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作者：?

王瑋，移動網(wǎng)絡和移動多媒體技術國家重點實驗室/中興通訊股份有限公司/北京交通大學

0?引言

我國鐵路選擇5G技術作為GSM-R技術的演進。目前，GSM-R系統(tǒng)在我國大規(guī)模運用，助力高速鐵路持續(xù)發(fā)展。而GSM-R系統(tǒng)作為窄帶制式，面臨設備即將停產(chǎn)和無法滿足寬帶業(yè)務需求的問題，GSM-R系統(tǒng)向鐵路下一代移動通信系統(tǒng)演進，實現(xiàn)窄帶制式向寬帶制式的升級，成為必然發(fā)展趨勢和現(xiàn)實迫切需求。2020年，中國國家鐵路集團有限公司經(jīng)過業(yè)務需求分析和技術經(jīng)濟比選，結合我國加快5G網(wǎng)絡等新型基礎設施建設的決策部署，基本明確了5G-R的系統(tǒng)建設目標。經(jīng)過2年多研究，已完成系統(tǒng)需求規(guī)范、功能需求規(guī)范、總體技術要求、基站技術要求等規(guī)范的編寫，設備廠商已基本完成設備研發(fā)，即將進入試驗和建設階段。當前，需要充分研究5G-R網(wǎng)絡的特點，識別其與GSM-R網(wǎng)絡及公共5G網(wǎng)絡的差異，總結出適用于鐵路領域的5G-R網(wǎng)絡特點，并根據(jù)網(wǎng)絡特點進行針對性的網(wǎng)絡規(guī)劃，以期在5G-R規(guī)模建設之前，做好充足的技術儲備。

1? 5G-R網(wǎng)絡特點

1.1 系統(tǒng)架構

5G-R系統(tǒng)架構以5G獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）架構為基礎，增加鐵路特色應用業(yè)務。5G-R的組網(wǎng)架構主要包括終端設備（UE）、無線接入網(wǎng)（RAN）、核心網(wǎng)（5GC）、關鍵業(yè)務系統(tǒng)（MC）和應用部分。5G-R應用的一部分是由GSM-R網(wǎng)絡演進而來，另一部分是面向寬帶的多媒體應用，與運營商5G網(wǎng)絡架構上的主要差異在于其特色應用部分。5G-R組網(wǎng)架構見圖1。

1.2?主要技術特點分析

針對5G-R網(wǎng)絡，分別從網(wǎng)絡覆蓋、組網(wǎng)技術、業(yè)務特點、設備冗余、網(wǎng)絡性能5個方面進行特點分析。

（1）網(wǎng)絡覆蓋。5G-R網(wǎng)絡覆蓋與GSM-R網(wǎng)絡有相同之處，均以鐵路沿線為覆蓋區(qū)域，主要以鐵路車載臺為覆蓋目標，兼顧手持臺。

（2）組網(wǎng)技術。5G-R系統(tǒng)采用同頻組網(wǎng)（見圖2），不需要考慮頻率規(guī)劃，采用系統(tǒng)內的干擾協(xié)調技術解決小區(qū)間干擾問題。

（3）業(yè)務特點。5G-R系統(tǒng)的主要業(yè)務包括運行控制和運營維護2大類應用，其中運行控制類應用包括調度通信、行車調度命令、CTCS-3級列控以及列車自動駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO）等；運營維護應用包括車載設備檢測信息傳送、列車組人員通信、應急通信、養(yǎng)護語音等。

（4）設備冗余。5G-R承載的業(yè)務仍然以運行控制類行車應用為主，對設備安全性、可靠性要求高，為此，設計5G-R冗余組網(wǎng)見圖3。

（5）網(wǎng)絡性能。為滿足5G-R業(yè)務傳輸需求，5G-R網(wǎng)絡在不同業(yè)務場景下，端到端網(wǎng)絡傳輸時延不大于60ms，標準遠高于運營商網(wǎng)絡。

綜上分析，對5G-R網(wǎng)絡特點匯總見表1。

2? 5G-R網(wǎng)絡規(guī)劃關鍵技術研究

2.1 5G-R網(wǎng)絡頻率特性及干擾協(xié)調

5G-R系統(tǒng)使用同頻組網(wǎng)，存在同頻干擾問題。針對小區(qū)內干擾，分為上行干擾和下行干擾2類。用于解決小區(qū)間干擾的干擾協(xié)調技術，是指基站給不同的小區(qū)劃分不同RB資源并分配起始位置，每個小區(qū)根據(jù)當前小區(qū)類型，選擇一種固定的RB分配起始順序。當小區(qū)RB占用率不高時，不同小區(qū)間頻域資源錯開，降低干擾，提升吞吐量。小區(qū)間干擾協(xié)調機制適用于小區(qū)負荷不高的場景，對于鐵路線性組網(wǎng)場景，在小區(qū)平均負荷低于50%時，理論上增益是比較明顯的。需要注意的是，該方案僅針對在2個小區(qū)邊界處的UE進行RB資源協(xié)調，對于小區(qū)中心用戶，來自小區(qū)外部的干擾較少，理論上仍然可以使用100%的RB資源。5G-R小區(qū)間干擾協(xié)調原理見圖4。

2.2 5G-R網(wǎng)絡覆蓋規(guī)劃

【影響覆蓋的因素】

影響覆蓋的因素包括系統(tǒng)頻段、基站/UE發(fā)射功率、最低參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）覆蓋要求、業(yè)務速率要求、多天線技術等。

