摘 要 高鐵具有線性大跨度的特點,而且由于列車移動速度比較快,在無線通信覆蓋上存在諸多困難。本文就對如何進行高鐵環(huán)境下無線通信無蓋做出了研究,首先分析高鐵無線通信環(huán)境的特點,然后對不同環(huán)境下如何進行覆蓋方案的設計進行了探討,最后針對高鐵的特殊性,研究如何加強優(yōu)化,保證信號的穩(wěn)定,提升高鐵用戶通信速度。
關鍵詞 高鐵;無線通信;特點;覆蓋方案;5G
引言
高鐵具有非??斓男旭偹俣龋偌由宪噹拿芊庑苑浅:?,倒是無線信號的很容易出現(xiàn)中斷等其他情況,覆蓋非常困難。但是隨著高鐵性能和舒適性的提升,越來越多的人選擇高鐵,如何保證高鐵無線覆蓋也變得非常重要。目前,高鐵的無線通信存在信號損耗嚴重、多普勒效應等問題,同時,5G網(wǎng)絡建設已經(jīng)開始,必須充分分析高鐵的環(huán)境,結(jié)合特點做好無線通信覆蓋,提升高鐵的舒適度。
1高鐵環(huán)境下無線通信的特點
1.1 信號損耗嚴重
目前,國內(nèi)的高鐵列車都有非常好的密封性能,雖然保證了舒適性,卻也造成了信號穿透損耗的增加。所以,對無線通信覆蓋進行設計時,就需要考慮列車車體的損耗,確保列車通信功能的正常。而且在高高速運動是,信號的損耗要大于車輛靜止是的損耗,為了保證通信正常,需要對把所有通信設備的損耗都考慮進去,無論是手機還是車載設備。
1.2 多普勒效應帶來的信號頻率偏移
如果高鐵以兩三百公里的速度高速行駛,車輛上的終端也是隨著車一起移動的,由于多普勒效應,會導致終端接受移動通信信號時有頻率偏移的現(xiàn)象,高鐵的車速越快,偏移的情況就會越明顯。由于所有的基站和移動設備對通信信號的接受頻率都是有范圍的,如果信號頻率的變化超出范圍,就會出現(xiàn)通信連接錯誤或者信號中斷的情況。
1.3 信號衰落問題
無線電信號的信道是典型的多徑衰弱信道,其中快衰落表現(xiàn)形式之一,在無線信號發(fā)出之后,一直到傳輸?shù)搅熊嚿系慕K端,往往會由于收到環(huán)境的影響出現(xiàn)直射、反射和散射的問題,如果有不同相位和振幅的信號疊加,就會導致設備在接收信號的時候出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。
1.4 移動終端頻繁切換
列車行駛的速度越快,通過通信終端范圍的實踐就會越短,在一個基站的位置,馬上就會被新的基站代替,所以移動終端會不斷更新,這就給通信技術的硬件和軟件都提出了全新的挑戰(zhàn)。
1.5 特殊的天線選擇
由于鐵道狹長的地面覆蓋,所以不同型號的天線對信號的影響非常大,而維拉防止塔下黑的問題,一般要在50米垂直范圍內(nèi)設置基站,并利用一個二功分器引出兩個不同方向的信號源,來對鐵路禁行范圍覆蓋。如果出現(xiàn)塔下黑的問題,就需要增加天線的數(shù)量,保證局部覆蓋的效果[1]。
2高鐵5G網(wǎng)絡的規(guī)劃
目前高鐵網(wǎng)絡有兩種覆蓋方式,分別是和公網(wǎng)同頻組網(wǎng),以及異頻的專網(wǎng)組網(wǎng),由于5G的頻段有心,所以高鐵的覆蓋可以采用與公網(wǎng)同頻組網(wǎng)的方式。在5G網(wǎng)絡的規(guī)劃當中,需要考慮網(wǎng)絡架構(gòu)、Massive MIMO的選擇、高鐵站的間距和設備的選擇。
2.1 NSA/SA網(wǎng)絡架構(gòu)
5G網(wǎng)絡目前主要包括NSA和SA這兩種架構(gòu)形式,其中NSA組網(wǎng)模式是利用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡作為錨點,然后5G網(wǎng)絡的空指令走4G網(wǎng)絡,5G的業(yè)務數(shù)據(jù)在5G網(wǎng)絡上傳輸。SA的組網(wǎng)模式無論是控制還是數(shù)據(jù)都在5G網(wǎng)絡上,并不需要借助4G網(wǎng)絡,但是這種模式的核心網(wǎng)還只具備初級的功能,不支持計費、語音和漫游等功能,并且SA智能終端芯片推出的也比較晚,因此在技術成熟度上相對NSA而言比較低。
