董興芝，閻志遠(yuǎn)，王忠峰

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081)

1 概述

近年來，隨著我國“八縱八橫”高鐵網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)，鐵路已到了存量需更新改造與增量快速發(fā)展雙重疊加的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。截止2020年7月底，中國高速鐵路總運(yùn)營里程已達(dá)3.6萬km。高速鐵路已成為高速.便捷.中遠(yuǎn)距離出行的首選公共交通工具，越來越受到人們的青睞，由于鐵路交通方式具有空間相對(duì)封閉固定.時(shí)間較長的特點(diǎn)，旅客在途對(duì)休閑.娛樂.購物和商務(wù)等方面均有強(qiáng)勁的信息服務(wù)需求。在高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用場景下，2017年6月基于高鐵沿線已建成的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組車廂內(nèi)Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，一定程度上提高了鐵路客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)直播.遠(yuǎn)程辦公.遠(yuǎn)程教學(xué)等應(yīng)用逐漸普及，基于現(xiàn)有4G技術(shù)作為動(dòng)車組Wi-Fi系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)接入方式已無法滿足車廂旅客對(duì)帶寬的需求，同時(shí)，伴隨智能高鐵的不斷發(fā)展，在智能裝備.智能建造和智能運(yùn)營等方面也對(duì)寬帶移動(dòng)通信提出了更高要求[1]。京張高鐵的開通，加速了高速鐵路5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及應(yīng)用，京張高鐵作為2022年北京冬奧會(huì)重要交通保障設(shè)施，實(shí)現(xiàn)京張高鐵5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋是助力打造“5G+智慧冬奧”的極致體驗(yàn)，是保障“智慧冬奧”順利實(shí)施的必然要求。

自2019年7月起，國鐵集團(tuán)與中國移動(dòng).華為等企業(yè)開展合作，啟動(dòng)高鐵與5G融合組網(wǎng)建設(shè)研究工作，通過復(fù)用現(xiàn)有車載Wi-Fi系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，搭建車載5G室分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了5G與車載Wi-Fi融合組網(wǎng)，降低了鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)部署門檻，解決了高鐵列車車體損耗導(dǎo)致運(yùn)營商建設(shè)投資過大，投資收益比低，沿線基站.選址建設(shè)難，紅線內(nèi)施工維護(hù)窗口難以協(xié)調(diào)等難題。5G與車載Wi-Fi的融合組網(wǎng)有利于帶動(dòng)鐵路傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，開拓用戶消費(fèi)新空間，新模式，孕育出更多的鐵旅產(chǎn)品和服務(wù)。

2 融合組網(wǎng)場景分析

2.1 高速移動(dòng)場景下5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨的挑戰(zhàn)

如今5G技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)逐步成熟，我國的5G行業(yè)應(yīng)用正逐漸從單一化業(yè)務(wù)探索.試點(diǎn)示范階段進(jìn)入復(fù)制推廣階段。根據(jù)中國信通院5G應(yīng)用倉庫的監(jiān)測顯示，當(dāng)前我國在醫(yī)療健康.媒體娛樂.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng).車聯(lián)網(wǎng)類的應(yīng)用數(shù)量明顯增多，逐漸成為5G先鋒應(yīng)用領(lǐng)域[2]。中國高鐵作為大型5G網(wǎng)絡(luò)垂直行業(yè)用戶正積極探索應(yīng)用落地方案，2019年2月18日，上海移動(dòng)正式在虹橋火車站啟動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，為全球首個(gè)采用5G DIS(數(shù)字室內(nèi)分布系統(tǒng))建設(shè)的火車站。在5G DIS的支持下，虹橋火車站的峰值傳輸速率達(dá)到了1.2Gbit/s，實(shí)現(xiàn)了智能送餐機(jī)器人.導(dǎo)航問路.高清視頻通話.云虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等多種新型應(yīng)用[3]。隨著5G商用進(jìn)程的快速推進(jìn)，以5G技術(shù)作為動(dòng)車組車地通信接入方式，實(shí)現(xiàn)更大帶寬.更低傳輸時(shí)延，是滿足鐵路行業(yè)需求的必然選擇。而動(dòng)車組350 km/h的高速移動(dòng)導(dǎo)致的無線信道快速變化.頻繁小區(qū)切換和多普勒頻移以及車體對(duì)無線信號(hào)的屏蔽導(dǎo)致無線信號(hào)能量被衰減，加上復(fù)雜的鐵路沿線環(huán)境等，給高鐵沿線5G網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)成本和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.1.1 高速移動(dòng)帶來的多普勒頻偏

