資料介紹
摘要:?
針對(duì)5G高鐵覆蓋面臨諸多困境,從5G網(wǎng)絡(luò)高頻段、高功耗、高傳輸帶寬需求、多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大等方面進(jìn)行了分析。針對(duì)高鐵場(chǎng)景特征及業(yè)務(wù)體驗(yàn)需求,研究并提出5G高鐵覆蓋解決方案和規(guī)劃設(shè)計(jì)方法,為運(yùn)營(yíng)商在高鐵場(chǎng)景快速部署5G網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支撐。
01
概述
截至2018年底我國(guó)高鐵里程達(dá)2.9萬(wàn)km,2025年將達(dá)3.8萬(wàn)km,累計(jì)發(fā)送旅客人數(shù)已超70億人次,在4G時(shí)代,各大運(yùn)營(yíng)商針對(duì)高鐵覆蓋屬于品牌場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重中之重。隨著高鐵用戶規(guī)模增長(zhǎng)及多樣化的業(yè)務(wù)感知要求,在5G大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用中,對(duì)5G高鐵覆蓋解決方案的需求是非常迫切的。5G高鐵覆蓋方案將面臨諸多困境,如5G網(wǎng)絡(luò)高頻段、高功耗、高傳輸帶寬需求、多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大等。本文針對(duì)高鐵多種場(chǎng)景,研究并提出對(duì)高鐵的5G覆蓋解決方案和規(guī)劃設(shè)計(jì)方法,指導(dǎo)快速推進(jìn)5G時(shí)代的高鐵覆蓋及精品高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。
02
5G高鐵覆蓋重要性及技術(shù)難點(diǎn)
2.1 ?5G高鐵覆蓋的重要性
高鐵建設(shè)全面鋪開,快速化、信息化已成為趨勢(shì):中國(guó)高鐵里程占全球60%,成為中國(guó)人出行第一選擇,累計(jì)發(fā)送旅客人次已超70億,年增長(zhǎng)率超35%。在高鐵信息化及高鐵用戶快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)下,5G時(shí)代運(yùn)營(yíng)商需要針對(duì)高鐵覆蓋擬定針對(duì)性的方案,在網(wǎng)絡(luò)覆蓋及用戶體驗(yàn)上形成優(yōu)勢(shì)。
高鐵乘客特征和運(yùn)營(yíng)商價(jià)值客戶高度重合,是運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)品牌的重要展示窗口:高鐵運(yùn)輸能力大,單車容納能力高,且環(huán)境舒適,用戶業(yè)務(wù)使用比例高,整體業(yè)務(wù)需求較其他場(chǎng)景大;高鐵用戶中商務(wù)人士乘坐比例高,高端客戶占比大,對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)品牌具有重要意義,是5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。? ?
2.2? 5G高鐵覆蓋技術(shù)難點(diǎn)
高鐵普遍存在的三大挑戰(zhàn):多普勒頻偏、頻繁切換、穿透損耗大。由于5G主力的3.5GHz頻段頻率高于4G, 5G時(shí)代高鐵覆蓋更加困難,5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案需要重點(diǎn)關(guān)注站點(diǎn)規(guī)劃與布局、系統(tǒng)切換重疊區(qū)域設(shè)計(jì)、頻率糾偏等方面,實(shí)現(xiàn)更好網(wǎng)絡(luò)性能。
2.2.1? ?多普勒頻偏影響接收機(jī)解調(diào)性能
5G無(wú)線通信系統(tǒng)要求峰值移動(dòng)性支持≥500km/h,高速移動(dòng)下的多普勒頻偏(接受信號(hào)頻率會(huì)偏離基站側(cè)中心頻點(diǎn))會(huì)影響接收機(jī)解調(diào)性能,多普勒頻偏在5G網(wǎng)絡(luò)影響更大,3.5G相對(duì)1.8G頻偏增大一倍,在3.5GHz情況下,列車速度達(dá)到350km/h時(shí),上行多普勒頻偏將大于2.2kHz,因此,在高頻段、終端高速移動(dòng)狀態(tài)下如何克服多普勒頻偏是5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。多普勒效解決方案主要為通過(guò)基站設(shè)備糾偏算法,進(jìn)行用戶的頻率糾正來(lái)消除多普勒頻偏移帶來(lái)影響。
表1 不同頻段的上行最大多普勒頻偏
2.2.2? ?超高速移動(dòng)導(dǎo)致切換區(qū)不足及頻繁切換問(wèn)題
5G無(wú)線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性需求為99.999%,端到端時(shí)延<1ms,在列車時(shí)速350 km/h,切換區(qū)域超過(guò)90米,高速移動(dòng)時(shí)所需要的重疊覆蓋距離明顯高于普通場(chǎng)景,且由于5G站距相對(duì)更小頻繁切換問(wèn)題明顯。高鐵速度350km/h、站距500米情況下,平均3s切換一次,終端用戶在小區(qū)頻繁切換,切換時(shí)帶來(lái)的吞吐率體驗(yàn)下降明顯,甚至掉話增加(如圖1所示)。
圖1 高鐵小區(qū)切換示意
頻繁的小區(qū)切換將極大降低用戶的感知,成為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。解決辦法需要合理的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)更快的小區(qū)重選和合理的小區(qū)重疊區(qū)滿足小區(qū)間切換要求,同時(shí),通過(guò)小區(qū)合并可以減少小區(qū)間切換次數(shù),提高速率性能及可靠性。
