摘要：5G网络的建设和广泛应用，使得人们对在线娱乐和移动办公的需求逐年攀升，而高铁旅行给乘客带来的舒适感受，又更进一步激发了乘客对移动通信网络的要求，因此，5G网络覆盖对给乘客提供舒适的通信感知和提升运营商品牌竞争力方面有着重要作用。本文针对高铁场景的特点和客户需求，研究解决高铁5G网络覆盖难题，以加快推进高铁5G网络建设。
关键词：5G；高铁；覆盖
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.012
中图分类号：TN 929.53" " " " " " " " "文献标志码：A" " " " " " 文章编码：1672-7274（2025）01-00-03
Research on 5G Network Coverage Scheme for High speed Railway
LI Chunxu1， WANG Xiaonan2
（1.Liaoning Postal and Telecommunications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Shenyang 110179， China
2.Software College of Shenyang University of Technology， Shenyang 110000， China）
Abstract： The construction and widespread application of 5G networks have led to an increasing demand for online entertainment and mobile office. The comfort brought by high-speed rail travel has further stimulated passengers' requirements for mobile communication networks. Therefore， 5G communication network coverage plays an important role in providing passengers with comfortable communication perception and enhancing the brand competitiveness of operators. The article focuses on the characteristics of high-speed rail scenarios and customer needs， researching solutions to the challenges of high-speed rail 5G network coverage， in order to accelerate the construction of high-speed rail 5G networks.
Keywords： 5G; high-speed rail; cover
1" "高铁5G网络建设的必要性
我国的高铁线路建设正由原来的四纵四横铁路线逐渐向八纵八横铁路网完善，预计到2030年时，高速铁路网总里程将达到4.5万千米。随着移动互联网的普及，人们的生活、工作、学习方式都有了很大程度的改变。在越发完善的移动互联网技术的影响下，在线教学、线上购物、办公会议等许多方面也同样出现了新的形式，移动办公、移动购物成为了常态。在高速移动的高铁车厢里拥有高速率网络，通过高速无线网络上网已经成为高铁乘客出行的重要需求，而高铁沿线5G网络建设成为满足高铁乘客极致体验的迫切要求[1]。
2" "高铁5G网络应用特点与优势
5G技术在高铁场景中的应用，首先体现在其高速率、低时延的特点上。这一特点使得高铁乘客能够享受到更加流畅清晰的视频、音频、图像等大带宽传输和实时传输的服务，极大地提升了乘客的出行体验。同时，5G网络还具有更好的网络安全性和稳定性，能够有效地保障旅客的通信和数据安全。
5G网络通过网络虚拟化和软件定义网络等技术，提高了网络的弹性和智能化水平，实现了针对不同情况的网络资源动态分配和优化，从而提升了网络质量和性能。5G网络更高的带宽和更低的时延，为高铁乘客提供了更优质的通信服务体验。5G技术在高铁通信网络中也能够实现更好的隐私保护，并支持更多的终端设备连接，提供更多的信息服务。
