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高铁是一种现代化的交通工具，具有高速高效、舒适便捷、准时可靠等特点，乘坐高铁逐步成为当下主流的出行方式之一。在乘车期间，乘客对移动网络的需求十分迫切，但由于高铁有着高移动性的特点，此场景下的通信网络覆盖便成为5G时代的重要课题，面临着一系列困难和挑战。本文旨在研究高铁场景下的通信网络覆盖提升问题，特别是5G网络覆盖的解决方案；提出采用新一代5G-A 3CC（三载波聚合）技术，快速推进5G时代高铁精品网络建设，实现高铁网络“信号升格”、体验升级。
01、目前我国高铁网络覆盖存在的问题
中国高铁如今已处于世界领先地位，庞大而密集的客流带来了极大的用网需求，但由于高铁客车运行速度快、车厢狭窄、用户密集，加之运营商站址资源有限，高铁通信网络建设面临以下挑战。
列车运行速度快，“多普勒效应”严重
目前，我国高速铁路的运行时速在200～350km/h之间。京沪高铁的设计时速为350km/h，而上海磁悬浮列车最高时速可达431km/h。列车的高速运行必然会带来接收信号频率的变化（多普勒效应），且这种“多普勒效应”是时变的，从而导致接收机的解调性能下降。另外，列车的高速运行使得终端穿越蜂窝小区切换区域的时间变短，以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时间，从而导致切换失败，影响用户的业务感知。
信号穿透损耗大，车厢特殊材料加剧信号衰减
高速铁路的新型列车采用全封闭车厢结构，厢体采用不锈钢或铝合金等金属材料，车窗玻璃为较厚的特殊材料，这导致室外无线信号在高速列车内的穿透损耗较大，经过实际测试，各种车型的穿透损耗为10dB~33dB。在相同车外电平情况下，车体的损耗越大,意味着车内覆盖面积越小，车内电平的下降将导致掉话率、切换成功率、接入成功率等KPI指标发生变化，使网络性能下降。
相邻基站切换频繁，易导致用户信号中断
铁路线路一般呈线状或链状分布，与通常的通信基站部署线路有很大不同。按照通常的基站部署方式来覆盖铁路沿线，覆盖范围将大打折扣，因此铁路沿线的基站需要呈线状分布。
场景复杂多样，站址资源受限
中国地域辽阔、地形复杂，山川和河流较多，高铁运行将穿越城区、郊区、农村、山区、河流等多种场景，甚至包括隧道和桥梁等场景。以京沪高铁为例，全长1318千米，包含大小桥梁238座、隧道22个，因此要求高铁通信组网技术满足多种场景覆盖的要求。
话务量具有突发特性
铁路沿线闲时话务量需求接近于零，列车经过时话务量剧增，导致忙时话务量与闲时话务量差距明显。在两辆上下行高铁列车会车的特殊情况下，话务量会在短时间内剧增，导致用户体验下降。
综上所述，随着高铁建设的飞速发展，未来高铁场景下网络覆盖的挑战将进一步增加，当前急需利用现有宝贵站址及频谱资源，寻找新的建网规划思路，在保障网络覆盖的前提下，尽可能提升高铁网络容量及乘客体验。
02、5G-A三载波聚合技术研究
载波聚合技术原理研究
5G时代，双载波聚合技术（2 C C）已规模应用，该技术可将频带内相邻载波聚合，3.5 G H z频段聚合200MHz带宽，2.1GHz频段聚合40MHz带宽。在5G-A时代，3CC技术可实现频带外载波聚合（如图1所示），将3.5GHz频段200MHz带宽与2.1GHz频段40MHz带宽进行异频载波聚合，形成“100MHz+100MHz+40MHz的240MHz”大带宽。
图1 三载波聚合技术示意
5G-A三载波技术特性研究
3CC是5G-A方案中的重要技术之一，对提升用户体验具有重要价值。3CC技术的应用将成为新一代网络应用的重要组成部分，其技术特点如下。
1.FSA及MB-SC技术应用
FSA（灵活频谱接入）技术以及MB-SC（多频段服务小区）技术引入了频谱池化技术，使得不同频段、不同载波、不同时隙的频谱资源可以从离散到统一管理和调度，各载波从仅简单独立调度方式升级到跨载波调度，进一步提升了频谱利用率。载波独立调度与跨载波调度对比如图2所示。
图2 载波独立调度与跨载波调度对比示意
2.业务驱动，快速响应
根据业务需求和网络状况，可进行智能多载波寻优，无论是上行还是下行，都可以实现毫秒级智能选择最优的频段和载波，形成虚拟大载波，为用户提供极致体验，2CC与3CC对比如图3所示。
图3 2CC与3CC对比示意
3.SRS载波轮发
SRS载波轮发功能可实现全量载波支持SRS，使得UE的上行射频模块在PCC和SCC之间以TDM时分轮询的方式发送SRS，帮助TDD“下行Only辅载波”获得SRS信息，改善下行BF性能损失，SRS载波轮发示意如图4所示。
图4 SRS载波轮发示意
三载波聚合技术对比研究载波聚合原理允许将多个载波进行聚合形成一个更大的传输带宽，聚合的载波数量越多，可用的传输带宽就越大，峰值速率也就越高。通过聚合的载波数量及每载波的带宽确定总传输带宽，这个带宽决定了该载波在单位时间内能够传输的数据量，再通过调制方式和编码方案整合得出编码效率。
