,進(jìn)行合理的切換區(qū)域設(shè)計(jì)??紤]單次切換時(shí),重疊距離= 2* (電平遲滯對應(yīng)距離+切換觸發(fā)時(shí)間對應(yīng)距離+切換執(zhí)行距離)。

以常用配置(切換測量及判決160ms、切換執(zhí)行20ms)為例,不同列車速度對應(yīng)的重疊距離需求如表5所示,5G網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)間重疊覆蓋距離150m,可以滿足小區(qū)間切換重疊覆蓋區(qū)要求。

表5 不同列車速度對應(yīng)的重疊距離需求

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小區(qū)合并應(yīng)用建議:根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn),綜合考慮大網(wǎng)用戶的容量和性能,合理選擇RRU共小區(qū)方案,是減少頻繁切換、提高用戶感知的有效方案。5G網(wǎng)絡(luò)中也需要繼續(xù)采用RRU合并解決切換問題,5G采用hypercell(相同邏輯小區(qū))技術(shù)小區(qū)合并后,廣播信道共小區(qū),形成一個(gè)邏輯小區(qū),其業(yè)務(wù)信道TRP可獨(dú)立調(diào)度,容量無損,有效保障用戶感知。

Hyper Cell:基站側(cè)基于上行信號判斷切換,用戶在同一個(gè)邏輯小區(qū)內(nèi)移動時(shí)不感知TRP變更。

3.4 高鐵線路覆蓋方案

線路站址規(guī)劃:高鐵線路覆蓋站址建議以“之”字形布站,以最大限度保證列車兩邊座位都有比較好的覆蓋,尤其是在列車會車的時(shí)候能保證車內(nèi)通信質(zhì)量最佳。

站軌距:據(jù)無線信號傳播特點(diǎn),信號入射角越小,穿損越大,通常建議入射角大于10度,考慮到天線水平波瓣在90度方向增益約為0dBi,為保證不出現(xiàn)塔下黑,根據(jù)鏈路預(yù)算,建議站點(diǎn)離鐵軌距離不超過200m。

站高:站高設(shè)計(jì)需保證信號直射徑能從列車玻璃穿透,減少信號從車頂穿透幾率,天線相對鐵軌高度在20~45m為宜;方位角:不同入射角對應(yīng)的穿透損耗不同,入射角越小,穿透損耗大。實(shí)際測試表明,當(dāng)入射角小于10°以后,穿透損耗增加的斜率變大,因此方位角設(shè)置中應(yīng)保證天線與鐵路夾角大于10°;下傾角:5G高鐵場景天線下傾設(shè)置原則, 天線垂直波束最大增益方向指向邊緣。

入射角與基站離鐵軌的距離關(guān)系示意如圖4所示。

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圖4 入射角與基站離鐵軌的距離關(guān)系示意

建議相對站高在20~45m,站點(diǎn)離鐵軌距離在35~120m,保證列車兩邊座位都有比較好的覆蓋。

高鐵線路覆蓋設(shè)備選型建議:高鐵場景中2T/4T無法滿足一般站間距規(guī)劃,8T可滿足500~650m站間距覆蓋,32T/64T可滿足相對較大覆蓋距離(見表6)。32T/64T理論上覆蓋好于8T,容量高于8T,但小區(qū)合并、波束賦形算法難度更大、要求高,需要根據(jù)高鐵線路場景及業(yè)務(wù)情況,并綜合考慮成本、技術(shù)成熟度,確定建設(shè)方案,從目前廠家設(shè)備情況來看,8T方案的成熟度最高。

表6 不同類型設(shè)備覆蓋對比

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3.5 高鐵隧道覆蓋方案

高鐵隧道由于隧道空間狹小,列車速度快,生產(chǎn)風(fēng)壓及安全性考慮導(dǎo)致無法采用常規(guī)天線覆蓋,建議隧道內(nèi)采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋(見圖5),兩側(cè)洞口采用定向天線朝外延伸,增大室外宏站與隧道區(qū)域的重疊覆蓋帶區(qū)域,保證切換的順利完成。

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圖5 高鐵隧道覆蓋示意

表7給出了覆蓋方案的對比。

表7 覆蓋方案對比

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漏纜及POI情況分析及建議:存量13/8漏纜規(guī)格無法支持3.5 GHz,最大截止頻率為2.9GHz,無法滿足5G演進(jìn),采用5/4漏纜可支持3.5GHz,優(yōu)選2T2R漏纜方案。3.5GHz漏纜的2種部署方案,建議采用漏纜替換方案。

a) 800M~3.6G全帶漏纜替換存量漏纜:無額外安裝空間要求,對sub3G KPI存在惡化風(fēng)險(xiǎn)。

b) 新增3.5G only窄帶漏纜:指標(biāo)更好,不影響sub3G KPI,但有額外安裝空間要求,安裝位置導(dǎo)致穿損更大。

存量POI無法支持3.5GHz,也只支持2.6GHz頻段60MHz,NR3.5GHz需新增或替換POI,建議隧道組網(wǎng)使用POI+漏纜,3家運(yùn)營商共建共享,降低建設(shè)難度及成本。

