摘要：5G網絡的建設和廣泛應用，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，又更進一步激發(fā)了乘客對移動通信網絡的要求，因此，5G網絡覆蓋對給乘客提供舒適的通信感知和提升運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網絡覆蓋難題，以加快推進高鐵5G網絡建設。
關鍵詞：5G；高鐵；覆蓋
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.012
中圖分類號：TN 929.53" " " " " " " " "文獻標志碼：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網絡建設的必要性
我國的高鐵線路建設正由原來的四縱四橫鐵路線逐漸向八縱八橫鐵路網完善，預計到2030年時，高速鐵路網總里程將達到4.5萬千米。隨著移動互聯(lián)網的普及，人們的生活、工作、學習方式都有了很大程度的改變。在越發(fā)完善的移動互聯(lián)網技術的影響下，在線教學、線上購物、辦公會議等許多方面也同樣出現了新的形式，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絡，通過高速無線網絡上網已經成為高鐵乘客出行的重要需求，而高鐵沿線5G網絡建設成為滿足高鐵乘客極致體驗的迫切要求[1]。
2" "高鐵5G網絡應用特點與優(yōu)勢
5G技術在高鐵場景中的應用，首先體現在其高速率、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的服務，極大地提升了乘客的出行體驗。同時，5G網絡還具有更好的網絡安全性和穩(wěn)定性，能夠有效地保障旅客的通信和數據安全。
5G網絡通過網絡虛擬化和軟件定義網絡等技術，提高了網絡的彈性和智能化水平，實現了針對不同情況的網絡資源動態(tài)分配和優(yōu)化，從而提升了網絡質量和性能。5G網絡更高的帶寬和更低的時延，為高鐵乘客提供了更優(yōu)質的通信服務體驗。5G技術在高鐵通信網絡中也能夠實現更好的隱私保護，并支持更多的終端設備連接，提供更多的信息服務。
3" "高鐵5G網絡建設面臨的問題及解決
方案
在以往的通信網絡建設中，高速鐵路覆蓋場景始終都是最復雜的場景之一。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網絡普及的當下，由于5G網絡自身的特點，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網絡覆蓋就成為了擺在網絡建設者眼前的難題。
3.1 多普勒效應引起的頻偏及解決方案
高速鐵路5G信號的多普勒效應是因為基站與信號接收端之間的相對運動，而這種相對運動會導致波源的發(fā)射頻率和接收頻率有所差別。簡單來說，當兩者相互接近時，波長變長、頻率變低，反之亦然。如圖1所示，在高鐵場景中，當接收終端與車廂內的網絡通信信號有相對運動時，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，當偏差大到一定程度時甚至會造成終端掉話或斷網。一般情況下，當列車運行速度小于250 km/h時，多普勒效應對信號影響比較小；當列車運行速度高于250 km/h時，多普勒效應對于通信信號的影響就會很大，此時會導致終端接收到信號頻率產生大幅偏差，掉話率增加，無線信號的質量也將嚴重下降，移動終端脫網概率嚴重上升，終端的數據業(yè)務將很難實現[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動速度和多普勒頻移程度成正比。根據計算可以得到表1。并由表1可知，在高鐵5G網絡中，基站所接收到的終端頻偏要比4G高很多，也就是說5G網絡受高速鐵路運行速度的影響要遠大于4G網絡。
因為高鐵場景會產生多普勒頻移，因此終端接收的頻率也會有偏移，這種問題會導致OFDM符號間和符號內產生干擾，可能會造成發(fā)射數據無法解調，最終導致終端無法入網。如果終端無法適應其對應的頻率和速度的頻偏范圍，則終端入網將會更加困難，更會產生吞吐率下降和KPI降低等網絡問題。
針對這個問題，可以利用符號間和符號內的頻偏補償來解決。頻偏補償是基站用上行導頻信號對頻偏值進行估計，然后進行補償的一種方式。其中，符號間頻偏補償是利用頻偏在時域上產生一個線性相位變化進行相位糾正的。對于符號內的頻偏補償，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網絡信號傳播造成很大程度的衰減，從而導致車體內覆蓋效果減弱，終端接收網絡信號的質量變差。舉個例子，如果列車車體的材料是特殊合金材料，當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，這就導致5G網絡覆蓋方向基本是順著鐵路沿線的，5G信號進入車廂的入射角度將會很小，這將比垂直入射車體產生更大的信號損耗。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生大量損耗，將導致車內終端接收信號強度減弱，從而對高速鐵路車廂內的5G網絡性能產生嚴重影響。
針對高鐵列車穿透損耗問題，在無線網絡規(guī)劃時，應盡量選擇在沒有障礙物的空間，并且基站應與鐵軌保持相應的覆蓋距離，避免信號穿透車體的入射角（即掠射角）過小導致穿透損耗過大。同時也需要考慮空間傳播損耗對網絡信號的影響。根據現網測試經驗，當5G網絡信號入射角小于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，當站間距為500 m時候，S=0.5 km，臨界掠射角設計為10°，計算得出基站天線與基站鐵軌的垂直距離（H）為44 m。在無線網絡規(guī)劃時，需綜合考慮車體對不同頻段穿透損值來設置臨界掠射角的大小。