在高速移動(dòng)場景下，特別是“復(fù)興號(hào)”列車運(yùn)行速度可達(dá)350km/h，導(dǎo)致鐵路沿線運(yùn)營商基站發(fā)射和接收的頻率不一致，產(chǎn)生多普勒頻移，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)場景下高鐵多普勒效應(yīng)

根據(jù)多普勒頻移公式

fd=f0cosθ×v/c

(1)

式中，f0為基站發(fā)射功率；c表示光速，取值為3×108m/s；v為高速列車運(yùn)行速度，km/h；θ為列車相對(duì)于沿線基站運(yùn)動(dòng)方向與基站信號(hào)傳播方向的夾角。

對(duì)于典型頻率為2.4 GHz的LTE信號(hào)，在列車最大速度350 km/h情形下，根據(jù)公式(1)可計(jì)算出多普勒頻偏約為648cosθHz，因此，高鐵相對(duì)沿線運(yùn)營商基站運(yùn)行的速度越快，頻偏也越大，這將導(dǎo)致基站信號(hào)接收性能下降[4]。盡管5G標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)已將子載波間隔擴(kuò)展到30 kHz，一定程度上可有效減弱多普勒頻移的影響，但同時(shí)保留了原4G系統(tǒng)子載波間隔傳統(tǒng)的15 kHz，因此高速移動(dòng)引起的頻偏對(duì)于鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仍是巨大挑戰(zhàn)。

2.1.2 鏈路損耗嚴(yán)重

在鐵路沿線移動(dòng)蜂窩通信中，從運(yùn)營商基站到移動(dòng)端的鏈路傳輸損耗主要受空間鏈路損耗和穿透損耗因素影響，如式(2)所示

Ls=32.4+20lgF+20lgD

(2)

式中，Ls為空間鏈路損耗，dB;F為運(yùn)營商基站發(fā)射電磁波頻率，MHz；D為運(yùn)營商基站與移動(dòng)端的距離，km。

空間鏈路損耗受基站發(fā)射頻率及相對(duì)距離影響，離越遠(yuǎn)，頻率越大損耗就越高，傳播距離每增大1倍，信號(hào)強(qiáng)度減小6 dB。假設(shè)4G頻率按2.4 GHz，5G按3.5 GHz測算，基站是通過蜂窩的形式覆蓋的，近似以圓形來模擬，若5G信號(hào)達(dá)到4G相同的覆蓋，則4G基站覆蓋距離是5G基站的1.5倍，覆蓋面積是5G的2.1倍，5G建設(shè)基站數(shù)量是4G的2倍。

高頻段將產(chǎn)生更高損耗，2018年12月6日，三大運(yùn)營商已獲得全國范圍5G中低頻段試驗(yàn)頻率使用許可，如圖2所示。5G頻段相比現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)頻段大幅度提高，根據(jù)傳播損耗和頻率成平方反比的關(guān)系，5G頻段路損較LTE更為嚴(yán)重，不同頻段路損差異如表1所示。

圖2 5G頻譜劃分

表1 不同頻段路損差異

車體穿透損耗嚴(yán)重，高鐵車廂一般采用全封閉式鋁合金不銹鋼材料組成，無線電波穿過車廂將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重穿透損耗[5]。通過實(shí)際情況測試，不同頻段的穿透損耗如表2所示，同一屏蔽條件下穿透損耗隨著頻率的增加而增加。5G網(wǎng)絡(luò)在高速鐵路移動(dòng)場景下有更大的傳播損耗和車體穿透損耗。特別是高鐵列車是線狀覆蓋，如果基站與高鐵列車的入射角更小，信號(hào)還會(huì)更差。因此，沿線運(yùn)營商建設(shè)高鐵專網(wǎng)需要更密集才能形成有效覆蓋，這導(dǎo)致運(yùn)營商建設(shè)投資大.維護(hù)難，收益率低。

