董兴芝，阎志远，王忠峰

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081)

1 概述

近年来，随着我国“八纵八横”高铁网的规划和建设，铁路已到了存量需更新改造与增量快速发展双重叠加的关键节点。截止2020年7月底，中国高速铁路总运营里程已达3.6万km。高速铁路已成为高速.便捷.中远距离出行的首选公共交通工具，越来越受到人们的青睐，由于铁路交通方式具有空间相对封闭固定.时间较长的特点，旅客在途对休闲.娱乐.购物和商务等方面均有强劲的信息服务需求。在高速移动互联网的典型应用场景下，2017年6月基于高铁沿线已建成的4G网络技术实现了动车组车厢内Wi-Fi无线网络的全覆盖，一定程度上提高了铁路客运服务质量。随着信息技术的飞速发展，网络直播.远程办公.远程教学等应用逐渐普及，基于现有4G技术作为动车组Wi-Fi系统的互联网接入方式已无法满足车厢旅客对带宽的需求，同时，伴随智能高铁的不断发展，在智能装备.智能建造和智能运营等方面也对宽带移动通信提出了更高要求[1]。京张高铁的开通，加速了高速铁路5G网络的建设及应用，京张高铁作为2022年北京冬奥会重要交通保障设施，实现京张高铁5G网络全覆盖是助力打造“5G+智慧冬奥”的极致体验，是保障“智慧冬奥”顺利实施的必然要求。

自2019年7月起，国铁集团与中国移动.华为等企业开展合作，启动高铁与5G融合组网建设研究工作，通过复用现有车载Wi-Fi系统基础设施，搭建车载5G室分系统实现了5G与车载Wi-Fi融合组网，降低了铁路沿线5G网络部署门槛，解决了高铁列车车体损耗导致运营商建设投资过大，投资收益比低，沿线基站.选址建设难，红线内施工维护窗口难以协调等难题。5G与车载Wi-Fi的融合组网有利于带动铁路传统产业升级，开拓用户消费新空间，新模式，孕育出更多的铁旅产品和服务。

2 融合组网场景分析

2.1 高速移动场景下5G网络覆盖面临的挑战

如今5G技术及标准逐步成熟，我国的5G行业应用正逐渐从单一化业务探索.试点示范阶段进入复制推广阶段。根据中国信通院5G应用仓库的监测显示，当前我国在医疗健康.媒体娱乐.工业互联网.车联网类的应用数量明显增多，逐渐成为5G先锋应用领域[2]。中国高铁作为大型5G网络垂直行业用户正积极探索应用落地方案，2019年2月18日，上海移动正式在虹桥火车站启动5G网络建设，为全球首个采用5G DIS(数字室内分布系统)建设的火车站。在5G DIS的支持下，虹桥火车站的峰值传输速率达到了1.2Gbit/s，实现了智能送餐机器人.导航问路.高清视频通话.云虚拟现实(VR)等多种新型应用[3]。随着5G商用进程的快速推进，以5G技术作为动车组车地通信接入方式，实现更大带宽.更低传输时延，是满足铁路行业需求的必然选择。而动车组350 km/h的高速移动导致的无线信道快速变化.频繁小区切换和多普勒频移以及车体对无线信号的屏蔽导致无线信号能量被衰减，加上复杂的铁路沿线环境等，给高铁沿线5G网络的建网成本和网络优化以及网络稳定性带来严峻挑战。

2.1.1 高速移动带来的多普勒频偏

在高速移动场景下，特别是“复兴号”列车运行速度可达350km/h，导致铁路沿线运营商基站发射和接收的频率不一致，产生多普勒频移，如图1所示。

图1 移动场景下高铁多普勒效应

根据多普勒频移公式

fd=f0cosθ×v/c

(1)

式中，f0为基站发射功率；c表示光速，取值为3×108m/s；v为高速列车运行速度，km/h；θ为列车相对于沿线基站运动方向与基站信号传播方向的夹角。

对于典型频率为2.4 GHz的LTE信号，在列车最大速度350 km/h情形下，根据公式(1)可计算出多普勒频偏约为648cosθHz，因此，高铁相对沿线运营商基站运行的速度越快，频偏也越大，这将导致基站信号接收性能下降[4]。尽管5G标准中系统已将子载波间隔扩展到30 kHz，一定程度上可有效减弱多普勒频移的影响，但同时保留了原4G系统子载波间隔传统的15 kHz，因此高速移动引起的频偏对于铁路沿线5G网络优化仍是巨大挑战。

2.1.2 链路损耗严重

在铁路沿线移动蜂窝通信中，从运营商基站到移动端的链路传输损耗主要受空间链路损耗和穿透损耗因素影响，如式(2)所示

Ls=32.4+20lgF+20lgD

(2)

