5G-A時代的“速度與激情”：如何建設(shè)高鐵精品網(wǎng)絡(luò)？

高鐵是一種現(xiàn)代化的交通工具，具有高速高效、舒適便捷、準(zhǔn)時可靠等特點，乘坐高鐵逐步成為當(dāng)下主流的出行方式之一。在乘車期間，乘客對移動網(wǎng)絡(luò)的需求十分迫切，但由于高鐵有著高移動性的特點，此場景下的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋便成為5G時代的重要課題，面臨著一系列困難和挑戰(zhàn)。本文旨在研究高鐵場景下的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升問題，特別是5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的解決方案；提出采用新一代5G-A 3CC（三載波聚合）技術(shù)，快速推進(jìn)5G時代高鐵精品網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實現(xiàn)高鐵網(wǎng)絡(luò)“信號升格”、體驗升級。

01、目前我國高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在的問題

中國高鐵如今已處于世界領(lǐng)先地位，龐大而密集的客流帶來了極大的用網(wǎng)需求，但由于高鐵客車運行速度快、車廂狹窄、用戶密集，加之運營商站址資源有限，高鐵通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨以下挑戰(zhàn)。

列車運行速度快，“多普勒效應(yīng)”嚴(yán)重

目前，我國高速鐵路的運行時速在200～350km/h之間。京滬高鐵的設(shè)計時速為350km/h，而上海磁懸浮列車最高時速可達(dá)431km/h。列車的高速運行必然會帶來接收信號頻率的變化（多普勒效應(yīng)），且這種“多普勒效應(yīng)”是時變的，從而導(dǎo)致接收機的解調(diào)性能下降。另外，列車的高速運行使得終端穿越蜂窩小區(qū)切換區(qū)域的時間變短，以至于穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時間，從而導(dǎo)致切換失敗，影響用戶的業(yè)務(wù)感知。

信號穿透損耗大，車廂特殊材料加劇信號衰減

高速鐵路的新型列車采用全封閉車廂結(jié)構(gòu)，廂體采用不銹鋼或鋁合金等金屬材料，車窗玻璃為較厚的特殊材料，這導(dǎo)致室外無線信號在高速列車內(nèi)的穿透損耗較大，經(jīng)過實際測試，各種車型的穿透損耗為10dB~33dB。在相同車外電平情況下，車體的損耗越大,意味著車內(nèi)覆蓋面積越小，車內(nèi)電平的下降將導(dǎo)致掉話率、切換成功率、接入成功率等KPI指標(biāo)發(fā)生變化，使網(wǎng)絡(luò)性能下降。

相鄰基站切換頻繁，易導(dǎo)致用戶信號中斷

鐵路線路一般呈線狀或鏈狀分布，與通常的通信基站部署線路有很大不同。按照通常的基站部署方式來覆蓋鐵路沿線，覆蓋范圍將大打折扣，因此鐵路沿線的基站需要呈線狀分布。

場景復(fù)雜多樣，站址資源受限

中國地域遼闊、地形復(fù)雜，山川和河流較多，高鐵運行將穿越城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村、山區(qū)、河流等多種場景，甚至包括隧道和橋梁等場景。以京滬高鐵為例，全長1318千米，包含大小橋梁238座、隧道22個，因此要求高鐵通信組網(wǎng)技術(shù)滿足多種場景覆蓋的要求。

話務(wù)量具有突發(fā)特性

鐵路沿線閑時話務(wù)量需求接近于零，列車經(jīng)過時話務(wù)量劇增，導(dǎo)致忙時話務(wù)量與閑時話務(wù)量差距明顯。在兩輛上下行高鐵列車會車的特殊情況下，話務(wù)量會在短時間內(nèi)劇增，導(dǎo)致用戶體驗下降。

綜上所述，隨著高鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，未來高鐵場景下網(wǎng)絡(luò)覆蓋的挑戰(zhàn)將進(jìn)一步增加，當(dāng)前急需利用現(xiàn)有寶貴站址及頻譜資源，尋找新的建網(wǎng)規(guī)劃思路，在保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋的前提下，盡可能提升高鐵網(wǎng)絡(luò)容量及乘客體驗。

02、5G-A三載波聚合技術(shù)研究

載波聚合技術(shù)原理研究

5G時代，雙載波聚合技術(shù)（2 C C）已規(guī)模應(yīng)用，該技術(shù)可將頻帶內(nèi)相鄰載波聚合，3.5 G H z頻段聚合200MHz帶寬，2.1GHz頻段聚合40MHz帶寬。在5G-A時代，3CC技術(shù)可實現(xiàn)頻帶外載波聚合（如圖1所示），將3.5GHz頻段200MHz帶寬與2.1GHz頻段40MHz帶寬進(jìn)行異頻載波聚合，形成“100MHz+100MHz+40MHz的240MHz”大帶寬。