3.6 高鐵站廳覆蓋方案

高鐵站樞紐主要功能區(qū)包含站廳、站臺、出入口等,場景空曠,但容量密度高,站廳、站臺小區(qū)間干擾控制存在困難。從用戶分布特點(diǎn)來看,高鐵站大廳用戶密度大,高鐵運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)人流巨大,且用戶流動性強(qiáng),大量用戶隨列車運(yùn)行移動。從業(yè)務(wù)特征來看,高鐵站廳是典型高流量區(qū)域,用戶數(shù)密集、業(yè)務(wù)高熱。

根據(jù)高鐵站廳的場景特征,建議使用數(shù)字化室設(shè)備分進(jìn)行覆蓋,可選擇新增3/4/5G多模數(shù)字化室分模塊,或在現(xiàn)有傳統(tǒng)DSA系統(tǒng)基礎(chǔ)上,新增5G數(shù)字化室分模塊混合部署(見圖6)。

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圖6 高鐵站廳覆蓋示意

站廳使用數(shù)字化室分設(shè)備具備如下優(yōu)勢。

a) 高性能,提升用戶體驗(yàn),pRRU一根纜支持4*4MIMO,提升吞吐率與小區(qū)容量。

b) 光纖+網(wǎng)線,縮短施工周期;端到端可維可控,與宏站共網(wǎng)管,降低維護(hù)成本。

c) 支持軟件擴(kuò)容,無需硬件改造小區(qū)靈活劈裂,應(yīng)對話務(wù)持續(xù)增長,保障用戶體驗(yàn)。

04

高鐵覆蓋解決方案建議

根據(jù)5G小區(qū)半徑及鏈路預(yù)算分析,按目前廣東聯(lián)通高鐵4G現(xiàn)有存量站址規(guī)模,至少需增加1倍站址才可滿足5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求,這對運(yùn)營商來說是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),且建網(wǎng)成本無法承受。本文研究克服高頻段損耗站點(diǎn)過密問題的方案,建議NR下行可以和LTE現(xiàn)網(wǎng)1:1共站,通過上下行解耦、DC雙連接提升上行覆蓋,在1:1基礎(chǔ)上根據(jù)規(guī)劃評估進(jìn)行部分區(qū)域按需補(bǔ)充站點(diǎn),滿足規(guī)劃目標(biāo)。

高鐵場景終端用戶在小區(qū)頻繁切換,切換時(shí)帶來的吞吐率體驗(yàn)下降明顯,減少小區(qū)間切換是提升高鐵用戶體驗(yàn)感知的關(guān)鍵。建議進(jìn)行合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃,并采用RRU合并解決切換問題,有效保障用戶感知。

高鐵完整覆蓋解決方案包括線路、隧道、站廳,其中高鐵線路覆蓋站址建議以“之”字形布站,建議入射角大于10度,站點(diǎn)離鐵軌距離不超過200m,天線相對鐵軌高度在20~45m為宜,根據(jù)站軌距、高度、入射角規(guī)劃設(shè)計(jì)合理的方位角及下傾角,保障覆蓋效果。

建議隧道內(nèi)采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋,兩側(cè)洞口采用定向天線朝外延伸,增大室外宏站與隧道區(qū)域的重疊覆蓋帶區(qū)域,保證切換的順利完成,詳細(xì)評估當(dāng)前POI、漏纜演進(jìn)到5G條件限制,建議隧道組網(wǎng)使用POI+漏纜,3家運(yùn)營商共建共享,降低建設(shè)難度及成本。

高鐵站廳建議使用數(shù)字化室設(shè)備分進(jìn)行覆蓋,可選擇新增3/4/5G多模數(shù)字化室分模塊,或在現(xiàn)有傳統(tǒng)DSA系統(tǒng)基礎(chǔ)上,新增5G數(shù)字化室分模塊混合部署。使用數(shù)據(jù)化室分設(shè)具備易部署、易維護(hù)、平滑擴(kuò)容等優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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4、楊峰義、張建敏、王海寧等《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》,電子工業(yè)出版社

作者簡介:

林鐵力,工程師,本科,主要從事無線通信網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)工作。