【鏈路預算技術】

鏈路預算是通過對系統(tǒng)上、下行信號傳播途徑中各種影響因素的考察和分析，對系統(tǒng)的覆蓋能力進行估計，獲得保持一定速率下鏈路所允許的最大傳播損耗。通過最大允許傳播損耗（Max Allowed Path Loss，MAPL），結合不同場景的傳播模型即可估算出覆蓋半徑。

【最大允許傳播損耗計算】

在鐵路區(qū)間站，一般使用如下方式計算最大允許傳播損耗：

最大允許傳播損耗=發(fā)射功率-發(fā)射機饋線損耗+發(fā)射機天線增益-車體損耗-陰影衰落余量+切換增益干擾余量-人體損耗+接收機天線增益-接收機饋線損耗-高速保護-列控保護-設備老化余量-接收機靈敏度。

【覆蓋半徑計算】

根據(jù)計算出的最大允許傳播損耗，結合傳播模型， 即可計算出小區(qū)的覆蓋半徑，總體計算過程見圖5。

2.3 5G-R網(wǎng)絡容量規(guī)劃

UE最大數(shù)據(jù)傳輸速率是指1部UE在獲得全部可用無線資源時，在無錯誤信道條件下所能達到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。5G峰值數(shù)據(jù)速率的定義是單用戶在理想情況下數(shù)據(jù)傳輸速率的最大值，等于峰值頻譜效率乘以信道帶寬。單用戶且理想情況下，滿足終端靜止、信噪比極高、理想信道估計等條件，此時基站配置最少的解調參考信號（Demodulation Reference Signal，DMRS）、信道探測參考信號（Sounding Reference Signal，SRS）、物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）、物理上行鏈路控制信道（Physical Uplink Control CHannel，PUCCH）等信道開銷資源，將無線資源最大化用于PUSCH和PDSCH。

2.4 5G-R網(wǎng)絡參數(shù)規(guī)劃

【PCI規(guī)劃】

每個5G-R小區(qū)對應于1個物理小區(qū)ID（Physical CellI dentities，PCI），用于區(qū)分無線側的小區(qū)。5G-R的PCI規(guī)劃與LTE的PCI規(guī)劃相似。錯誤的規(guī)劃將影響同步過程、解調和切換信令，并降低網(wǎng)絡性能。與LTE相比，5G-R有2倍的PCI可供分配，因而PCI規(guī)劃更簡單。

【鄰區(qū)規(guī)劃】

5G-R一般為線性覆蓋，每個小區(qū)每個方向只需配置2個鄰區(qū)，即單向切入鄰區(qū)與單向切出鄰區(qū)。5G-R組網(wǎng)采用超級小區(qū)合并后，不恰當?shù)那袚Q參數(shù)配置仍可能影響性能，如切換不及時導致掉話。高鐵列車具有單向移動并且車速快的特點，因此，切換優(yōu)化的原則就是加速切換，同時減少乒乓切換，優(yōu)化單向切換參數(shù)，避免用戶在源小區(qū)因切換不及時而掉線。Xn切換可以減少切換時延，加速切換，高鐵沿線專網(wǎng)站點建議配置Xn切換。

2.5 5G-R網(wǎng)絡室分規(guī)劃

鐵路室分場景包括車站、售票廳、調度樓、候車室、辦公區(qū)等場所。車站屬于室內外均可覆蓋場景，優(yōu)先選擇室外基站覆蓋，避免車載設備頻繁切換；售票廳、候車室屬于大型開放空間，需重點考慮干擾規(guī)避；調度樓、辦公區(qū)等墻體、走廊較多，應該考慮空間傳播特性，合理利用墻體等隔斷小區(qū)，避免小區(qū)間重疊覆蓋范圍過大。主要規(guī)劃原則為：（1）準確容量估算，按最忙時話務模型；（2）室內覆蓋延伸到出入口，保證出入口用戶平滑切換到室外；（3）有石膏板、木板等吊頂時，微站或外接天線盡量外露安裝，減少不必要穿透損耗；（4）在滿足容量需求的情況下，盡量使用小區(qū)合并，避免同一樓層劃分多個小區(qū)；（5）室內外同頻組網(wǎng)時，保證室內窗口覆蓋信號強于室外，避免反復切換。鐵路主要室分場景規(guī)劃要點見表2。

2.6?5G-R網(wǎng)絡切換帶設計

5G-R的切換重疊區(qū)包括切換過渡區(qū)、切換測量區(qū)和切換執(zhí)行區(qū)（見圖6）。

3? 結束語

5G-R作為我國鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的演進方向，其網(wǎng)絡規(guī)劃技術需要逐步深入研究和明確。通過與運營商5G網(wǎng)絡及GSM-R網(wǎng)絡的對比分析，總結5G-R的網(wǎng)絡特點，針對其網(wǎng)絡特點，提出5G-R網(wǎng)絡規(guī)劃關鍵技術，并進行詳細闡述。隨著5G-R設備技術標準的逐步確定，工程技術方案是當前研究的重點，其中網(wǎng)絡規(guī)劃技術涉及工程部署、成本預算、建設方案等，具有舉足輕重的地位，需要進一步深化研究。未來，5G-R應用的網(wǎng)絡規(guī)劃技術，可進一步推廣至運營商覆蓋鐵路的專用網(wǎng)絡、城市軌道交通等行業(yè)。

來源：《中國鐵路》編輯部