圖1 三載波聚合技術(shù)示意

5G-A三載波技術(shù)特性研究

3CC是5G-A方案中的重要技術(shù)之一，對提升用戶體驗具有重要價值。3CC技術(shù)的應(yīng)用將成為新一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要組成部分，其技術(shù)特點如下。

1.FSA及MB-SC技術(shù)應(yīng)用

FSA（靈活頻譜接入）技術(shù)以及MB-SC（多頻段服務(wù)小區(qū)）技術(shù)引入了頻譜池化技術(shù)，使得不同頻段、不同載波、不同時隙的頻譜資源可以從離散到統(tǒng)一管理和調(diào)度，各載波從僅簡單獨立調(diào)度方式升級到跨載波調(diào)度，進(jìn)一步提升了頻譜利用率。載波獨立調(diào)度與跨載波調(diào)度對比如圖2所示。

圖2 載波獨立調(diào)度與跨載波調(diào)度對比示意

2.業(yè)務(wù)驅(qū)動，快速響應(yīng)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)狀況，可進(jìn)行智能多載波尋優(yōu)，無論是上行還是下行，都可以實現(xiàn)毫秒級智能選擇最優(yōu)的頻段和載波，形成虛擬大載波，為用戶提供極致體驗，2CC與3CC對比如圖3所示。

圖3 2CC與3CC對比示意

3.SRS載波輪發(fā)

SRS載波輪發(fā)功能可實現(xiàn)全量載波支持SRS，使得UE的上行射頻模塊在PCC和SCC之間以TDM時分輪詢的方式發(fā)送SRS，幫助TDD“下行Only輔載波”獲得SRS信息，改善下行BF性能損失，SRS載波輪發(fā)示意如圖4所示。

圖4 SRS載波輪發(fā)示意

三載波聚合技術(shù)對比研究載波聚合原理允許將多個載波進(jìn)行聚合形成一個更大的傳輸帶寬，聚合的載波數(shù)量越多，可用的傳輸帶寬就越大，峰值速率也就越高。通過聚合的載波數(shù)量及每載波的帶寬確定總傳輸帶寬，這個帶寬決定了該載波在單位時間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，再通過調(diào)制方式和編碼方案整合得出編碼效率。

綜上所述，通過應(yīng)用3CC技術(shù)可大幅提升高鐵網(wǎng)絡(luò)容量及速率，針對車次較多、客流量較大的京廣、京滬高鐵，可通過部署3CC網(wǎng)絡(luò)提升用戶感知。

03、高鐵5G-A 3CC部署方案

高鐵3CC部署規(guī)劃

選取京廣高鐵石家莊北段總里程約16千米的線路區(qū)間，在已建設(shè)的3.5GHz及2.1GHz站雙層網(wǎng)環(huán)境下，進(jìn)行“F+T+T 3CC”開通驗證。該線路區(qū)間高鐵列車時速可達(dá)310km/h，選取復(fù)興號高鐵列車中間不停車的車次進(jìn)行測試。

選取直線路段且連續(xù)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行測試研究，可避免因拐角提高入射角而影響測試真實性的問題。測試車型選取京廣高鐵河北石家莊段復(fù)興號“CR400BF”，選擇高鐵當(dāng)前及未來主流車型對建設(shè)高鐵5G-A 3CC網(wǎng)絡(luò)更具前瞻性及參考意義。

高鐵3CC部署方案

高鐵3CC部署堅持高目標(biāo)牽引、成本最優(yōu)原則，最終實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和感知雙提升。綜合考慮BBU集中、RRU部署、天線安裝及軟件開通等方面，本次部署原則如下。

一是高鐵沿線基站采用“小區(qū)合并”方式，優(yōu)先3.5GHz 200MHz及2.1GHz 40MHz同頻小區(qū)分別合并，其次進(jìn)行3.5GHz及2.1GHz異頻載波聚合；二是BBU 100%放置于綜合架構(gòu)機房，且下掛3CC RRU的3.5GHz和2.1GHz基帶板調(diào)整至共BBU放置；三是RRU拉遠(yuǎn)距離原則上不超過10千米，傳輸前傳方案，充分利舊現(xiàn)網(wǎng)資源情況，以TCO最優(yōu)為原則，靈活采用光纖、前傳波分等解決；四是天線采用多端口寬頻天線，更換高增益天線（19dBi/65度）滿足“3.5GHz 8TR+2.1GHz 4TR”接入；五是5G基站N2/N3/Xn接口傳輸采用UTN承載方式，3CC基站回傳使用25GE接口；六是覆蓋高鐵沿線的基站應(yīng)具有多普勒頻偏補償并做到SRS三載波輪發(fā)。

