楊艷，張濤，李福昌

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 引言

高鐵出行已經(jīng)成為當(dāng)前國人最優(yōu)的出行方式之一。根據(jù)國家統(tǒng)計局官網(wǎng)數(shù)據(jù)，2020年全國鐵路營業(yè)里程達到14.63萬公里，其中，高鐵營業(yè)里程3.8萬公里，占比26%。高鐵客運量比重達到70.7%，客運周轉(zhuǎn)量比重達到58.6%[1]。從出行習(xí)慣上來看，旅客在高鐵上普遍會使用手機等終端進行無線通信，如網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上會議、在線視頻或者在線游戲等，這些業(yè)務(wù)的使用都對網(wǎng)絡(luò)性能和安全性的要求極高。但是高速場景下網(wǎng)絡(luò)部署的難度比低速場景要大。一方面，受到頻率的影響，車廂的穿透損耗很大，高鐵部署向著高頻、超高頻部署的需求與技術(shù)難度呈現(xiàn)日益擴大的剪刀差；另一方面，高鐵屬于安全要求等級極高的場景，無法容忍車體的過度改造，新型設(shè)備進行涉及車廂改造的流程和論證過程復(fù)雜。

目前，國內(nèi)外專家已經(jīng)對5G和B5G高鐵技術(shù)開展了研究，包括5G高鐵關(guān)鍵技術(shù)、信道估計、天線技術(shù)和部署方案等。文獻[2-4]介紹了5G高鐵部署中面臨的問題及一些建議的技術(shù)方案；文獻[5-7]研究了高速和高頻部署下，高鐵的信道估計方法及優(yōu)化措施；文獻[8-11]介紹了MIMO（MultipleInput Multiple Output）、多用戶接入和智能超表面（IRS,Reconfigurable Intelligent Surfaces）等天線方面的技術(shù)在5G高鐵的應(yīng)用；文獻[12-15]從5G基站上高鐵和常規(guī)5G部署方面對高鐵部署方案提出了建議。

本文首先介紹了5G高鐵的業(yè)務(wù)需求，然后給出了5G高鐵部署方案的三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并從實際測試入手，給出了主流5G頻段下高鐵的覆蓋性能；再次，介紹了5G高鐵部署需要進行的天線改進和創(chuàng)新，最后進行了總結(jié)。

1 5G高鐵通信需求分析

5G網(wǎng)絡(luò)的成熟極大地催生了移動業(yè)務(wù)的豐富化，如高清視頻、高清直播、游戲和移動線上會議等都成為目前最為普遍的5G通信業(yè)務(wù)。而高鐵作為中、短距離的主要出行工具，“高鐵+辦公”、“高鐵+娛樂”已經(jīng)逐漸普及化，也越來越被人們認同。

高清視頻、高可靠業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)有極高的要求，目前3GPP等標準化組織都對該類業(yè)務(wù)的保證速率等進行了規(guī)定，如表1中4K和VR的保證速率要求。

表1 5G典型業(yè)務(wù)保障參數(shù)

按照列車的長度及用戶的分布情況，一般情況下一列高鐵車上的全部用戶會接入到一個小區(qū)，按照不同運營商用戶滲透率和8列編組車廂列車乘客數(shù)計算可知，每小區(qū)的小區(qū)容量至少在3 Gbit/s以上。

2 5G高鐵部署方案及架構(gòu)

高鐵的公眾通信部署方式從最初的信號直接穿透車窗的方式向著多元化的方向發(fā)展，涌現(xiàn)出了穿透方案、基站上高鐵方案和IRS高鐵方案等，下文將分別介紹。

2.1 傳統(tǒng)穿透式部署架構(gòu)及性能分析

傳統(tǒng)穿透方案是高鐵沿途的基站在一定的入射角要求范圍內(nèi)，信號直接穿透車窗對車廂內(nèi)的終端進行覆蓋的方案，如圖1所示：

圖1 主流5G頻段穿透部署方案示意圖

在低速場景下，可以通過Massive MIMO技術(shù)充分的復(fù)用空間資源有效提升小區(qū)容量，也可以通過加密站址等方式擴展用戶業(yè)務(wù)容量的需求。而在高鐵場景下，車廂的密閉性帶來了極大的穿透損耗（如表2所示），以中國聯(lián)通主流5G頻段可知，穿透損耗將達到35 dB以上，嚴重影響信號的強度，導(dǎo)致用戶吞吐量下降，無法滿足5G高帶寬、低時延和高可靠業(yè)務(wù)需求。

