铁路5G-R 网络覆盖优化策略研究

引言

在新一代信息技术与交通运输深度融合的发展新形势下，中国铁路的智能和自动化程度日益提高，中国铁路列车的速度日益提高，智能运维、智能驾驶、高清视频监控、旅客沉浸式服务业务等对通信网的带宽、时延、可靠性、覆盖范围等也提出了新的要求。5G-R 网络采用 3GPP 定义的 5G 技术标准，可以满足铁路业务的通信需求，是未来铁路通信网的发展方向。

一、基于场景的差异化覆盖优化方案

1. 隧道场景优化

针对隧道场景的覆盖问题，采用“漏泄电缆 + 分布式天线”的覆盖方式进行解决。短隧道（隧道长度小于 500m ），在隧口两侧布设高增益定向天线，通过定向天线将信号穿透隧口，实现隧道覆盖；在隧道中部区域布设分布式小天线（天线间距为 200-300m) ），对隧道中部区域进行覆盖，补偿信号在隧道中的损耗。长隧道（隧道长度大于 ），沿隧道壁布设漏泄电缆，通过漏泄电缆，将基站信号均匀辐射到隧道中，实现隧道覆盖；在隧道中部区域布设中继站对信号进行放大、转发，补偿信号的沿隧道传输损耗。同时根据隧道壁的材料改进传播模型，如混凝土隧道，考虑壁面反射损耗系数，调整基站的发射功率以及漏泄电缆的耦合损耗参数，实现隧道信号强度大于-85dBm。

2. 山区与丘陵场景优化

山区场景的优化，避免地形阻挡、提升绕波和穿越能力。首先通过地形勘测和无线仿真预测，架站选址在山坡、山顶、山腰等高处，利用海拔优势提升覆盖面，同时采用高增益（ ⩾ 18dBi）窄波束天线，调整天线角度使得信号沿线路方向进行集中发送，避免信号传播到无益地区提升信号覆盖面。针对深山谷等信号难以覆盖的区域，采用分散小基站的方式进行盲区覆盖，将微基站设置在山谷两侧山腰位置，利用RRU 与核心基站进行连接实现微基站的精确覆盖，同时传播模型中加入地形衰落因子，对模型参数进行数据校正提升覆盖预测的准确性，对基站选址及天线参数提供参考依据。

3. 平原与枢纽场景优化

平原区以覆盖均匀、容量提升为目标，“宏基站 + 微微基站”覆盖组网。沿铁以 1.5-2km 间隔实现大覆盖，沿线的村镇重点客户区域密集的覆盖微基站作为宏基站覆盖的盲区补充，同时分流流量，避免过载；铁路沿线较大的站场枢纽实现“小区化 + massiveMIMO”覆盖提升覆盖率与容量承载，通过小区化实现较大的站场枢纽分割成若干小小区，缩小基站覆盖范围 (300-500m) ，提升信号容量和利用信号频谱；部署 Massive 天线(64 端口及以上)，采用多天线波束赋型将信号传向用户或区域，减少干扰，改善边缘用户信号质量；铁路沿线候车室、站台等室内分布采用分布式天线系统 (DAS) 进行覆盖，通过功分器将基站信号分配给室内各个天线实现内外无缝隙覆盖。

二、面向高速移动的技术优化策略

1. 多普勒频移补偿技术

对于时速快、频偏大的问题，在基站侧使用自适应频偏补偿技术，通过GPS 测速或者基站信号测时差，计算频偏，自适应调整基站发射频率，进行频偏补偿。终端采用相干解调方式，通过增加导频信号密度，提升频偏估计精度，提高解调稳定性。通过仿真验证，采用上述频偏补偿技术后，5G-R 网络在时速350km/h 时频偏偏差 ⟨50Hz ，解调成功率 >98% 。