基于3CC部署原則，在京廣高鐵直線路段部署“FDD NR2.1GHz 4TR+TDD NR3.5GHz 8TR”雙層網(wǎng)絡(luò)，其中2.1GHz為40MHz帶寬，3.5GHz為200MHz帶寬，共計物理站31站。

高鐵3CC測試開通優(yōu)化

本次開通，基站側(cè)“T+F 3CC”頻段組合如下。

小區(qū)頻點配置階段：首先關(guān)閉互斥特性，進(jìn)行3CC小區(qū)頻點設(shè)計，由頻段內(nèi)連續(xù)CA和頻段間CA組成。

站內(nèi)3CC配置階段：進(jìn)行站內(nèi)3CC配置，選擇三個5G小區(qū)，設(shè)置NRCell 1對應(yīng)2.1GHz 40MHz，NRCell 2對應(yīng)3.5GHz 100MHz，NRCell 3對應(yīng)3.5GHz 100MHz，在站內(nèi)3CC配置基礎(chǔ)上陸續(xù)開通其余站間站。

優(yōu)化配置階段：首先完成基線峰值優(yōu)化配置步驟中的定點峰值下發(fā)，隨后配置SRS載波輪發(fā)能力及PMI權(quán)值增強，最終連片測試下發(fā)，正式啟動效果測試。

高鐵3CC部署測試結(jié)果分析

在京廣高鐵成功實現(xiàn)連續(xù)3CC覆蓋后，使用3CC 4R終端進(jìn)行單用戶業(yè)務(wù)體驗測試、多用戶業(yè)務(wù)體驗測試、鎖頻速率測試，驗證在平均站間距470米下，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及用戶體驗的影響，測試分析方案如下。

高鐵通信業(yè)務(wù)具有短時、集中、高話務(wù)特性，在對單用戶業(yè)務(wù)體驗進(jìn)行研究時，需要排除其他用戶行為對測試結(jié)果的影響。對比京廣高鐵同車次開通3CC路段及未開通3CC路段測試結(jié)果，在開通3CC路段的抖音、騰訊視頻、華為暢聯(lián)三種業(yè)務(wù)全程未出現(xiàn)卡頓。

圖5 測試方案流程示意

在證明開通高鐵3CC后對用戶體驗具有明顯提升作用后，進(jìn)一步研究每載波對用戶感知速率的變化。本次實驗先進(jìn)行模型設(shè)計，以滿足1080p高清視頻業(yè)務(wù)體驗下行500Mbit/s、上行100Mbit/s為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行鎖頻高鐵上下行速率測試實驗。通過將沿途站點鎖頻設(shè)置，進(jìn)行測速軟件測試。在時速310km/h的京廣高鐵列車上進(jìn)行5G-A三載波聚合技術(shù)商用測試，系統(tǒng)實測速率達(dá)1.2Gbit/s，相比傳統(tǒng)部署方式網(wǎng)絡(luò)速率提升近3倍。測試結(jié)果表明只有在開通3CC后，下行及上行平均體驗速率才可滿足高鐵用戶優(yōu)質(zhì)業(yè)務(wù)體驗的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，基于對5G-A通信技術(shù)在高鐵建網(wǎng)規(guī)劃的研究，足以證明在用戶對網(wǎng)絡(luò)要求更高、高鐵車型迭代更快、網(wǎng)絡(luò)場景更加復(fù)雜的條件下，5G-A 3CC網(wǎng)絡(luò)部署對于高鐵覆蓋提升具有重要意義。

隨著5G-A時代的來臨，高速、大容量的移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為高鐵信息化建設(shè)的基石，3CC技術(shù)的部署對于高鐵信息化建設(shè)具有重要意義。在高鐵上部署3CC技術(shù)，不僅提升了乘客的網(wǎng)絡(luò)體驗，還為高鐵的信息化建設(shè)提供了強大的技術(shù)支持，有助于推動高鐵智能化、自動化發(fā)展，使高速鐵路交通更加智慧和高效。

*本文刊載于《通信世界》總第944期 2024年5月25日 第10期?原文標(biāo)題：基于5G-A通信技術(shù)的高鐵建網(wǎng)規(guī)劃研

作者：中國聯(lián)通河北省分公司?樊明波

責(zé)編/版式：王禹蓉

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