如圖2所示，在規(guī)劃設計基站位置的時候，針對平直的軌道，基站建設位置點應選擇交錯建設在鐵路的兩側，呈“W”形狀分布。這種設計方式有利于均衡車體兩側信號強度和質量。而對于圓弧形鐵路，應盡量將基站位置選擇在內側。這種布局可提高無線信號入射角角度，降低列車本身對5G網絡信號的穿透損耗，從而提高5G網絡的覆蓋能力。
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。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
當列車時速到達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)域到達下一個小區(qū)覆蓋區(qū)。由于5G網絡具有可靠性高、端到端的時延小于
1 ms的特點，在短時間內列車經過的基站小區(qū)增多會導致終端用戶在幾個小區(qū)間頻繁切換，如果此時切換區(qū)相關參數不合理，將導致終端切換失敗，從而引發(fā)嚴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網絡的小區(qū)間切換[4]。
針對高鐵小區(qū)切換頻繁的情況，應該合理地規(guī)劃小區(qū)間覆蓋重疊區(qū)。區(qū)域過小和過大分別會導致切換失敗和干擾增加，數據業(yè)務將會受到不良影響。在做網絡規(guī)劃的時候，應根據具體的網絡參數配置來合理設計切換區(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，各設備廠家也在針對高鐵覆蓋場景研發(fā)新的設備，以提高設備覆蓋能力。其中RRU合并技術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。根據現網經驗，單個小區(qū)最多可支持12臺RRU設備合并，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，從而減少配置PCI用量，進而可以有效避免由于頻繁切換引起的模三干擾。
4" "高鐵5G網絡覆蓋的關鍵技術
4.1 高鐵線路覆蓋增強技術
高鐵線路覆蓋增強技術通過“多通道設備+高增益定向天線”的建設方式實現。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多天線技術的優(yōu)勢，經過實驗測試，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
該技術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，并在短時間內進行預估和校正。多普勒頻移估計技術具有時延短、精度高、實現復雜度低的特點，該技術適合于高速移動和復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償的范圍。
4.3 增強型移動寬帶（eMBB）
5G增強型移動寬帶具備較低時延、更大吞吐量的特點。主要體現在以下領域：超高清視頻、傳超高清視頻流的傳輸、可感知的互聯(lián)網、寬帶光纖用戶以及虛擬現實領域，能夠支持旅客在快速移動的高鐵列車上享受高速率上網的體驗。
5" "高鐵5G網絡其他應用
5G網絡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網絡能夠完成數字調度通信系統(tǒng)中的調度，專用、站間區(qū)間等傳統(tǒng)語音通信調度，還可以進行多方視頻通話。5G網絡還能使高鐵提供智能引導、智能安檢及智慧旅途等服務，以及實現鐵路生產安全作業(yè)管控、鐵路集裝箱貨物調度管理、智慧車站建設及綜合安防監(jiān)控管理，實對列車及集裝箱貨物進行監(jiān)控、調度和管理，以及對鐵路線路、列車車站和客流進行監(jiān)控管理。高鐵5G網絡的建設將引起鐵路服務的重大突破，不僅能夠有效提升用戶旅途體驗，為實現智慧高鐵、智慧出行提供技術上支撐，而且能夠進一步推進各地人才互通和文化交流。此外，5G技術結合智能監(jiān)控和大數據應用，能夠全面提升鐵路系統(tǒng)整體智能化。
6" "結束語
高速鐵路5G網絡覆蓋作為5G網絡覆蓋的重要組成場景，其網絡質量的好壞已經逐漸對人們的日常出行體驗產生影響。本文對高速鐵路5G網絡覆蓋的特點以及面臨的問題進行了分析，給出了具體的解決方案，并進一步探討了高速鐵路5G網絡覆蓋的關鍵技術，以及高鐵5G網絡未來的發(fā)展與應用。未來隨著5G網絡的發(fā)展，智慧鐵路的設計理念在技術上也將實現重大突破，相信在不久的將來，鐵路系統(tǒng)將實現信息化、自動化、智能化。■
參考文獻
[1] 董帝烺，杜丕加，許紹松，等．高鐵場景的5G無線網絡規(guī)劃及優(yōu)化[J]．移動通信，2019（6）：36-41．
[2] 李新，王強．5G網絡高鐵覆蓋方案現狀及演進[J]．通信與信息技術，2021（1）：48-50，35．
[3] 張榮濤．淺析5G無線網絡在高鐵場景中的規(guī)劃與優(yōu)化[J]．數字技術與應用，2020（1）：17，19．
[4] 王繼宇．5G移動通信技術在高鐵通信網絡中的應用[J]．中國新通信，2020（6）：1-2．
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。
