专业文章|铁路5G-R网络特点及网络规划技术研究

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

作者： 

王玮，移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室/中兴通讯股份有限公司/北京交通大学

0 引言

我国铁路选择5G技术作为GSM-R技术的演进。目前，GSM-R系统在我国大规模运用，助力高速铁路持续发展。而GSM-R系统作为窄带制式，面临设备即将停产和无法满足宽带业务需求的问题，GSM-R系统向铁路下一代移动通信系统演进，实现窄带制式向宽带制式的升级，成为必然发展趋势和现实迫切需求。2020年，中国国家铁路集团有限公司经过业务需求分析和技术经济比选，结合我国加快5G网络等新型基础设施建设的决策部署，基本明确了5G-R的系统建设目标。经过2年多研究，已完成系统需求规范、功能需求规范、总体技术要求、基站技术要求等规范的编写，设备厂商已基本完成设备研发，即将进入试验和建设阶段。当前，需要充分研究5G-R网络的特点，识别其与GSM-R网络及公共5G网络的差异，总结出适用于铁路领域的5G-R网络特点，并根据网络特点进行针对性的网络规划，以期在5G-R规模建设之前，做好充足的技术储备。

1  5G-R网络特点

1.1 系统架构

5G-R系统架构以5G独立组网（Standalone，SA）架构为基础，增加铁路特色应用业务。5G-R的组网架构主要包括终端设备（UE）、无线接入网（RAN）、核心网（5GC）、关键业务系统（MC）和应用部分。5G-R应用的一部分是由GSM-R网络演进而来，另一部分是面向宽带的多媒体应用，与运营商5G网络架构上的主要差异在于其特色应用部分。5G-R组网架构见图1。

1.2 主要技术特点分析

针对5G-R网络，分别从网络覆盖、组网技术、业务特点、设备冗余、网络性能5个方面进行特点分析。

（1）网络覆盖。5G-R网络覆盖与GSM-R网络有相同之处，均以铁路沿线为覆盖区域，主要以铁路车载台为覆盖目标，兼顾手持台。

（2）组网技术。5G-R系统采用同频组网（见图2），不需要考虑频率规划，采用系统内的干扰协调技术解决小区间干扰问题。

（3）业务特点。5G-R系统的主要业务包括运行控制和运营维护2大类应用，其中运行控制类应用包括调度通信、行车调度命令、CTCS-3级列控以及列车自动驾驶系统（Automatic Train Operation，ATO）等；运营维护应用包括车载设备检测信息传送、列车组人员通信、应急通信、养护语音等。

（4）设备冗余。5G-R承载的业务仍然以运行控制类行车应用为主，对设备安全性、可靠性要求高，为此，设计5G-R冗余组网见图3。

（5）网络性能。为满足5G-R业务传输需求，5G-R网络在不同业务场景下，端到端网络传输时延不大于60ms，标准远高于运营商网络。

综上分析，对5G-R网络特点汇总见表1。

2  5G-R网络规划关键技术研究

2.1 5G-R网络频率特性及干扰协调

5G-R系统使用同频组网，存在同频干扰问题。针对小区内干扰，分为上行干扰和下行干扰2类。用于解决小区间干扰的干扰协调技术，是指基站给不同的小区划分不同RB资源并分配起始位置，每个小区根据当前小区类型，选择一种固定的RB分配起始顺序。当小区RB占用率不高时，不同小区间频域资源错开，降低干扰，提升吞吐量。小区间干扰协调机制适用于小区负荷不高的场景，对于铁路线性组网场景，在小区平均负荷低于50%时，理论上增益是比较明显的。需要注意的是，该方案仅针对在2个小区边界处的UE进行RB资源协调，对于小区中心用户，来自小区外部的干扰较少，理论上仍然可以使用100%的RB资源。5G-R小区间干扰协调原理见图4。

2.2 5G-R网络覆盖规划

【影响覆盖的因素】

影响覆盖的因素包括系统频段、基站/UE发射功率、最低参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）覆盖要求、业务速率要求、多天线技术等。

