【浅析面向5G的高速铁路通信系统应用8800字（论文）】

面向5G的高速铁路通信系统应用研究目录1.绪论 41.1研究背景 41.2研究目的和意义 41.2.1研究目的 41.2.2研究意义 41.3相关概念 51.3.15G系统概述 51.3.25G网络架构 52.5G高铁覆盖重要性及技术难点 72.15G高铁覆盖的重要性 72.25G高铁覆盖技术难点 72.2.1多普勒频偏影响接收机解调性能 82.2.2超高速移动导致切换区不足及频繁切换问题 82.2.35G高频段的车体穿透损耗更大 93.高铁多场景5G覆盖规划方案 93.1规划目标建议 93.2链路预算分析 103.3切换区域设计 123.4高铁线路覆盖方案 133.5高铁隧道覆盖方案 143.6高铁站厅覆盖方案 154高铁场景5G网络优化 164.1覆盖的优化 164.2多普勒频偏补偿 164.3切换参数优化 17总结 17参考文献 181.绪论1.1研究背景我国高速铁路发展非常迅速，在2015年未运营里程已有1.98万公里，发展到2020年未更是达到3.79万公里，目前我国高速铁路运营里程在世界上稳居第一。中国铁路已经经过6次大提速，截止到最后一次大提速后，我国铁路高速列车已经在多条线路开始运行并且最高时速高达380千米。我国对高速铁路的建设仍然还有着很大的发展空间，未来仍会快速增长。随着高铁的发展，不断有新的通信业务需求被提出，人们对车地通信的要求越来越高，同时还需要更高质量的网络服务。截止到目前，5G网络技术发展的越来越成熟，更多的人们看到5G网络的发展趋势，开始重视建设5G网络。同时，为了推进5G网络的商用，我国相关部门发布许多文件，这些文件很大程度上影响到通信行业的发展进程。抓住全球移动互联网的发展契机，进一步推动5G产业的快速发展目前是我国重要的任务和战略要求。将5G网络全面覆盖高铁场景并为旅客提供更高质量的通信服务，这是一个新的竞争领域，通过该领域相关的运营商可以获得客观的利润。因为高铁列车的技术较为先进，导致5G信号有更大的路径损耗、更强的多普勒效应和更高的基站覆盖密度等问题，这些问题进一步制约了5G网络的建设，因此攻克这些难题是目前需要迫在眉睫的任务。1.2研究目的和意义1.2.1研究目的随着我国科学技术的发展，进一步推动了中国铁路的建设。根据目前的发展现状可以发现，在铁路建设特别是建设高速铁路的过程中已经广泛的应用到云计算技术和大数据技术。在这样的背景下，高铁通信仍有许多的问题，比如系统的承载效果和稳定性能较低，在遇到复杂地形部分功能无法实现，像经过隧道的时候信号频率很容易受到干扰甚至出现没有信号的情况，并且在高铁列车运行的过程中会出现一些隐患等问题[1]。根据各个场景的实际情况和5G技术向结合进行优化，同时通过合理的规划进一步促进我国建设高铁通信系统，并且更加安全和智能。1.2.2研究意义根据铁路场景的特点系统的应用5G技术，既可以提升旅人的高铁体验感，又能分析我国铁路运行中存在的各种问题并制定对应的策略，对目前的铁路通信网络进一步的优化，提升网络的运行状况和通信质量。以此使得铁路列车能够有序的运行，很大程度上有利于高铁运行过程中更加安全和智能化，在我国高铁建设网络化和智能化的通信系统过程中有这非常重要的意义1.3相关概念1.3.15G系统概述我国移动通信发展非常快速，在2019年11月移动通信的第五代系统已经开始商用，目前我国越来越多的人们开始研究5G技术。为了能够加强人们与万物之间的联系，信息随心所至和万物触手可及的愿景得以实现，围绕着用户全方位的建设信息生态系统。5G的特点有可靠和容量高，时延和功耗低。相较于传统的蜂窝网络，5G网络的数据传输速率更高，用户体验速率最高可以达到10Gbit/s，是4G网络的100倍。同时时延可达毫秒，很大程度上改善了实时应用。