式中，Ls为空间链路损耗，dB;F为运营商基站发射电磁波频率，MHz；D为运营商基站与移动端的距离，km。

空间链路损耗受基站发射频率及相对距离影响，离越远，频率越大损耗就越高，传播距离每增大1倍，信号强度减小6 dB。假设4G频率按2.4 GHz，5G按3.5 GHz测算，基站是通过蜂窝的形式覆盖的，近似以圆形来模拟，若5G信号达到4G相同的覆盖，则4G基站覆盖距离是5G基站的1.5倍，覆盖面积是5G的2.1倍，5G建设基站数量是4G的2倍。

高频段将产生更高损耗，2018年12月6日，三大运营商已获得全国范围5G中低频段试验频率使用许可，如图2所示。5G频段相比现有LTE网络频段大幅度提高，根据传播损耗和频率成平方反比的关系，5G频段路损较LTE更为严重，不同频段路损差异如表1所示。

图2 5G频谱划分

表1 不同频段路损差异

车体穿透损耗严重，高铁车厢一般采用全封闭式铝合金不锈钢材料组成，无线电波穿过车厢将会产生严重穿透损耗[5]。通过实际情况测试，不同频段的穿透损耗如表2所示，同一屏蔽条件下穿透损耗随着频率的增加而增加。5G网络在高速铁路移动场景下有更大的传播损耗和车体穿透损耗。特别是高铁列车是线状覆盖，如果基站与高铁列车的入射角更小，信号还会更差。因此，沿线运营商建设高铁专网需要更密集才能形成有效覆盖，这导致运营商建设投资大.维护难，收益率低。

表2 车厢不同位置穿透损耗差异

2.1.3 沿线环境复杂

高铁途径区域复杂多样，路线较长，车载用户在使用移动网络时会面临频繁小区切换.重选问题。当高速移动的列车进入不同的通信基站范围，为保证用户通话和网络连接不间断，系统会自动进行小区切换，当列车以时速350 km运行时，这种系统的自动切换每6 s就要发生一次，如果高铁覆盖的切换带宽或参数设置不合理，将会导致通信切换失败.掉线等网络问题[6]。如表3所示，通过实车测试，统计出京沪高铁沿线不同运营商基站数量以及基站切换失败情况，尽管5G采用了一些新技术可以优化配置参数以提高带宽，但具体到高速移动的应用场景则很难发挥作用[7]。5G大规模MIMO技术需要采用大量的.甚至多达上百个天线阵子单元，需要提供有较大的天线安装空间[8]，铁路沿途特殊的环境，缺少5G基础设施部署场景，这对5G通信覆盖提出了巨大的挑战。

表3 京沪沿线基站覆盖基本信息

2.1.4 脉冲式流量请求

2019年，我国铁路旅客运输量为36.6万亿人次[9]，其中，通过高铁动车组完成发送22.9亿人次，高速铁路越来越受到人们的欢迎。当高铁快速通过一段区域，终端设备高密度集聚，覆盖该区域基站的服务用户数剧增，移动网络负荷瞬间飙升，造成脉冲式流量请求[9]。以现有LTE网络举例，在高速列车突然经过时，RRC连接用户数瞬间飙升了100多个，导致瞬间的PRB利用率过高，基站超负荷工作，终端用户感知下降。当前铁路沿线4G基站100 Mbps理论下行带宽已无法同时满足500名旅客对带宽的需求，因此，高速移动环境下旅客的高密度接入及并发对单个基站带宽容量提出了更高的要求。

2.2 高铁Wi-Fi运营服务系统场景分析

中国铁路目前已构建了车票预订.验检.候车.登乘的全过程客运服务体系，但高铁出行环境较为封闭.行程时间较长，车上服务功能相对薄弱。铁路Wi-Fi运营服务系统构建了面向全息化和多媒体融合的服务平台[10]，汇聚信息流.人流.物流，融合高铁网和互联网构建铁路产业互联网，为旅客提供覆盖“食.住.游.购.行.娱”全方位的智慧出行服务，构建了闭环赋能的全链条高铁出行业务生态圈，填补了旅客列车生活服务的空白。高铁Wi-Fi运营服务系统为铁路沿线5G网络覆盖提供了建设性基础。如图3所示，动车组Wi-Fi系统的网络结构主要包括互联网接入和车载局域网两部分，互联网接入作为整个动车组Wi-Fi运营服务系统的互联网出口，通过车顶天线与铁路沿线运营商公网基站建立无线通道，车载局域网为车内用户端和单车设备间提供车内通信网络，各车厢通过千兆以太网实现车厢间局域网的互联互通，车内用户终端可共享车载无线局域网系统的内容服务，单车设备间通过车载局域网实现互联互通[11-12]。