表2 車廂不同位置穿透損耗差異

2.1.3 沿線環(huán)境復(fù)雜

高鐵途徑區(qū)域復(fù)雜多樣，路線較長，車載用戶在使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)面臨頻繁小區(qū)切換.重選問題。當(dāng)高速移動(dòng)的列車進(jìn)入不同的通信基站范圍，為保證用戶通話和網(wǎng)絡(luò)連接不間斷，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行小區(qū)切換，當(dāng)列車以時(shí)速350 km運(yùn)行時(shí)，這種系統(tǒng)的自動(dòng)切換每6 s就要發(fā)生一次，如果高鐵覆蓋的切換帶寬或參數(shù)設(shè)置不合理，將會(huì)導(dǎo)致通信切換失敗.掉線等網(wǎng)絡(luò)問題[6]。如表3所示，通過實(shí)車測試，統(tǒng)計(jì)出京滬高鐵沿線不同運(yùn)營商基站數(shù)量以及基站切換失敗情況，盡管5G采用了一些新技術(shù)可以優(yōu)化配置參數(shù)以提高帶寬，但具體到高速移動(dòng)的應(yīng)用場景則很難發(fā)揮作用[7]。5G大規(guī)模MIMO技術(shù)需要采用大量的.甚至多達(dá)上百個(gè)天線陣子單元，需要提供有較大的天線安裝空間[8]，鐵路沿途特殊的環(huán)境，缺少5G基礎(chǔ)設(shè)施部署場景，這對(duì)5G通信覆蓋提出了巨大的挑戰(zhàn)。

表3 京滬沿線基站覆蓋基本信息

2.1.4 脈沖式流量請(qǐng)求

2019年，我國鐵路旅客運(yùn)輸量為36.6萬億人次[9]，其中，通過高鐵動(dòng)車組完成發(fā)送22.9億人次，高速鐵路越來越受到人們的歡迎。當(dāng)高鐵快速通過一段區(qū)域，終端設(shè)備高密度集聚，覆蓋該區(qū)域基站的服務(wù)用戶數(shù)劇增，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷瞬間飆升，造成脈沖式流量請(qǐng)求[9]。以現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)舉例，在高速列車突然經(jīng)過時(shí)，RRC連接用戶數(shù)瞬間飆升了100多個(gè)，導(dǎo)致瞬間的PRB利用率過高，基站超負(fù)荷工作，終端用戶感知下降。當(dāng)前鐵路沿線4G基站100 Mbps理論下行帶寬已無法同時(shí)滿足500名旅客對(duì)帶寬的需求，因此，高速移動(dòng)環(huán)境下旅客的高密度接入及并發(fā)對(duì)單個(gè)基站帶寬容量提出了更高的要求。

2.2 高鐵Wi-Fi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)場景分析

中國鐵路目前已構(gòu)建了車票預(yù)訂.驗(yàn)檢.候車.登乘的全過程客運(yùn)服務(wù)體系，但高鐵出行環(huán)境較為封閉.行程時(shí)間較長，車上服務(wù)功能相對(duì)薄弱。鐵路Wi-Fi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建了面向全息化和多媒體融合的服務(wù)平臺(tái)[10]，匯聚信息流.人流.物流，融合高鐵網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建鐵路產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，為旅客提供覆蓋“食.住.游.購.行.娛”全方位的智慧出行服務(wù)，構(gòu)建了閉環(huán)賦能的全鏈條高鐵出行業(yè)務(wù)生態(tài)圈，填補(bǔ)了旅客列車生活服務(wù)的空白。高鐵Wi-Fi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)為鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋提供了建設(shè)性基礎(chǔ)。如圖3所示，動(dòng)車組Wi-Fi系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括互聯(lián)網(wǎng)接入和車載局域網(wǎng)兩部分，互聯(lián)網(wǎng)接入作為整個(gè)動(dòng)車組Wi-Fi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)出口，通過車頂天線與鐵路沿線運(yùn)營商公網(wǎng)基站建立無線通道，車載局域網(wǎng)為車內(nèi)用戶端和單車設(shè)備間提供車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，各車廂通過千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車廂間局域網(wǎng)的互聯(lián)互通，車內(nèi)用戶終端可共享車載無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)容服務(wù)，單車設(shè)備間通過車載局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[11-12]。

圖3 鐵路動(dòng)車組Wi-Fi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

隨著信息化水平的提高，直播短視頻的爆發(fā)已經(jīng)勢不可擋，基于4G技術(shù)的傳統(tǒng)動(dòng)車組Wi-Fi系統(tǒng)可提供的服務(wù)功能，已無法滿足當(dāng)前基于直播+短視頻+網(wǎng)紅經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，迫切需要突破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)基于5G的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋服務(wù)。