2. 切换优化算法

针对快速移动切换频繁的问题，提出“预测 - 提前切换”算法。根据列车历史运行数据 (GPS、速度、位置、路线 ) 和当前列车的位置预测模型，预先计算出列车即将驶入的基地范围 ; 距目标基站一定距离时 (500m) )，BSC 提前准备切换，完成与目标基站之间的通信、资源准备，在进入目标基站的覆盖范围之前提前完成切换，同时将触发切换的门限 Hysteresis 值从 2dB 提高到 4dB，避免了触发不必要的切换，现场测试切换成功率从 85% 提高到了 96% ，掉话率少于 0.5% 。

3. 车厢内覆盖增强

对于列车车厢屏蔽的问题，采用“车地协同”，即列车头部采用高增益接收天线，利用车头车载中继器放大处理后，利用分布式车厢内天线（车厢顶部或车厢侧面），并且对车载中继器进行调试，调节放大增益（放大增益不能太大，可调节放大增益 15-20dB），避免由于放大过大导致干扰。动车组列车在制造时可以将车厢内天线设置在列车上，减少损耗。采用后，车厢内信号强度可以从 -105dBm 变到 -75dBm，下载速率提升 30% 以上。

三、网络干扰抑制与资源优化

1. 同频干扰抑制

应用 DFA 技术，根据铁路沿线基站负载以及干扰情况，实时调整基站工作频段，在基站重叠覆盖区使用干扰检测算法查找干扰源，使邻频工作频段不同，降低同频干扰；业务量低区域采用频谱复用因子为3、4 的频段，提高频谱利用率；业务量高区域（枢纽），采用复用因子为1 的频段，与干扰协调技术（ICIC）配合使用，基站间互相告知，控制边缘小区发射功率、抑制干扰。同时，设置干扰消除接收机，通过接收机信号处理技术，消除接收机收到的信号干扰。

2. 邻系统干扰隔离

避免邻系统干扰，在 5G-R 网络布设时，选用合适工作频段，尽可能远离公众通讯网络、广播电视等频段；无法规避时，采用频段分离技术，在5G-R 基站与邻系统基站之间设置保护频段（带宽 10MHz 及以上）避免邻频干扰；同时在5G-R 基站天线端口处部署带阻滤波器，滤除邻系统干扰信号；优化基站的发射功率，在满足覆盖的前提下，尽量降低发射功率，减少对邻系统的干扰，经现场测试后采取该分离方案，邻系统对 5G-R 网络的干扰电平降低至－ 110dBm以下，对通信质量影响可以忽略不计。

3. 资源调度优化

根据业务的优先级，采用灵活的调度策略。对列车运行控制、行车调度等高优先级业务 uRLLC 采用独立的时频资源块，优先调度低时差、高可靠性的业务；对旅客视频通话、高清摄像监控等eMBB 业务采用共享资源块式调度，根据业务数量按需调度业务；对环境监测、设备状态采集等 mMTC 业务采用 NOMA 方式调度，一个资源块同时给多个用户使用，提升资源利用效率。另外，采用人工智能算法学习历史数据，预测不同时间不同区域的业务数量，提前做好预留调度，避免过载影响覆盖效果。

结语

铁路 5G － R 网络覆盖优化作为一项技术性、实务性的工作，需要结合技术发展和市场需求不断开拓和创新，希望更多的学者、工程技术人员参与进来，共同推动铁路通信技术的发展和智慧铁路建设的迅猛发展。

参考文献：

[1] 何波 . 铁路 5G-R 承载技术与组网分析 [J]. 通讯世界 ,2024,31(1):37-39.

[2] 葛伟涛 , 冯敬然 , 周敏 ,etal. 铁路 5G-R 无线接入网组网方案 [J].RailwaySignalling&CommunicationEngineering,2022,19(6).

[3] 李德 , 梁轶群 , 李岸宁 , 等 . 铁路 5G-R 互联互通测试体系思考 [J].铁道标准设计 ,2023,67(8):171-178.