高鐵上的乘客主要的業(yè)務需求包括視頻、游戲、即時通信等數(shù)據(jù)業(yè)務,目前繼續(xù)使用4G網(wǎng)絡就能滿足要求,因此對于5G網(wǎng)絡的需求并不強烈。并且,為了實現(xiàn)全國性覆蓋的成本控制,必須要減少NSA升級SA網(wǎng)絡的額外投資,實現(xiàn)對高鐵場景下5G網(wǎng)絡的部署,就要一步到位地使用SA網(wǎng)絡架構(gòu),減少由于NSA和SA在模式不同所導致的復雜性。
2.2 連續(xù)覆蓋的規(guī)劃
在NSA網(wǎng)絡下,由于錨點網(wǎng)絡不連續(xù),所以終端需要進行多次測量,不僅會影響用戶的感知速率,而且還會導致終端耗電增加。而且,由于高鐵的車速特別快,如果NSA和NR覆蓋不連續(xù),就需要頻繁進行錨點的添加和伸出,導致用戶不能真正體驗到5G所帶來的高速服務,而在同樣的SA網(wǎng)絡下,為了防止高鐵SA網(wǎng)絡不連續(xù)覆蓋導致感知下降,SA網(wǎng)絡構(gòu)架下也要NR連續(xù)覆蓋。
2.3 Massive MIMO的選擇
Massive MIMO是5G網(wǎng)絡中的一項十分關鍵的技術,能夠提升容量和覆蓋量,使用大規(guī)模天線,可以達到32T32R和64T64R。但是在高鐵的場景下,由于列車的移動速度非常快,所以業(yè)務波束很難快速捕捉并且跟蹤到信道的變化,導致很難實現(xiàn)波束賦型。并且,由于在高鐵中的用戶非常集中,導致很難達到MU-MIMO的用戶配對,為了兼顧成本,高鐵場景下天線不采用64T64R的大規(guī)模天線,所以都是用8T8R高增益窄波束天線。在高鐵穿越城區(qū)時,車速會放緩,為了兼顧大網(wǎng)用戶,高鐵場景下城區(qū)區(qū)域可以采用32T32R天線。
2.4 高鐵主要場景的規(guī)劃設計
高鐵擁有一個十分復雜的場景,所以在移動通信的規(guī)劃設計需要考慮很多特殊的需求,尤其是在隧道和橋梁,往往需要針對性地進行特殊規(guī)劃。
(1)高鐵候車大廳的規(guī)劃
高鐵候車大廳一般都是封閉的場館,利用室外的基站進行覆蓋效果會比較差,所以要采用室內(nèi)覆蓋的方式。后車大廳比較寬敞,但是人流比較密集,對容量的需求非常高。所以在候車大廳,可以采用多個5G的AAU掛墻覆蓋,或者利用數(shù)字化室內(nèi)分布實現(xiàn)覆蓋。
(2)高鐵站臺
高鐵站臺是乘車人員上下車和等車的區(qū)域,這個區(qū)域比較開放,可以用宏基站來進行覆蓋。在高鐵進入站臺時,由于車速比較慢,因此多普勒效應可以忽略,并且多數(shù)用戶在上下車和等車的時候都是在固定的位置,移動比較少,因此可以選擇使用64T64R的基站天線,既能滿足密集人流量的特點,同時也能確保大流量的需求。
(3)高鐵沿線規(guī)劃
高鐵沿線一般都在城區(qū)和農(nóng)村的開闊地帶,并且都是使用宏基站進行覆蓋的,比較適合使用8T8R的高增益窄波束天線,在規(guī)劃的時候,需要盡量使用現(xiàn)有的4G基站,如果出現(xiàn)覆蓋不足,在使用全新的基站。一般情況下,基站和鐵軌之間的直線距離都在100米左右,設計的時候要金蓮保證基站和終端之間存在直射徑,從而最大程度上保證覆蓋性能。對于高鐵的5G基站,一般都是交錯分布在高鐵的量測,以便5G信號能均勻地分布,也能保證不同覆蓋區(qū)之間能夠有更好的銜接,并且能保證5G信號的均勻分布。而對于高鐵拐彎的情情況,則要將基站分布在鐵路彎角的內(nèi)部,讓基站的覆蓋作用更好發(fā)揮。
(4)高鐵隧道