图3 铁路动车组Wi-Fi运营服务系统架构

随着信息化水平的提高，直播短视频的爆发已经势不可挡，基于4G技术的传统动车组Wi-Fi系统可提供的服务功能，已无法满足当前基于直播+短视频+网红经济发展趋势，迫切需要突破现有网络通信技术壁垒，实现基于5G的网络全覆盖服务。

3 基于5G室分技术的融合架构设计

3.1 5G室分技术应用背景

2019年12月19日，在第十四届通信技术年会上，中国铁塔技术部总监邹勇表示，技术发展带来基站建设模式和站址获取方式的转变，要实现5G网络全场景覆盖，宏站作为广域覆盖的中坚力量是基础，微站和室分是深度覆盖和容量吸收的重要手段。5G室分具有十分广阔的应用场景。

(1)5G宏基站建设成本高，在3G/4G传统网络中，中低频段资源以宏基站作为载体应用于覆盖范围广.连续性强.时延低.功耗低.连接需求大.可靠性要求高的场景中，而5G商用频段更高，以宏基站为载体高频段资源覆盖范围偏小，难以通过室外宏站进行室内深度覆盖。

(2)5G室分业务比重逐渐扩大。随着技术演进及移动业务发展，室内业务量占比将不断提高，数据显示，4G业务中有70%的应用发生在室内场景，面向5G将有超过85%的业务将发生在室内场景，并且对带宽.时延等方面也提出了更高的要求[13]。

(3)5G室分可节约网络建设成本消耗。传统宏基站在建设及站址资源获取方面都较为困难，因而高频谱通常不应用宏基站，转而应用体积小巧.部署简单.功能完备的小基站，对网络信号覆盖不足甚至盲点等区域进行补充，在实现连续广覆盖的同时有利于充分控制建设成本[14]。同时，实现室内数字化的5G室内覆盖，能给用户带来更好的室内5G网络体验。

根据2.1章节高速移动场景下铁路沿线5G网络面临的挑战，基于动车组Wi-Fi运营服务系统车载设备，采用基站上车建设模式，实现5G数字化室分建设方案是铁路沿线5G网络规划建设的重要规划。

3.2 融合组网架构设计

铁路动车组设备安装空间严格受限于铁路行业规范，基于动车组现有车载Wi-Fi系统基础设施之上进行5G升级改造，克服了诸多重新建设所面临的困难，降低了铁路沿线5G网络部署门槛。车载Wi-Fi系统设备可复用，大规模MIMO技术需要采用大量的.甚至多达上百个天线阵子单元，而当前安装于车顶的高增益4×4MIMOWi-Fi天线具备支持扩展5G功能，可直接用于接收沿线5G信号。车载Wi-Fi服务器可为整车提供9个2核1.8GHz的计算能力和10TB的存储能力，充分发挥5G网络性能优势；设备安装位置可复用，Wi-Fi系统在每个车厢内均有1个1U安装位置和2个AP的安装位置，在中部车厢有1个3U的安装位置，这些位置均可与基于高铁Wi-Fi系统的5G室分系统相关设备复用；车载Wi-Fi传输网可复用，目前车载Wi-Fi自建了双通道千兆以太网，可为搭建5G室分系统各车厢小基站提供骨干网传输能力。

基于5G室分技术的融合架构如图4所示，创新方案采用的MIMO车载天线+CPE+小基站组成车载系统，列车车厢内单独划分蜂窝网，每车厢部署1个RRU(射频拉远模块)，降低单小区容量压力，在中心车厢通过CU(集中单元).DU(分布单元)以及CPE分离部署架构组成列车基站单元，CPE建立与基站的通信从而提供车载基站的回传通道，车载基站单元利用CPE提供的回传通道与核心网建立通信，从而实现车载信号覆盖。同时设置MEC边缘计算服务器，将应用程序托管从集中式数据中心下沉到网络边缘，更接近用户和应用程序生成的数据，在靠近移动用户的网络边缘提供IT和云计算的能力，并利用网络能力开放获得高带宽.低延迟.近端部署优势，使海量数据得到实时.快速处理[15]。铁路沿线由运营商建设AAU(有源天线处理单元).BBU(基带处理单元).系统应用服务器.5G核心网设备.传输电力及相关配套设备等。高铁Wi-Fi运营方通过在高铁列车上安装MIMO车载天线提供车载系统与铁路沿线的空口对接，配合前置增益.车载基站等，以增强单站覆盖距离。