3 基于5G室分技術(shù)的融合架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 5G室分技術(shù)應(yīng)用背景

2019年12月19日，在第十四屆通信技術(shù)年會(huì)上，中國鐵塔技術(shù)部總監(jiān)鄒勇表示，技術(shù)發(fā)展帶來基站建設(shè)模式和站址獲取方式的轉(zhuǎn)變，要實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全場景覆蓋，宏站作為廣域覆蓋的中堅(jiān)力量是基礎(chǔ)，微站和室分是深度覆蓋和容量吸收的重要手段。5G室分具有十分廣闊的應(yīng)用場景。

(1)5G宏基站建設(shè)成本高，在3G/4G傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，中低頻段資源以宏基站作為載體應(yīng)用于覆蓋范圍廣.連續(xù)性強(qiáng).時(shí)延低.功耗低.連接需求大.可靠性要求高的場景中，而5G商用頻段更高，以宏基站為載體高頻段資源覆蓋范圍偏小，難以通過室外宏站進(jìn)行室內(nèi)深度覆蓋。

(2)5G室分業(yè)務(wù)比重逐漸擴(kuò)大。隨著技術(shù)演進(jìn)及移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展，室內(nèi)業(yè)務(wù)量占比將不斷提高，數(shù)據(jù)顯示，4G業(yè)務(wù)中有70%的應(yīng)用發(fā)生在室內(nèi)場景，面向5G將有超過85%的業(yè)務(wù)將發(fā)生在室內(nèi)場景，并且對(duì)帶寬.時(shí)延等方面也提出了更高的要求[13]。

(3)5G室分可節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本消耗。傳統(tǒng)宏基站在建設(shè)及站址資源獲取方面都較為困難，因而高頻譜通常不應(yīng)用宏基站，轉(zhuǎn)而應(yīng)用體積小巧.部署簡單.功能完備的小基站，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不足甚至盲點(diǎn)等區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，在實(shí)現(xiàn)連續(xù)廣覆蓋的同時(shí)有利于充分控制建設(shè)成本[14]。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)數(shù)字化的5G室內(nèi)覆蓋，能給用戶帶來更好的室內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

根據(jù)2.1章節(jié)高速移動(dòng)場景下鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，基于動(dòng)車組Wi-Fi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)車載設(shè)備，采用基站上車建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)5G數(shù)字化室分建設(shè)方案是鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)的重要規(guī)劃。

3.2 融合組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路動(dòng)車組設(shè)備安裝空間嚴(yán)格受限于鐵路行業(yè)規(guī)范，基于動(dòng)車組現(xiàn)有車載Wi-Fi系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施之上進(jìn)行5G升級(jí)改造，克服了諸多重新建設(shè)所面臨的困難，降低了鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)部署門檻。車載Wi-Fi系統(tǒng)設(shè)備可復(fù)用，大規(guī)模MIMO技術(shù)需要采用大量的.甚至多達(dá)上百個(gè)天線陣子單元，而當(dāng)前安裝于車頂?shù)母咴鲆?×4MIMOWi-Fi天線具備支持?jǐn)U展5G功能，可直接用于接收沿線5G信號(hào)。車載Wi-Fi服務(wù)器可為整車提供9個(gè)2核1.8GHz的計(jì)算能力和10TB的存儲(chǔ)能力，充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢；設(shè)備安裝位置可復(fù)用，Wi-Fi系統(tǒng)在每個(gè)車廂內(nèi)均有1個(gè)1U安裝位置和2個(gè)AP的安裝位置，在中部車廂有1個(gè)3U的安裝位置，這些位置均可與基于高鐵Wi-Fi系統(tǒng)的5G室分系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備復(fù)用；車載Wi-Fi傳輸網(wǎng)可復(fù)用，目前車載Wi-Fi自建了雙通道千兆以太網(wǎng)，可為搭建5G室分系統(tǒng)各車廂小基站提供骨干網(wǎng)傳輸能力。