表2 不同列車的穿透損耗

為了獲取傳統(tǒng)方案的實際應(yīng)用效果，我們在京張高鐵開展了一系列5G高鐵試驗和驗證，圖2～圖3是在平均站間距500 m、3.5 GHz和2.1 GHz主流頻點高鐵覆蓋情況下測試得到的網(wǎng)絡(luò)能力。圖2中給出了在復(fù)興號列車條件下，采用3.5 GHz和2.1 GHz頻段，在5G SA部署方式下的信號強度。不難看出，2.1 GHz頻段的信號衰減明顯優(yōu)于3.5 GHz的，差值為9 dB，這主要是由頻率產(chǎn)生的穿透損耗導(dǎo)致的信號衰弱。

圖2 主流5G頻段穿透部署方案RSRP比較

圖3則是從上下行吞吐量情況進行了分析，從圖中可以看到，上行的速率低于下行的速率，其中2.1 GHz好于3.5 GHz，下行3.5 GHz的吞吐量為2.1 GHz的2倍。

圖3 主流5G頻段穿透部署方案吞吐量比較

從總體上來看，穿透損耗對傳輸速率超成了較大的影響，現(xiàn)在的部署方式將難以滿足對5G業(yè)務(wù)的高需求。此外，如果采用毫米波以上的頻率進行高鐵部署，典型的穿透方案將無法使用，目前美國等國家已經(jīng)面臨這樣的問題。

2.2 基站上高鐵架構(gòu)分析

根據(jù)典型穿透方案的分析可以看到，如何節(jié)省穿透損耗和提升天線能力將成為未來高鐵部署方案需要重點考慮的問題。本節(jié)將對基站上高鐵的架構(gòu)進行探索和研究。目前，較為主流的解決方案是將基站或類似基站的設(shè)備直接安裝在列車上，從而節(jié)省穿透損耗。主流的方案包括直放站方案、小站方案和中繼方案。

（1）直放站方案架構(gòu)

直放站方案是在高鐵車體上部署直放站，并通過定向天線進行車內(nèi)用戶覆蓋，車廂間使用光纖或者新型線纜進行部署。其原理是在基站和用戶終端間引入直放站，將不同頻段的信息進行合理的放大后再進行數(shù)據(jù)的傳輸。直放站方案只是將信號放大，仍可以顯示運營商log，對核心網(wǎng)和終端無影響，如圖4所示。

圖4 直放站方案架構(gòu)

1）優(yōu)點：技術(shù)方案簡單，設(shè)備投資省，組網(wǎng)簡潔，不需要改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2）存在的主要問題：

◆干擾大：直放站與施主站存在覆蓋交疊，時延差會導(dǎo)致干擾，引起SINR惡化。另外，直放站級聯(lián)會造成噪聲的累加，整體抬升宏站底噪。噪聲累加程度的不同，會造成每個車廂網(wǎng)絡(luò)性能的不均衡。

◆性能差：車內(nèi)外同頻，SINR差，難以達成多流感知，多普勒糾偏能力實現(xiàn)困難，性能有待驗證。

◆運維能力差：直放站系統(tǒng)網(wǎng)管簡單，只提供各類告警，難以實現(xiàn)精確問題定位和精細化運維。

（2）小基站方案架構(gòu)

小基站方案是將小基站放置在車體上，車外宏站作為回傳鏈路（類似與光纖回傳）與小基站相連，車內(nèi)使用分布式室分系統(tǒng)進行用戶覆蓋。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 小基站方案架構(gòu)