5G网络相较于传统的空中接口技术向智能化发展，不仅仅在速率、能力和带宽上获得提升，更是全面的面对用户融合多项技术和业务。5G技术很大程度上将会影响到会话类、消息类、控制类、交互类、采集类和物流类业务，成为连接世界和社会的重要支柱。1.3.25G网络架构重构5G的基站功能主要有两个功能实体，分别是CU和DU，这两者功能进行切分需要根据处理内容的实时性区分。CU：主要功能是无线高层协议栈，这个功能并不具备实时性，同时部署边缘应用业务和一些核心网功能下沉也需要CU的支持。DU:主要处理实时性需求和物理层功能。考虑到需要节省RRU和DU之间的传输资源，RRU也可以实现一些物理层功能。（1）C—RANC-RAN：和4GBBU情况一样，C-RAN机房中集中了CU和DU。CU和DU在一个机房之中，协作时延小的同时还能够得到高低层协作增益。通过RRU和BBU的有效连接构架C-RAN。构建的无线网络想要广覆盖和高容量则需要结合天线和RRU共同进行。集中化基带处理单元，有利于进一步提升处理的效率。因为BBU池中集中进行多个基站的基带处理，需要单基站能力的综合比基带处理能力要高，进一步提升网络容量和频谱利用率，以此将总体的利用率提升同时降低BBU数量。还可以根据实际情况，将BBU在使用流量低的时间段关闭，整体网络覆盖并不会受到影响，还有利于降低消耗的电量。（2）D—RAND-RAN：CU/DU主要安装在无线接入机房中，它的操作与BBU间无站间协作不同。2.33G在部署安装5G网络的时候，使用的方式为两种，即SA与NSA。5G独立组网在建立的过程中，主要使用5G核心网NGC技术，使其实现建立端与端之间的网络连接。将5G技术的突出作用做了展示，使其服务水平得到了进一步的提升；而使用的5G非独立组网则是将当前的5G网络连接到LTE中，通过使用双连接技术，使其建造成本得以节约，完成了资源的合理配置。（3）SA5G选择采用新网络的架构方式进行独立组网，NGC，为了能够支持5G网络新增的空中接口，无线系统采用gNodeB，进一步提供5G类服务。5G基站通过NC接口直接连接核心网，将数据和信令传递给NAS；5G通过5GNR传递RRC信令和数据；在NR侧上行手机终端可以进行双发。图1-1SA组网示意图（4）非独立组网（NSA）5G非独立组网实现4G和5G的联合主要是采用了双连接技术。用户通过4G或5G基站进行分流。在分流过程中，Option3有着较高的对LTE硬件容量要求和对核心网要求。Option3x数据分流在5GNR。图1-2NSA组网示意图2.5G高铁覆盖重要性及技术难点2.15G高铁覆盖的重要性目前，全国各地都在进行高铁建设，信息化和快速化已经成为主要的发展趋势；中国高铁在目前已经成为我国的主要交通方式之一，是人们的首选，并且在全球中，中国高铁里程占据了60%。高铁用户每年都有大量的增长，趋向信息化，在这个背景下，5G网络运营商应该结合高铁覆盖进行制定相应的计划，形成网络覆盖优势和用户体验优势。高铁可以说是网络运营商进行品牌展示的重要窗口，因为高度重合的运营商价值客户和高铁乘客特征：首先，高铁有着良好的环境并且速度和容量上都较为突出，因此更多的人出行时选择交通工具首先想到高铁；其次，高铁中商务人士较多，在高铁用户中占比较大的是高端客户，有助于网络品牌的提升，可以说是建设5G网络的重点场景。2.25G高铁覆盖技术难点5G网络在高铁场景中面临的困难主要有三个方面：一是多普勒频偏，二是需要频繁的切换，三是有较大的穿透损耗。相较于4G网络，5G网络的主流频段频率更高，是3.5GHz,因此想要全面覆盖高铁场景将比4G更为困难。想要解决这个问题，则需要重视规划站点、站点的布局、频率纠偏和系统切换重叠区域设计等，有利于网络性能的进一步提升。2.2.1多普勒频偏影响接收机解调性能5G系统可以支持每小时500千米以上的移动性，多普勒频偏在高速移动下会影响到5G网络和接收机解调性能，对前者的影响效果大于后者。