基于5G室分技術(shù)的融合架構(gòu)如圖4所示，創(chuàng)新方案采用的MIMO車載天線+CPE+小基站組成車載系統(tǒng)，列車車廂內(nèi)單獨(dú)劃分蜂窩網(wǎng)，每車廂部署1個(gè)RRU(射頻拉遠(yuǎn)模塊)，降低單小區(qū)容量壓力，在中心車廂通過CU(集中單元).DU(分布單元)以及CPE分離部署架構(gòu)組成列車基站單元，CPE建立與基站的通信從而提供車載基站的回傳通道，車載基站單元利用CPE提供的回傳通道與核心網(wǎng)建立通信，從而實(shí)現(xiàn)車載信號(hào)覆蓋。同時(shí)設(shè)置MEC邊緣計(jì)算服務(wù)器，將應(yīng)用程序托管從集中式數(shù)據(jù)中心下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，更接近用戶和應(yīng)用程序生成的數(shù)據(jù)，在靠近移動(dòng)用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣提供IT和云計(jì)算的能力，并利用網(wǎng)絡(luò)能力開放獲得高帶寬.低延遲.近端部署優(yōu)勢，使海量數(shù)據(jù)得到實(shí)時(shí).快速處理[15]。鐵路沿線由運(yùn)營商建設(shè)AAU(有源天線處理單元).BBU(基帶處理單元).系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器.5G核心網(wǎng)設(shè)備.傳輸電力及相關(guān)配套設(shè)備等。高鐵Wi-Fi運(yùn)營方通過在高鐵列車上安裝MIMO車載天線提供車載系統(tǒng)與鐵路沿線的空口對(duì)接，配合前置增益.車載基站等，以增強(qiáng)單站覆蓋距離。

圖4 車載5G室分系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 創(chuàng)新方案對(duì)比性分析

基于5G室分技術(shù)通過車載維基站將鐵路沿線5G信號(hào)引入車廂內(nèi)，實(shí)現(xiàn)車廂5G信號(hào)的全覆蓋，車廂用戶可通過車廂內(nèi)一體化小基站.車載Wi-Fi系統(tǒng)AP.直接訪問鐵路沿線基站車外基站網(wǎng)3種方式進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)訪問。如圖5所示，系統(tǒng)更新前車廂旅客用戶通過車載AP接入車載Wi-Fi系統(tǒng)或直接使用終端接入車外鐵路沿線運(yùn)營商基站進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)訪問，經(jīng)過基于室分系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，將一體化小基站嵌入車載Wi-Fi系統(tǒng)設(shè)備，車廂內(nèi)用戶在進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)選擇時(shí)會(huì)擇優(yōu)選擇通過小基站進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)接入，同時(shí)也可通過車載AP進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)訪問或本地內(nèi)容訪問。

圖5 方案前后差異性對(duì)比

創(chuàng)新性建設(shè)方案能帶動(dòng)傳統(tǒng)旅服經(jīng)營模式創(chuàng)新，有利于鐵路延伸服務(wù)多元化方向發(fā)展。通過在列車部署MEC邊緣服務(wù)器，可提供本地?cái)?shù)據(jù)命中和轉(zhuǎn)發(fā)，將內(nèi)容和計(jì)費(fèi)下沉至車載MEC，就近訪問節(jié)省上行傳輸帶寬降低訪問時(shí)延，同時(shí)提供如高鐵影院.CDN加速/緩存甚至是云游戲運(yùn)算等本地化應(yīng)用。此外，通過融合車載PIS系統(tǒng)相關(guān)服務(wù)，使移動(dòng)用戶和高鐵車載Wi-Fi用戶合并化運(yùn)營，進(jìn)一步提高運(yùn)營用戶群體樣本，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商與國鐵集團(tuán)用戶共享.流量與價(jià)值分成。同時(shí)，使用Token對(duì)用戶行為價(jià)值進(jìn)行留存，并使用分布式賬本對(duì)價(jià)值進(jìn)行記錄，用戶的流量和商業(yè)行為將能夠進(jìn)行不可篡改的準(zhǔn)確記錄。在高速移動(dòng)列車用戶密集環(huán)境下，采用這種車載Wi-Fi+5G融合組網(wǎng)方式服務(wù)運(yùn)營，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)具有接入方便.低成本.易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可以將它作為5G系統(tǒng)的補(bǔ)充，對(duì)5G系統(tǒng)進(jìn)行分流，有助于進(jìn)一步提高用戶的網(wǎng)絡(luò)連接體驗(yàn)。

節(jié)約5G網(wǎng)絡(luò)部署成本消耗，基于5G室分技術(shù)結(jié)合現(xiàn)車Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署，提升了旅客列車網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，大幅降低了鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)支出，如圖6所示，原動(dòng)車組終端設(shè)備接收功率經(jīng)空間損耗和車體的穿透損耗為