3" "高铁5G网络建设面临的问题及解决
方案
在以往的通信网络建设中，高速铁路覆盖场景始终都是最复杂的场景之一。高速铁路覆盖场景具有列车行驶速度快、车体密闭性非常好、信号穿透性差、用户集中度高等特点。在5G网络普及的当下，由于5G网络自身的特点，给高铁信号覆盖带来了全新的挑战。如何解决高速铁路场景的5G网络覆盖就成为了摆在网络建设者眼前的难题。
3.1 多普勒效应引起的频偏及解决方案
高速铁路5G信号的多普勒效应是因为基站与信号接收端之间的相对运动，而这种相对运动会导致波源的发射频率和接收频率有所差别。简单来说，当两者相互接近时，波长变长、频率变低，反之亦然。如图1所示，在高铁场景中，当接收终端与车厢内的网络通信信号有相对运动时，终端接收到的信号频率就会发生偏差。这个偏差将直接影响移动终端的接入和切换成功率，当偏差大到一定程度时甚至会造成终端掉话或断网。一般情况下，当列车运行速度小于250 km/h时，多普勒效应对信号影响比较小；当列车运行速度高于250 km/h时，多普勒效应对于通信信号的影响就会很大，此时会导致终端接收到信号频率产生大幅偏差，掉话率增加，无线信号的质量也将严重下降，移动终端脱网概率严重上升，终端的数据业务将很难实现[2]。
多普勒频移计算的公式为：
fd=f0/c×v×cosA" " " " " " " " （1）
式中，c代表光速；v代表高铁车速；A代表轨道方向与信号发射方向的夹角。由此可见，高铁车速与信号源相对运动速度和多普勒频移程度成正比。根据计算可以得到表1。并由表1可知，在高铁5G网络中，基站所接收到的终端频偏要比4G高很多，也就是说5G网络受高速铁路运行速度的影响要远大于4G网络。
因为高铁场景会产生多普勒频移，因此终端接收的频率也会有偏移，这种问题会导致OFDM符号间和符号内产生干扰，可能会造成发射数据无法解调，最终导致终端无法入网。如果终端无法适应其对应的频率和速度的频偏范围，则终端入网将会更加困难，更会产生吞吐率下降和KPI降低等网络问题。
针对这个问题，可以利用符号间和符号内的频偏补偿来解决。频偏补偿是基站用上行导频信号对频偏值进行估计，然后进行补偿的一种方式。其中，符号间频偏补偿是利用频偏在时域上产生一个线性相位变化进行相位纠正的。对于符号内的频偏补偿，主要使用频域滤波法，该方法通过跟踪高铁多普勒频偏的变化并分析，从而解决物理层解调性能急剧恶化的问题[3]。
3.2 高铁5G信号的穿透损耗及解决方案
高铁车体密闭性特别好，其材料大多为特殊型号不锈钢或合金材料。这种材料会对5G网络信号传播造成很大程度的衰减，从而导致车体内覆盖效果减弱，终端接收网络信号的质量变差。举个例子，如果列车车体的材料是特殊合金材料，当5G信号垂直入射到车体上时，穿透损耗大概为30 dB，而5G基站通常沿着铁路沿线建设，这就导致5G网络覆盖方向基本是顺着铁路沿线的，5G信号进入车厢的入射角度将会很小，这将比垂直入射车体产生更大的信号损耗。同时，高铁车体对于5G频段的屏蔽也要大于4G频段。上述的5G信号在穿透车体时产生大量损耗，将导致车内终端接收信号强度减弱，从而对高速铁路车厢内的5G网络性能产生严重影响。
针对高铁列车穿透损耗问题，在无线网络规划时，应尽量选择在没有障碍物的空间，并且基站应与铁轨保持相应的覆盖距离，避免信号穿透车体的入射角（即掠射角）过小导致穿透损耗过大。同时也需要考虑空间传播损耗对网络信号的影响。根据现网测试经验，当5G网络信号入射角小于10°时，高铁车辆的穿透损耗会明显增加。基站天线与基站铁轨的垂直距离计算公式如下：
H=（S/2）×tan（掠射角）" " " " " "（2）
由此可知，根据掠射角、站间距（S），便可计算出基站天线与基站铁轨的垂直距离（H）。例如，当站间距为500 m时候，S=0.5 km，临界掠射角设计为10°，计算得出基站天线与基站铁轨的垂直距离（H）为44 m。在无线网络规划时，需综合考虑车体对不同频段穿透损值来设置临界掠射角的大小。
如图2所示，在规划设计基站位置的时候，针对平直的轨道，基站建设位置点应选择交错建设在铁路的两侧，呈“W”形状分布。这种设计方式有利于均衡车体两侧信号强度和质量。而对于圆弧形铁路，应尽量将基站位置选择在内侧。这种布局可提高无线信号入射角角度，降低列车本身对5G网络信号的穿透损耗，从而提高5G网络的覆盖能力。