3.5GHz相当于以往的1.8GHz增大一倍，列车速度能够达到每小时350千米，在3.5GHz的时候，上行多普勒频偏会超过2269Hz,因此5G网络技术中最难克服的问题就是如何在高频段克服多普勒频偏和终端高速移动的情况下保持多普勒频偏。想要解决多普勒频偏的问题需要根据基站设备纠偏算法进行，纠正用户的频率，进一步消除因此多普勒频偏产生的各种问题。表2-1不同频段的上行最大多普勒频偏速度(km/h)2002503003504501800MHz（15kHz）频偏/Hz667833100011671500百分比%4.45.66.77.8103500MHz（30kHz）频偏/Hz12861619192922692894百分比%4.35.46.47.69.64900MHz（30kHz）频偏/Hz18162267272231764083百分比%6.17.69.110.613.62.2.2超高速移动导致切换区不足及频繁切换问题5G无线通信系统有着无限接近100%的可靠性需求，中间时延小于1ms。相较于普通场景，列车高速移动每小时350千米，超过90m个切换区域的时候，需要更多的重叠覆盖距离，并且相对来说5G基站距离偏小，明显的可以发现频繁切换的问题。根据实地调查，每500米一个基站，高速列车每小时350千米平均3秒就要切换一次，在小区内终端用户频繁切换过程中，能够明显的感觉到吞吐率体验下降，甚至会增加掉话。频繁的切换小区会直接影响到用户的感知，这也是5G技术的一个难题。需要规划合适的无线网络布局并设置对应的参数，以此实现小区之间切换的问题，并且可以一定程度上降低切换的频率，有利于网络速率和可靠性的提升。图2-1高铁5G基站小区切换示意图2.2.35G高频段的车体穿透损耗更大3.5GHzs是目前5G网络的使用频段，和1.8GHz相比，有更高的车厢损耗和自由空间损耗，前者传播的损耗约高3~5dB，而后者传播的损耗高6dB。CRH380A车厢内部平均约有20dB的整体损耗，3.5GHz频段下约有25dB的整体穿透损耗更高，穿透损耗会受车型和材质的影响，不同的材料和车型之间穿透损耗也各不一样，如下表所示。同时损耗还会受到基站到高铁入射角的影响，两者之间成反比，入射角大损耗就小，因此，在网络规划的过程中需要控制入射角，并且基站和高铁之间最小距离约在80米到200米之间。表3-2不同列车不同频段的穿透损耗（dB）车型CRH380ACRH380B复兴号400AF年份201120122017LTE1.8GHz2029343.5GHz2534394.9GHz2837423.高铁多场景5G覆盖规划方案3.1规划目标建议高铁业务在当前以eMBB业务为主，包括了游戏、办公、社交和视频等。分析以往统计的4G高铁数据可以发现，高铁的业务模型类似于大网eMBB，对宽带的文字需求和图片需求没有太大的改变，对视频业务的需求更多，占据了一半的比例，未来增长流量，在未来很长的时间内都将以视频为主要业务。才开始实行5G的时候，eMBB业务主要分为两种，4K视频+HDTV/VR和2K视频+智能手机，如下图所示；5G业务中2K视频是最小业务要求，高铁用户大部分处于每小时200千米以上的速度运行中，规划边缘速率可以根据4K视频业务的需求：大于50Mbit/s的4K视频+HDTV/VR，按照覆盖目标的不同要求调整上行速率，在初期的时候，建议UL大于1Mbit/s，之后根据不同阶段调整大于5Mbit/s，以此满足上传视频1080P的要求。规划边缘的高铁场景可以按照UL1、5Mbit/s和DL50Mbit/s。