如果高鐵隧道比較短,比如長度在500米以內(nèi),只需要在隧道的兩端用天線對打就能實現(xiàn)信號在隧道內(nèi)的覆蓋。但是如果隧道比較長,在長度大于500米時,由于隧道的空間比較狹小,就需要使用輻射型泄漏電纜實現(xiàn)覆蓋的目的。如果在隧道中部署4T4R的5G網(wǎng)絡,可以并排設置4根漏纜。高鐵的隧道中每隔500米就有一個設備洞室,可以在洞室中存放5G的設備,泄漏電纜安裝在高鐵列車的窗口對應位置,能最大程度提升設備的容量和感知能力,為了確保覆蓋效果,還可以使用兩根泄漏電纜構(gòu)成一個雙流MIMO。高鐵的隧道口和隧道內(nèi)都要安裝特型天線,對于長距離隧道,隧道兩側(cè)可以分屬不同的小區(qū),而且可以將切換區(qū)設置在隧道內(nèi)部。
3高鐵5G覆蓋案例分析
3.1 覆蓋方案
某測試路段的高鐵設計速度為350km/h,道路全程為5.8公里,該路段周圍的地勢平坦,尉氏縣覆蓋,設置了8處5G站址,平均間距在大約0.7公里?;緬旄?5米,開通了小區(qū)合并功能。在該路段的公路為400W,施工用8T8R站點,設備為s11類型?;菊局潦褂昧嗽械蔫F塔,每個AAU基站用-48V直流電源供電,配置兩個光纜,并連接到5GBBU機房。
3.2 設備參數(shù)的選擇和配置
由于高鐵客運的特點,以及結(jié)合承載能力和用戶模型的分析,使用BBU+RRu的組網(wǎng)模式能夠獲得較好的效果,其中RRU和顯現(xiàn)覆蓋是設計的重點,必須要選擇合適的天線類型,才能做好覆蓋工作。本方案中,使用了帶寬為200Hz、功率配置為400W的華為8T8R射頻模塊。基站的設置原則上,采用BBU+RRU分布式基站,由于該地區(qū)地勢相對平坦,所以站址選擇的時候主要考慮鐵路周邊的影響,而且充分利用就有資源,實現(xiàn)對鐵塔的充分利用。
3.3 基站設置的原則研究
(1)站點布局
對于直線軌道,相鄰的站點適合交錯分布在鐵路的左右兩側(cè),從而改善切換布局,也能讓高鐵車廂兩側(cè)的信號保持均勻,為此在條件允許的情況下都盡可能設計成了之字形布局。對于鐵路彎道,站址應該設置在彎道的內(nèi)側(cè),而且要提高入射角,以便能保證覆蓋的均衡。
“之”字形布局
(2)掠射角的選取
掠射角就是基站天線主板方向和鐵路之間形成的夾角,在掠射角越小的情況下,列車穿越時就會有越大的損耗。所以,一般都會將掠射角控制在15°以上,而對于一些站間距比較遠的位置,應該將掠射角控制在10°以下。
3.4 方案覆蓋效果分析
在采用該方案完成覆蓋之后,整個路段都有非常好的5G覆蓋效果,經(jīng)過測試,RSRP的均值為-86.27dBm,滿足5G的覆蓋需求。下載的體驗情況上,該地的平均下載速度達到了378.65M/s,下載峰值速度為602.68M/s;上傳平局速錄為28.93M/s,峰值速率為87.50M/s,證明測試效果良好。
通過針對該路段的分析,通過使用大功率的8T8R基站設備,以及結(jié)合多小區(qū)合并策略,保證了5G的覆蓋效果,而且充分使用過去的鐵塔資源,優(yōu)化了建設。在測試的過程中,并沒有出現(xiàn)切換而導致的掉線或者終端5G脫離,并且經(jīng)過和4G網(wǎng)絡速度的比對,5G速度超越4G在20倍以上,能夠滿足用戶的使用需求。
4結(jié)束語
雖然目前5G網(wǎng)絡主要部署在城市當中,但是對于高鐵覆蓋的優(yōu)化設計以及優(yōu)化,也需要進行探究。高鐵環(huán)境具有明顯的特殊性,所以對于無線覆蓋有更高的要求,在對無線覆蓋進行優(yōu)化時,需要針對不同的場景都進行設計,選擇合理的技術以滿足覆蓋的需求,減少信號的干擾等問題。在規(guī)劃的過程中,應該盡量使用SA網(wǎng)絡構(gòu)架,并且確保覆蓋的連續(xù)性,做好優(yōu)化工作,避免網(wǎng)絡速度回落,根據(jù)不同的場景采取對應的部署策略。
參考文獻
[1] 田桂賓,許勇,石朗昱.高鐵無線網(wǎng)絡特殊場景覆蓋解決方案[J].電信工程技術與標準化,2011(7):27-31.
作者簡介
張海(1985-),男,貴州遵義人;職稱:中級職稱,現(xiàn)就職單位:貴州省郵電規(guī)劃設計院有限公司,研究方向:無線通信,主要包括室內(nèi)分布覆蓋、高鐵高速通信覆蓋等,滾動規(guī)劃、智慧化領域研究等。