2.2.3? ?5G高頻段的車體穿透損耗更大
5G無(wú)線通信系統(tǒng)的目前使用頻段為3.5 GHz,自由空間損耗及車廂損耗較1.8 GHz頻段高,其中自由空間傳播損耗高6 dB,車體傳播損耗高3~5 dB。CRH380A車廂整體穿透損耗平均值約20 dB,3.5 GHz頻段穿透損耗更高約25 dB,不同車型采用材質(zhì)差異,穿透損耗差異也很大(見表2),且基站到高鐵的入射角越小,損耗越大,因此,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)入射角應(yīng)控制在10°以上,基站到高鐵最小距離為:80~200 m。
表2不同列車不同頻段的穿透損耗(dB)
03
高鐵多場(chǎng)景覆蓋規(guī)劃方案
3.1? ?規(guī)劃目標(biāo)建議
目前階段高鐵主要以視頻、游戲、社交、辦公類等eMBB業(yè)務(wù)為主。根據(jù)4G高鐵數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),高鐵業(yè)務(wù)模型與大網(wǎng)eMBB類似,文字、圖片帶寬需求變化不大,視頻業(yè)務(wù)占比56%左右,未來(lái)業(yè)務(wù)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍以“高清視頻”為核心,帶動(dòng)流量增長(zhǎng)。
5G初期,eMBB主要以2K視頻+智能手機(jī)、4K視頻+HDTV/VR為主要業(yè)務(wù)(見表3);其中2K視頻是5G業(yè)務(wù)最小業(yè)務(wù)要求,高鐵場(chǎng)景大部分時(shí)間處于200~350kmh高速運(yùn)行,邊緣速率規(guī)劃建議按照4K視頻業(yè)務(wù)需求:下行速率要求>50Mbps,上行速率可根據(jù)不同覆蓋目標(biāo)要求確定,初期建議UL>1Mbps,后續(xù)再分階段考慮>5Mbps滿足1080P視頻上傳要求。
高鐵場(chǎng)景邊緣速率規(guī)劃建議:DL 50Mbps,UL 1 Mbps /5Mbps。
表3? eMBB業(yè)務(wù)帶寬需求
3.2? ?鏈路預(yù)算分析
合理站址規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量基石,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃選址既要充分考慮利用現(xiàn)有資源,同時(shí)也要考慮站址規(guī)劃合理性。目前中國(guó)獲取5G頻譜資源為3500~3600 MHz, 根據(jù)業(yè)界內(nèi)專家的初步評(píng)估,3.5 GHz頻段的總損耗比1.8 GHz約大14 dB,主要表現(xiàn)在空間損耗、車廂穿透損耗及間隙發(fā)射帶來(lái)?yè)p耗。基于目標(biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算分析如表4所示,從表4可以看出,5G站址規(guī)劃站距勢(shì)必比4G網(wǎng)絡(luò)更密。
表4 基于目標(biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算
(2.5ms單周期)
從基于目標(biāo)邊緣吞吐量的小區(qū)半徑鏈路預(yù)算分析,Cost-Hata模型與3GPP模型測(cè)算站距差異較大,按目前廣東聯(lián)通高鐵4G現(xiàn)有存量站址站距600~800 m,至少需增加1倍以上站址方可滿足5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求,這對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),主要表現(xiàn)在站址選取、物業(yè)協(xié)調(diào)、工程建設(shè)、投資成本以及管道傳輸資源等方面。如何克服高頻段損耗站點(diǎn)過(guò)密問(wèn)題、降低建設(shè)成本,成為重中之重。
NR下行可以和LTE現(xiàn)網(wǎng)1:1共站,通過(guò)上下行解耦、DC雙連接提升上行覆蓋:從鏈路預(yù)算及速率滿足情況來(lái)看,5G高鐵覆蓋主要表現(xiàn)為上行受限,小區(qū)邊緣速率超過(guò)50Mbps,可以實(shí)現(xiàn)和4G現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)1:1共站。從上行邊緣速率情況來(lái)看,5G相對(duì)LTE FDD存在上行覆蓋受限,需要上下行解耦或DC雙連接提升上行覆蓋,解耦后上行速率提升明顯。小區(qū)實(shí)際覆蓋半徑可根據(jù)具體站點(diǎn)規(guī)劃情況確定,在1:1基礎(chǔ)上,進(jìn)行個(gè)別站點(diǎn)補(bǔ)充滿足規(guī)劃目標(biāo)。
圖2給出了邊緣吞吐率與小區(qū)半徑的關(guān)系示意。
圖2 ?邊緣吞吐率與小區(qū)半徑的關(guān)系
3.3? ?切換區(qū)域設(shè)計(jì)
由于5G無(wú)線通信系統(tǒng)的需求,系統(tǒng)可靠性為99.999%,端到端時(shí)延<1ms,在列車時(shí)速達(dá)350 km/h,雙向切換區(qū)域范圍較大。終端用戶在小區(qū)頻繁切換,切換時(shí)帶來(lái)的吞吐率體驗(yàn)下降明顯,甚至掉話增加,因此,減少小區(qū)間切換是提升高鐵用戶體驗(yàn)感知的關(guān)鍵。
5G系統(tǒng)需要的切換重疊區(qū)域測(cè)算如圖3所示,A過(guò)渡區(qū)為信號(hào)到滿足切換電平遲滯(~2dB)需要的距離,并且考慮防止信號(hào)波動(dòng)需重新測(cè)量而影響切換的距離余量。B切換區(qū)域:時(shí)延1為終端測(cè)量上報(bào)周期+切換時(shí)間遲滯,時(shí)延2為切換執(zhí)行時(shí)延,包括信令面及數(shù)據(jù)面執(zhí)行時(shí)延。
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