圖6 系統(tǒng)更新前后鏈路損耗對(duì)比

Pin0=Pout-Ls0-Ls1

(3)

系統(tǒng)更新后終端設(shè)備接收功率經(jīng)過空間和天饋損耗以及車頂天線增益.車廂微基站增益為

Pin1=Pout-Ls0-Ls2+Ga+Gb

(4)

穿透損耗由表2確定，車頂天線增益Ga=6 dB，車廂微基站增益Gb=1 dB，天饋損耗Ls2≈0.3·L(L為饋線長度，m)，以當(dāng)前復(fù)興號(hào)列車安裝方案為依據(jù)，饋線長度按最大20 m計(jì)算Ls2≈6 dB。當(dāng)同一基站發(fā)射功率為Pout，終端經(jīng)過前后兩種接入方案功率分別為Pin0.Pin1，根據(jù)實(shí)際車載運(yùn)營需求指標(biāo)，由式(3).式(4)可估算出系統(tǒng)建設(shè)可調(diào)整余量

ΔP=Pin1-Pin0=Ga+Gb-Ls2+Ls1

可估算出ΔP在[8，25]dB范圍內(nèi)，對(duì)于車載CPE來說實(shí)際的接受電頻值將會(huì)提高8～25 dB，根據(jù)空間鏈路損耗的計(jì)算公式，可為運(yùn)營商在鐵路沿線單基站覆蓋距離提升1.6～5倍以上。

在國鐵集團(tuán)支持下，中國鐵塔統(tǒng)籌中國電信.中國移動(dòng).中國聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，實(shí)現(xiàn)京張高鐵移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施與主體工程“同步規(guī)劃.同步設(shè)計(jì).同步施工”，高鐵沿線兩側(cè)以450～550 m為間距規(guī)劃建設(shè)宏基站站址，形成“之”字形站址布局，達(dá)到良好覆蓋效果，經(jīng)濟(jì)高效完成京張高鐵沿線基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)京張全線2G到5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。同時(shí)，高鐵Wi-Fi創(chuàng)新性建設(shè)方案在京張高鐵正式應(yīng)用，通過MIMO車載天線+CPE+小基站設(shè)計(jì)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)京張智慧列車Wi-Fi與5G的融合組網(wǎng)?；谲囕d5G與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將圍繞冬奧會(huì)開展多項(xiàng)特色項(xiàng)目，推出冬奧會(huì)媒體專用網(wǎng)絡(luò)通道和奧運(yùn)賽事直播等服務(wù)，為奧運(yùn)媒體賽事宣傳工作保駕護(hù)航。

4 結(jié)論

隨著智慧高鐵服務(wù)的推進(jìn)，中國高鐵已進(jìn)入到智能化發(fā)展階段，依托智能京張.京雄高鐵等重點(diǎn)項(xiàng)目，中國高鐵將在數(shù)字化.網(wǎng)絡(luò)化.智能化方向繼續(xù)開拓進(jìn)取，緊密融合新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，全面推進(jìn)高鐵技術(shù)創(chuàng)新。本文提出了網(wǎng)絡(luò)能力開放性建設(shè)模式，通過復(fù)用現(xiàn)有車載Wi-Fi系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)5G與Wi-Fi系統(tǒng)的融合組網(wǎng)，并利用5G的大帶寬.低時(shí)延.多連接及高速頻偏糾正能力攻破了高鐵車體穿損大.頻偏大.感知差等難題。大幅減少了鐵塔租金.電費(fèi).維護(hù)優(yōu)化等建設(shè)成本消耗，實(shí)現(xiàn)了資源集約利用，降低了全社會(huì)總成本，降低了選址建設(shè)和維護(hù)難度及頻度，解決了鐵路沿線5G建設(shè)紅線內(nèi)施工.維護(hù)窗口難以協(xié)調(diào)等問題。依托動(dòng)車組Wi-Fi系統(tǒng)資源的開發(fā)運(yùn)用，充分發(fā)揮5G技術(shù)優(yōu)勢，該創(chuàng)新模式打破了傳統(tǒng)鐵路行業(yè)壁壘，使得鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)能夠更緊密地貼近新興移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。通過產(chǎn)業(yè)間的關(guān)聯(lián)效益和波及效應(yīng)，積極拓展鐵路延伸服務(wù)營銷渠道.擴(kuò)大經(jīng)營領(lǐng)域，帶動(dòng)鐵路相關(guān)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。