图2 高铁基站布局示意图
为保证连续覆盖，在站间距500 m的情况下，覆盖半径建议在200 m以内。掠射角取10°，相对站高建议为17～35 m。这样可保证列车两边的座位都能够有好的覆盖效果。
3.3 高铁场景中5G信号的频繁切换及解决方案
当列车时速到达350 km/h的时候，高铁列车会快速通过临近小区重叠覆盖区域到达下一个小区覆盖区。由于5G网络具有可靠性高、端到端的时延小于
1 ms的特点，在短时间内列车经过的基站小区增多会导致终端用户在几个小区间频繁切换，如果此时切换区相关参数不合理，将导致终端切换失败，从而引发严重的掉话或吞吐率明显下降。因此，提升高铁用户体验感知的重要措施就是减少高铁5G网络的小区间切换[4]。
针对高铁小区切换频繁的情况，应该合理地规划小区间覆盖重叠区。区域过小和过大分别会导致切换失败和干扰增加，数据业务将会受到不良影响。在做网络规划的时候，应根据具体的网络参数配置来合理设计切换区。对于不同的列车行驶速度重叠覆盖区域距离情况如表3所示。
另外，各设备厂家也在针对高铁覆盖场景研发新的设备，以提高设备覆盖能力。其中RRU合并技术可以有效地缓解高铁5G小区因车速过快引起的小区间频繁切换的问题。根据现网经验，单个小区最多可支持12台RRU设备合并，从而形成超级小区。超级小区能够有效地减少小区间切换的次数，从而减少配置PCI用量，进而可以有效避免由于频繁切换引起的模三干扰。
4" "高铁5G网络覆盖的关键技术
4.1 高铁线路覆盖增强技术
高铁线路覆盖增强技术通过“多通道设备+高增益定向天线”的建设方式实现。由于高铁列车移动速度高，对于此种覆盖场景很难发挥64T64R、32T32R多天线技术的优势，经过实验测试，8T8R无论从成本、功耗还是小区合并能力来看，其覆盖效果都具有很大优势。
4.2 多普勒频移校正技术
该技术通过对轨道交通和信道建模的分析，快速分辨出不同路径上的多普勒频移情况，并在短时间内进行预估和校正。多普勒频移估计技术具有时延短、精度高、实现复杂度低的特点，该技术适合于高速移动和复杂场景下的多普勒频移估计与校正，而且相对于传统方法，能够有效改善多普勒频移补偿的范围。
4.3 增强型移动宽带（eMBB）
5G增强型移动宽带具备较低时延、更大吞吐量的特点。主要体现在以下领域：超高清视频、传超高清视频流的传输、可感知的互联网、宽带光纤用户以及虚拟现实领域，能够支持旅客在快速移动的高铁列车上享受高速率上网的体验。
5" "高铁5G网络其他应用
5G网络可以满足车站值班员和车长等多方之间的无线通信需求。5G网络能够完成数字调度通信系统中的调度，专用、站间区间等传统语音通信调度，还可以进行多方视频通话。5G网络还能使高铁提供智能引导、智能安检及智慧旅途等服务，以及实现铁路生产安全作业管控、铁路集装箱货物调度管理、智慧车站建设及综合安防监控管理，实对列车及集装箱货物进行监控、调度和管理，以及对铁路线路、列车车站和客流进行监控管理。高铁5G网络的建设将引起铁路服务的重大突破，不仅能够有效提升用户旅途体验，为实现智慧高铁、智慧出行提供技术上支撑，而且能够进一步推进各地人才互通和文化交流。此外，5G技术结合智能监控和大数据应用，能够全面提升铁路系统整体智能化。
6" "结束语
高速铁路5G网络覆盖作为5G网络覆盖的重要组成场景，其网络质量的好坏已经逐渐对人们的日常出行体验产生影响。本文对高速铁路5G网络覆盖的特点以及面临的问题进行了分析，给出了具体的解决方案，并进一步探讨了高速铁路5G网络覆盖的关键技术，以及高铁5G网络未来的发展与应用。未来随着5G网络的发展，智慧铁路的设计理念在技术上也将实现重大突破，相信在不久的将来，铁路系统将实现信息化、自动化、智能化。■
参考文献
[1] 董帝烺，杜丕加，许绍松，等．高铁场景的5G无线网络规划及优化[J]．移动通信，2019（6）：36-41．
[2] 李新，王强．5G网络高铁覆盖方案现状及演进[J]．通信与信息技术，2021（1）：48-50，35．
[3] 张荣涛．浅析5G无线网络在高铁场景中的规划与优化[J]．数字技术与应用，2020（1）：17，19．
[4] 王继宇．5G移动通信技术在高铁通信网络中的应用[J]．中国新通信，2020（6）：1-2．
作者简介：李春旭（1988—），男，汉族，辽宁沈阳人，工程师，本科，研究方向为无线通信。
王晓楠（1980—），女，汉族，辽宁沈阳人，助理研究员，硕士，研究方向为信息通信。