综上所述，通过应用3CC技术可大幅提升高铁网络容量及速率，针对车次较多、客流量较大的京广、京沪高铁，可通过部署3CC网络提升用户感知。
03、高铁5G-A 3CC部署方案
高铁3CC部署规划
选取京广高铁石家庄北段总里程约16千米的线路区间，在已建设的3.5GHz及2.1GHz站双层网环境下，进行“F+T+T 3CC”开通验证。该线路区间高铁列车时速可达310km/h，选取复兴号高铁列车中间不停车的车次进行测试。
选取直线路段且连续覆盖的区域进行测试研究，可避免因拐角提高入射角而影响测试真实性的问题。测试车型选取京广高铁河北石家庄段复兴号“CR400BF”，选择高铁当前及未来主流车型对建设高铁5G-A 3CC网络更具前瞻性及参考意义。
高铁3CC部署方案
高铁3CC部署坚持高目标牵引、成本最优原则，最终实现5G网络覆盖和感知双提升。综合考虑BBU集中、RRU部署、天线安装及软件开通等方面，本次部署原则如下。
一是高铁沿线基站采用“小区合并”方式，优先3.5GHz 200MHz及2.1GHz 40MHz同频小区分别合并，其次进行3.5GHz及2.1GHz异频载波聚合；二是BBU 100%放置于综合架构机房，且下挂3CC RRU的3.5GHz和2.1GHz基带板调整至共BBU放置；三是RRU拉远距离原则上不超过10千米，传输前传方案，充分利旧现网资源情况，以TCO最优为原则，灵活采用光纤、前传波分等解决；四是天线采用多端口宽频天线，更换高增益天线（19dBi/65度）满足“3.5GHz 8TR+2.1GHz 4TR”接入；五是5G基站N2/N3/Xn接口传输采用UTN承载方式，3CC基站回传使用25GE接口；六是覆盖高铁沿线的基站应具有多普勒频偏补偿并做到SRS三载波轮发。
基于3CC部署原则，在京广高铁直线路段部署“FDD NR2.1GHz 4TR+TDD NR3.5GHz 8TR”双层网络，其中2.1GHz为40MHz带宽，3.5GHz为200MHz带宽，共计物理站31站。
高铁3CC测试开通优化
本次开通，基站侧“T+F 3CC”频段组合如下。
小区频点配置阶段：首先关闭互斥特性，进行3CC小区频点设计，由频段内连续CA和频段间CA组成。
站内3CC配置阶段：进行站内3CC配置，选择三个5G小区，设置NRCell 1对应2.1GHz 40MHz，NRCell 2对应3.5GHz 100MHz，NRCell 3对应3.5GHz 100MHz，在站内3CC配置基础上陆续开通其余站间站。
优化配置阶段：首先完成基线峰值优化配置步骤中的定点峰值下发，随后配置SRS载波轮发能力及PMI权值增强，最终连片测试下发，正式启动效果测试。
高铁3CC部署测试结果分析
在京广高铁成功实现连续3CC覆盖后，使用3CC 4R终端进行单用户业务体验测试、多用户业务体验测试、锁频速率测试，验证在平均站间距470米下，对网络环境及用户体验的影响，测试分析方案如下。
高铁通信业务具有短时、集中、高话务特性，在对单用户业务体验进行研究时，需要排除其他用户行为对测试结果的影响。对比京广高铁同车次开通3CC路段及未开通3CC路段测试结果，在开通3CC路段的抖音、腾讯视频、华为畅联三种业务全程未出现卡顿。
图5 测试方案流程示意
在证明开通高铁3CC后对用户体验具有明显提升作用后，进一步研究每载波对用户感知速率的变化。本次实验先进行模型设计，以满足1080p高清视频业务体验下行500Mbit/s、上行100Mbit/s为标准，进行锁频高铁上下行速率测试实验。通过将沿途站点锁频设置，进行测速软件测试。在时速310km/h的京广高铁列车上进行5G-A三载波聚合技术商用测试，系统实测速率达1.2Gbit/s，相比传统部署方式网络速率提升近3倍。测试结果表明只有在开通3CC后，下行及上行平均体验速率才可满足高铁用户优质业务体验的标准。
综上所述，基于对5G-A通信技术在高铁建网规划的研究，足以证明在用户对网络要求更高、高铁车型迭代更快、网络场景更加复杂的条件下，5G-A 3CC网络部署对于高铁覆盖提升具有重要意义。
随着5G-A时代的来临，高速、大容量的移动网络已经成为高铁信息化建设的基石，3CC技术的部署对于高铁信息化建设具有重要意义。在高铁上部署3CC技术，不仅提升了乘客的网络体验，还为高铁的信息化建设提供了强大的技术支持，有助于推动高铁智能化、自动化发展，使高速铁路交通更加智慧和高效。
*本文刊载于《通信世界》总第944期 2024年5月25日 第10期 原文标题：基于5G-A通信技术的高铁建网规划研
作者：中国联通河北省分公司 樊明波
责编/版式：王禹蓉
审校：王 涛 梅雅鑫
监制：刘启诚
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