表3-3eMBB业务带宽需求参数像素分辨率色深编码/bit帧率/fps压缩率2Dor3D平均码率/带宽需求/（Mbit/s）智能手机/PAD2K2D25601440103016516.710.12K3DVR终端4K2D384019201230165116.124.14K3D384019201230165232.248.3说明2K屏选取相对普遍的2560×1440压缩率的不同对带宽影响不同，取经验值165理论上的理想平均码率因网络传输速率波动，取实际宽带需求值为平均码率的1.5倍3.2链路预算分析良好的网络质量需要规划合理的站址，在现有资源充分利用的基础上还需要合理的进行站址规划。我国5G频谱目前约在3500MHz到3600MHz之间，根据调查可以发现，和1.8GHz相比，3.5GHz总损耗大了约有14dB，主要损耗是在自由空间的损耗和穿透车厢的损耗，还有就是间隙发射产生的损耗。以目标边缘吞吐率的小区半径链路预算为基础进行分析可以发现相较于4G网络，5G网络站址有着更密集的规划站距。详细见下表：表3-4基于目标边缘吞吐量的小区半径链路预算（2.5ms单周期）参数农村郊区普通市区密集市区上行下行上行下行上行下行上行下行系统带宽/MHz100100100100100100100100RB带宽/载波带宽/kHz360360360360360360360360总RB数/载波数272272272272272272272272边缘速率120120120120上行与下行配比14141414基站天线增益/dB1111111111111111EIRP/dBm2663.92663.92663.92663.9发射天线数232232232232接收天线数324324324324SINR/dB-2.2-5.5-2.2-5.5-2.2-5.5-2.2-5.5最大发射功率/dBm2653265326532653发射天线增益/dBi011011011011干扰余量/dB35353535单用户分配RB数/载波数40272402724027240272接收机噪声系数/dB3.573.573.573.57接收基底噪声/dBm-98.9-87.1-98.9-87.1-98.9-87.1-98.9-87.1接收机灵敏度/dBm-101.1-92.6-101.1-92.6-101.1-92.6-101.1-92.6热噪声/dBm-102.4-94.1-102.4-94.1-102.4-94.1-102.4-94.1接收天线增益/dBi110110110110最大路径损耗/dB107.2126.6107.2126.6104.4123.8104.4123.8人体损耗/dB00000000穿透损耗/dB3636363636363636馈线损耗/dB00000000塔放增益/dB00000000阴影衰落/dB5.855.855.855.858.658.658.658.65分集增益/波束赋形增益/dB1417141714171417切换增益/dB00000000用户终端高度/m1.51.51.51.51.51.51.51.5频率/MHz35503550355035503550355035503550覆盖半径（3GPP模型）/m22571814948011035883275覆盖半径（3GPP模型）/m22571814948011035883275街道宽度（W）/m2020202020201010基站天线挂高/m3030303030303030楼宇平均高度（h）/m55202025253030站间距（Cost-Hata）/m1171179880站间距（3GPP模型）/m337223165124对基于目标边缘吞吐量的小区半径链路进行预算分析，测算3GPP模型和Cost-Hata模型之间有着非常大的差异，比如通过对广东联通高铁调查发现，现有的4G存量站址之间约有600米到800米的距离，想要满足5G网络的覆盖要求需要增加的站址至少要大于1倍，这对于运营商来说并不容易，主要的问题有投资成本过高、物业之间不容易协调、选取站址和建设工程困难等方面。