【链路预算技术】

链路预算是通过对系统上、下行信号传播途径中各种影响因素的考察和分析，对系统的覆盖能力进行估计，获得保持一定速率下链路所允许的最大传播损耗。通过最大允许传播损耗（Max Allowed Path Loss，MAPL），结合不同场景的传播模型即可估算出覆盖半径。

【最大允许传播损耗计算】

在铁路区间站，一般使用如下方式计算最大允许传播损耗：

最大允许传播损耗=发射功率-发射机馈线损耗+发射机天线增益-车体损耗-阴影衰落余量+切换增益干扰余量-人体损耗+接收机天线增益-接收机馈线损耗-高速保护-列控保护-设备老化余量-接收机灵敏度。

【覆盖半径计算】

根据计算出的最大允许传播损耗，结合传播模型， 即可计算出小区的覆盖半径，总体计算过程见图5。

2.3 5G-R网络容量规划

UE最大数据传输速率是指1部UE在获得全部可用无线资源时，在无错误信道条件下所能达到的最大数据传输速率。5G峰值数据速率的定义是单用户在理想情况下数据传输速率的最大值，等于峰值频谱效率乘以信道带宽。单用户且理想情况下，满足终端静止、信噪比极高、理想信道估计等条件，此时基站配置最少的解调参考信号（Demodulation Reference Signal，DMRS）、信道探测参考信号（Sounding Reference Signal，SRS）、物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）、物理上行链路控制信道（Physical Uplink Control CHannel，PUCCH）等信道开销资源，将无线资源最大化用于PUSCH和PDSCH。

2.4 5G-R网络参数规划

【PCI规划】

每个5G-R小区对应于1个物理小区ID（Physical CellI dentities，PCI），用于区分无线侧的小区。5G-R的PCI规划与LTE的PCI规划相似。错误的规划将影响同步过程、解调和切换信令，并降低网络性能。与LTE相比，5G-R有2倍的PCI可供分配，因而PCI规划更简单。

【邻区规划】

5G-R一般为线性覆盖，每个小区每个方向只需配置2个邻区，即单向切入邻区与单向切出邻区。5G-R组网采用超级小区合并后，不恰当的切换参数配置仍可能影响性能，如切换不及时导致掉话。高铁列车具有单向移动并且车速快的特点，因此，切换优化的原则就是加速切换，同时减少乒乓切换，优化单向切换参数，避免用户在源小区因切换不及时而掉线。Xn切换可以减少切换时延，加速切换，高铁沿线专网站点建议配置Xn切换。

2.5 5G-R网络室分规划

铁路室分场景包括车站、售票厅、调度楼、候车室、办公区等场所。车站属于室内外均可覆盖场景，优先选择室外基站覆盖，避免车载设备频繁切换；售票厅、候车室属于大型开放空间，需重点考虑干扰规避；调度楼、办公区等墙体、走廊较多，应该考虑空间传播特性，合理利用墙体等隔断小区，避免小区间重叠覆盖范围过大。主要规划原则为：（1）准确容量估算，按最忙时话务模型；（2）室内覆盖延伸到出入口，保证出入口用户平滑切换到室外；（3）有石膏板、木板等吊顶时，微站或外接天线尽量外露安装，减少不必要穿透损耗；（4）在满足容量需求的情况下，尽量使用小区合并，避免同一楼层划分多个小区；（5）室内外同频组网时，保证室内窗口覆盖信号强于室外，避免反复切换。铁路主要室分场景规划要点见表2。

2.6 5G-R网络切换带设计

5G-R的切换重叠区包括切换过渡区、切换测量区和切换执行区（见图6）。

3  结束语

5G-R作为我国铁路新一代移动通信系统的演进方向，其网络规划技术需要逐步深入研究和明确。通过与运营商5G网络及GSM-R网络的对比分析，总结5G-R的网络特点，针对其网络特点，提出5G-R网络规划关键技术，并进行详细阐述。随着5G-R设备技术标准的逐步确定，工程技术方案是当前研究的重点，其中网络规划技术涉及工程部署、成本预算、建设方案等，具有举足轻重的地位，需要进一步深化研究。未来，5G-R应用的网络规划技术，可进一步推广至运营商覆盖铁路的专用网络、城市轨道交通等行业。

来源：《中国铁路》编辑部