1）優(yōu)點：部署架構(gòu)比較簡單，與現(xiàn)在的室內(nèi)外部署相似。

2）存在的主要問題：

◆核心網(wǎng)改造太大。目前運營商網(wǎng)絡(luò)基站都是相對固定的，不存在核心網(wǎng)頻繁跨省的問題，如果采用小基站方案，或許需要重新建設(shè)高鐵專用核心網(wǎng)或者對核心網(wǎng)進行整體改造。

◆回傳問題。如果車廂內(nèi)覆蓋的是5G信號，則CPE需要作為回傳設(shè)備使用，但目前回傳的標準和協(xié)議都是按照有線傳輸規(guī)定的，其丟包率要求近乎為0%。而目前CPE作為回傳設(shè)備使用時空口的丟包率為5%，難以滿足要求。如果需要采用新的物理層傳輸技術(shù)（可行性需要進一步評估），會降低傳輸效率，且在高速場景下無法實現(xiàn)多次發(fā)送同一數(shù)據(jù)。

◆CPE與小基站連接的協(xié)議還未落實，具體網(wǎng)元選取及使用還需要研究。

上文定性分析了小站方案，下文將從鏈路預(yù)算的角度分析下小站方案。一般來講，小站方案分為CPE+DAS系統(tǒng)和CPE+數(shù)字化基站兩種，下文將以CPE+DAS系統(tǒng)為例進行覆蓋和造價分析。

表3為采用小站方案的覆蓋能力分析：

表3 采用小站方案的覆蓋能力分析（漏纜無穿損場景，采用5/4漏纜）

下文從投資的角度進行分析，可知采用基站上高鐵后，車廂內(nèi)部的改造費用將有較大的提升，但是周邊站的站間會擴大，目前評估將為1 km以上，這樣建站成本會下降，如表4所示：

表4 采用小站方案的成本能力分析

（3）基于中繼的基站上高鐵架構(gòu)

如表6所示，基于中繼（Relay）的基站上高鐵方案是將Relay設(shè)備放置在車體外，車內(nèi)使用數(shù)字化室分系統(tǒng)進行部署的方案。

1）優(yōu)點：部署架構(gòu)比較簡單，中繼是一種MAC層設(shè)備，可以進行一些數(shù)字信號的處理。

2）存在的主要問題：

◆Relay標準尚未凍結(jié)，后期開發(fā)難度大；

◆車載Relay需要與宿主基站同廠家，格局約束大；

◆Relay不支持切換，無法實現(xiàn)高速移動頻繁切換的要求。

（4）基站上高鐵方案中的天線技術(shù)

基站上高鐵方案對天線也有新的要求，從實現(xiàn)的本質(zhì)可以分為提升天線增益和天線智能化需求。

高鐵車體天線指安裝在車體上的天線，是針對基站上高鐵方案提出的一種新型天線，需要關(guān)注列車行駛安全和天線性能。從布放位置，分為車體外天線和車廂內(nèi)天線。

車體外天線主要是指車廂頂部的天線，目前都是單流的天線，尚無MIMO特性的天線，嚴重地影響了系統(tǒng)的性能提升，因此在后續(xù)研究中，需要針對車體外天線開展研究，包括：

（1）車體MIMO天線：通過多天線技術(shù)提升列車的傳輸效率，提升頻譜效率。

（2）多頻智能天線：如果基站上車后，由于安全要求和安裝環(huán)境有限，天線需要盡可能地小型化、集成化，并應(yīng)當(dāng)集成較多的頻段，達到一副天線全頻段支持的需求。

車廂內(nèi)天線主要指車廂內(nèi)進行用戶覆蓋和信號回傳的天線，這類天線需要考慮按需進行功率控制，并需要配置智能化的裝置，減少車外飄入信號對車內(nèi)有用信號的干擾。

圖6 基于中繼的基站上高鐵架構(gòu)

2.3 基于IRS的高鐵部署架構(gòu)

IRS[16-20]是一種新型的智能化超表面設(shè)備，通過對設(shè)備表面的陣子或可編程接入點進行編程，改變接收信號的傳播方向或路徑特性。在高鐵中使用IRS進行部署，可以很好地克服快速時變的車體外環(huán)境影響，也可以改良車廂內(nèi)用戶的信號強度分布，從而解決車體的干擾。目前較為明顯的部署位置為鐵路沿線、車體頂部、車體玻璃外、車廂內(nèi)4處，圖7給出了基于IRS的高鐵架構(gòu)圖：