因此目前最重要的任务便是解决高频段损耗站点过密的提问，同时还需要进一步的降低建设成本。LTE现网与NR下行之间可以实现1:1共站，覆盖的方式主要有两种，首先是上下行解耦，其次是DC双连接提升上行的方式。根据具体站点的实际现状进行规划小区实际覆盖半径，以1:1为基础补充个别站点，进一步实现规划目标。3.3切换区域设计5G无线通信系统有着无限接近100%的可靠性需求，中间时延小于1ms，列车高速移动每小时350千米，双向切换的范围相对较大。在小区内终端用户频繁切换过程中，能够明显的感觉到吞吐率体验下降，甚至会增加掉话。综上所述，想要高铁用户的体验感提升，首先需要尽量的减少小区之间的频繁切换。通过测算5G系统切换所需的重叠区域如下图，可以发现过渡区位于切换区域之前，也就是在满足切换电平要求前，考虑到测量期间可能会产生的信号波动而影响切换的距离余量；切换区域：主要分为两个部分，时延1和时延2，前者主要是终端测量上报周期和切换时间的延迟，后者主要是执行时延切换，比如数据面和信令面的执行时延。想要连续实现业务，首先需要合理的规划重叠覆盖区域，重叠覆盖区域过大过小都会有所影响，在进行实际规划过程中，需要以网络参数配置为基础结合时延要求评估，合理的设计切换区域。图3-1切换重叠区域测算示意在进行单词切换时重叠距离等于切换执行、电平迟滞对应、切换出发时间对应三者的距离想加再乘以2.以常用配置为基础，若不同列车速度如下图所示，小区间5G网络有150米的重叠覆盖距离，满足了小区之间切换要求的重叠覆盖区域。表3-5不同列车速度对应的重叠距离需求速度（km/h）200250300350过渡区A/m50505050切换区B/m10121417切换重叠需求距离/m120124128134小区合并应用可以参考4G网络的经验，结合大网用户实际性能和容量进行选择符合RRU共小区的方式，这也是有效降低频繁切换进一步提升用户感知的手段。采用RRU合并解决5G网络中的切换问题，5G采用HyperCell进行技术小区合并，之后通过广播信道形成逻辑小区，进一步保证了用户的感知。HyperCell：因为基站侧基于上行信号判断切换，所以当用户没有出逻辑小区范围时并不能感知到TRP变更。3.4高铁线路覆盖方案线路站址规划：建议按照之字形进行布置高铁线路，尽量保证线路全面的覆盖不漏掉边边角角，在会车时也尽量保证车内能够良好的通信。（1）站轨距：因为无线信号在传播的过程中信号入射角越大，穿透的损耗越小，所以建议站点的入射角通常在10°以上，又因为天线水平波瓣在90°时增益约等于0，为了避免塔下没有信号的情况，根据合理规划，建立在铁轨200米内进行建立站点。（2）站高：在设计基站高度的时候需要考虑到信号穿透损耗，因为相较于从车顶穿透，信号从车窗穿透的损耗更小，所以基站天线的高度需要和铁轨高度对应，最好高度是20米到45米之间；方位角：入射角的角度和穿透损耗成反比，入射角越大穿透损耗就越小。因此基站规划的过程中需要保证铁路和天线之间在10°以上；下倾角：高铁场景下设置5G网络需要遵从天线下倾设置的原则，边缘才能最大程度增强天线垂直波束。为了保证信号能够更好的覆盖列车上两边的座位，建议站点建立铁轨的35米到120米之间。选择覆盖高铁线路的设备型号，可以参照表3—7。表3-6入射角与基站离铁轨的距离关系信号入射角10°基站离铁轨距离/m100150200相对站高/m223445表3-7不同类型设备覆盖对比小区边缘速率/(Mbit/s)下行（50%RB）站距500m8T1316T1732T32站距650m8T816T1332T25站距1000m8/16TNA32T10在理论上相较于8T，32T/64T覆盖性和容量都较高，但是由于小区合并的要求更大，波束赋形算法要求更高，需要结合高铁场景的实际情况进行设计方案，根据厂家现有的设备来建设，成熟度更高的是8T方案。