圖7 基于IRS的基站上高鐵架構(gòu)

鐵路沿線放置IRS設(shè)備可以實現(xiàn)較好的收波功能，將一些傳播方向偏離的信號進行回歸式調(diào)整。IRS設(shè)備放置在車體頂部可以與基站上高鐵設(shè)備進行結(jié)合，將單天線進行IRS擴展，提升天線的面積。IRS設(shè)備放置在車體玻璃外，靈活地應(yīng)用IRS薄膜化的特征，對信號進行加強，減少穿透損耗。IRS設(shè)備放置在車廂內(nèi)，可以將用戶信號進行智能化加強，提升用戶的整體接入性能。

3 5G高鐵沿線天線技術(shù)研究方向

高鐵沿線天線普遍是指在鐵路沿線的天線系統(tǒng)，按照場景來看，目前可以粗略分為紅線外和隧道內(nèi)兩個場景。

3.1 紅線外高鐵天線

紅線外高鐵天線需要考慮天線增益提升的要求，主要的方法有：

（1）通過MIMO技術(shù)進行發(fā)送和接收增益的提升，如沿線的天線的TR數(shù)提升為8或者16。

（2）通過采用特性天線，如龍伯透鏡天線，最大限度地將信號集中在高鐵長條狀的覆蓋帶上，實現(xiàn)高鐵覆蓋范圍內(nèi)的天線增益提升。

（3）智能超表面技術(shù)的引入，可以通過在必要的區(qū)域添加IRS，改變信號傳播的路徑，減少遮擋等不必要的信號衰減。

（4）分布式天線可以擴大單個小區(qū)的覆蓋范圍，實現(xiàn)多物理站址間的協(xié)同部署，極大地減少小區(qū)切換，實現(xiàn)用戶的有效數(shù)據(jù)通信時長。

3.2 隧道內(nèi)高鐵天線

目前高鐵隧道都是采用漏纜進行部署，如13/8或者5/4漏纜，但是漏纜都有明顯的使用頻段，當(dāng)超出漏纜的支持頻率（截止頻率）時，信號質(zhì)量出現(xiàn)極大的衰減，從而導(dǎo)致通信中斷。而在5G及B5G高鐵部署中，通常要使用到3.5 GHz以上的頻段，這個與現(xiàn)存漏纜支持的頻率有較大差異，無法進行全頻段漏纜覆蓋。相對地，天線可以支持頻率的范圍較大，可以很好地解決高頻覆蓋的問題，如對數(shù)周期天線就是一種比較常見的貼壁天線。同時使用可以將隧道天線與RIS系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)信道優(yōu)化，從而提升天線的性能。但是天線在隧道內(nèi)部署缺乏實驗驗證，需要進行全面的安全分析和測試，以防列車帶來的高風(fēng)壓造成設(shè)備脫落，進而影響高鐵行駛安全。

4 結(jié)束語

高鐵通信是一種高速或超高速列車運行下，使用多種通信覆蓋技術(shù)實現(xiàn)列車內(nèi)用戶通信的通信模式。高速運行的列車對安全的要求極高，車廂都比較厚或使用多層膜狀材料，穿透損耗很大。而5G的主流頻段是3.5 GHz和2.1 GHz，如果采用直接穿透的部署方法，將帶來35 dB以上的穿透損耗，極大地削弱網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，造成較高的建網(wǎng)成本。因此在5G業(yè)務(wù)豐富化、高質(zhì)量化的前提下，如何進行5G高鐵的部署成為當(dāng)前5G高鐵部署的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合高鐵部署的需求、傳統(tǒng)部署方式的測試情況，進一步分析5G上高鐵的架構(gòu)和天線需求。5G和B5G高鐵部署將成為未來高鐵通信的主要研究方向，需要進行深入的研究，打造5G+高鐵復(fù)合新名片。