图3-2高铁沿线基站部署示意图3.5高铁隧道覆盖方案高铁在通过隧道的时候因为速度过快在加上空间较为狭小，产生的风压过大，常规的天线覆盖并不适用这个场景，可以如下图采用泄露电缆覆盖隧道内部，出口出可以朝外延伸定向天线进一步增加重叠覆盖面积，有利于终端能够顺利切换。图3-3高铁隧道覆盖方案覆盖方案的对比可以见下图。通过分析可以发现两种方案中漏缆替换的方案最为合适。表3-8高铁5G隧道覆盖方案对比5G高铁覆盖方案3.5GHzRRU+定向天线3.5GHzRRU+利旧现有泄露电缆3.5GHzRRU+新建

3.5GHz泄露电缆3.5GHz泄露电缆方案对比直线传播，经过弯曲的地方传播效果并不好；定向天线需要新部署，在高铁隧道天线外露缺乏安全性多种隧道场景都可以用泄露电缆；存量泄露电缆不支持3.5GHz同时损耗过高，覆盖要求很难满足多种隧道场景都可以用泄露电缆；3.5GHz漏缆需要新建首先，选择全带漏缆换掉存量漏缆，因为在安装空间方面更为自由，在sub3GKPI方面会有恶化的风险。其次，新增3.5GHzonly窄带漏缆：因为有良好的指标，不会影响sub3GKPI，但是在安装空间方面要求较高，因此会产生较大的穿透损耗。隧道组网建议使用漏缆和POI相结合，由三家运营商共同合作建立，节省投入成本的同时有利于进一步降低建设难度。3.6高铁站厅覆盖方案高铁站枢纽的功能有许多，主要的功能区域有三个，分别是站台、站厅和出入口，这几个地方场景空间较大但是容量的密度也较高，站台到站厅之间很难进行干扰控制。站厅中用户密度非常大，特别是在高铁运行的时间人流量巨大。从业务方面来看，站厅有着密集的用户，有利于业务的发展。结合高铁站厅的特点，覆盖规划可以在传统DSA系统上进行新增，缓和部署5G数字化室分模块。详细如图3-3。图3-3高铁站厅覆盖方案示意图数字化室分设备在站厅使用有三个方面的优势。首先，高性能，能够很好的提升用户的体验感；其次，网线和光纤相结合进一步降低了施工的周期；最后，支持软件扩容，不用对小区进行硬件改造，有利于维持用户的体验。4高铁场景5G网络优化4.1覆盖的优化移动通信最重要的是覆盖面积，这也是最基础的，在高铁场景里对5G网络进行优化主要是针对天线进行优化和改善切换带的大小。在天线方面，由于天线入射角的不同穿透损耗也有很大差异，因此需要合理的规划站点天线的入射角度，这也是覆盖需要解决的基础问题。在进行优化的过程中，需要最大程度将天线近点覆盖，进一步降低信号衰减，并且可以按照站间距离的不同设置合适的天线入射角度。在切换带的大小方面，切换带过大或者过小都会有一定的影响，因此需要合理的优化RF，合理的设置切换带大小。4.2多普勒频偏补偿高铁网络性能受到多普勒效应的直接影响，为了解决多普勒效应带来的问题，传统的解决方式基本是上依靠设备进行的。虽然5G网络有着较高的频段和频偏，但是由于现有的设备性能和频偏校正算法能够很好的解决频偏问题。4.3切换参数优化高铁场景中主要是线进行覆盖，在高铁沿线区域有着较多的跨区域情况和跨基站情况，并且因为较小的高铁5G覆盖范围，用户使用时需要频繁切换。为了解决这个问题，需要结合高铁的实际情况进行设置各项参数，以及保持顺利并快速的完成切换。通过A3事件对5G网络进行触发切换，在这之前需要上报MR测量报告。5G的测量报告主要测量方式是通过UE的物理层进行的，最后经过L3得出的结果提高给高层。由于高铁列车运行的过程中速度过快，导致信号产生较大的波动，因此以往的测量结果并不具有参考性，需要减少以往测量的结果对结果通过L3滤波的影响。同时设置A3参数的过程中需要注意切换时间迟滞的问题，进一步满足A3事件的RSRP使得切换更好的出发。在高铁场景下需要尽量减少切换的频率，普遍上采用覆盖范围扩大的方式来减少的。5G网络可以通过CU+DU分开进行小区合并。DU在相同CU下切换的过程中，因为较为集中