图4 车载5G室分系统架构

3.3 创新方案对比性分析

基于5G室分技术通过车载维基站将铁路沿线5G信号引入车厢内，实现车厢5G信号的全覆盖，车厢用户可通过车厢内一体化小基站.车载Wi-Fi系统AP.直接访问铁路沿线基站车外基站网3种方式进行互联网访问。如图5所示，系统更新前车厢旅客用户通过车载AP接入车载Wi-Fi系统或直接使用终端接入车外铁路沿线运营商基站进行互联网访问，经过基于室分系统的方案设计，将一体化小基站嵌入车载Wi-Fi系统设备，车厢内用户在进行互联网选择时会择优选择通过小基站进行互联网接入，同时也可通过车载AP进行互联网访问或本地内容访问。

图5 方案前后差异性对比

创新性建设方案能带动传统旅服经营模式创新，有利于铁路延伸服务多元化方向发展。通过在列车部署MEC边缘服务器，可提供本地数据命中和转发，将内容和计费下沉至车载MEC，就近访问节省上行传输带宽降低访问时延，同时提供如高铁影院.CDN加速/缓存甚至是云游戏运算等本地化应用。此外，通过融合车载PIS系统相关服务，使移动用户和高铁车载Wi-Fi用户合并化运营，进一步提高运营用户群体样本，实现运营商与国铁集团用户共享.流量与价值分成。同时，使用Token对用户行为价值进行留存，并使用分布式账本对价值进行记录，用户的流量和商业行为将能够进行不可篡改的准确记录。在高速移动列车用户密集环境下，采用这种车载Wi-Fi+5G融合组网方式服务运营，Wi-Fi网络具有接入方便.低成本.易维护等优点，可以将它作为5G系统的补充，对5G系统进行分流，有助于进一步提高用户的网络连接体验。

节约5G网络部署成本消耗，基于5G室分技术结合现车Wi-Fi网络部署，提升了旅客列车网络服务质量的同时，大幅降低了铁路沿线5G网络的建设支出，如图6所示，原动车组终端设备接收功率经空间损耗和车体的穿透损耗为

图6 系统更新前后链路损耗对比

Pin0=Pout-Ls0-Ls1

(3)

系统更新后终端设备接收功率经过空间和天馈损耗以及车顶天线增益.车厢微基站增益为

Pin1=Pout-Ls0-Ls2+Ga+Gb

(4)

穿透损耗由表2确定，车顶天线增益Ga=6 dB，车厢微基站增益Gb=1 dB，天馈损耗Ls2≈0.3·L(L为馈线长度，m)，以当前复兴号列车安装方案为依据，馈线长度按最大20 m计算Ls2≈6 dB。当同一基站发射功率为Pout，终端经过前后两种接入方案功率分别为Pin0.Pin1，根据实际车载运营需求指标，由式(3).式(4)可估算出系统建设可调整余量

ΔP=Pin1-Pin0=Ga+Gb-Ls2+Ls1

可估算出ΔP在[8，25]dB范围内，对于车载CPE来说实际的接受电频值将会提高8～25 dB，根据空间链路损耗的计算公式，可为运营商在铁路沿线单基站覆盖距离提升1.6～5倍以上。

在国铁集团支持下，中国铁塔统筹中国电信.中国移动.中国联通的网络覆盖需求，实现京张高铁移动通信基础设施与主体工程“同步规划.同步设计.同步施工”，高铁沿线两侧以450～550 m为间距规划建设宏基站站址，形成“之”字形站址布局，达到良好覆盖效果，经济高效完成京张高铁沿线基础设施建设，实现京张全线2G到5G网络全覆盖。同时，高铁Wi-Fi创新性建设方案在京张高铁正式应用，通过MIMO车载天线+CPE+小基站设计架构实现京张智慧列车Wi-Fi与5G的融合组网。基于车载5G与Wi-Fi网络服务将围绕冬奥会开展多项特色项目，推出冬奥会媒体专用网络通道和奥运赛事直播等服务，为奥运媒体赛事宣传工作保驾护航。

4 结论

随着智慧高铁服务的推进，中国高铁已进入到智能化发展阶段，依托智能京张.京雄高铁等重点项目，中国高铁将在数字化.网络化.智能化方向继续开拓进取，紧密融合新一代信息基础设施技术，全面推进高铁技术创新。本文提出了网络能力开放性建设模式，通过复用现有车载Wi-Fi系统基础设施，实现5G与Wi-Fi系统的融合组网，并利用5G的大带宽.低时延.多连接及高速频偏纠正能力攻破了高铁车体穿损大.频偏大.感知差等难题。大幅减少了铁塔租金.电费.维护优化等建设成本消耗，实现了资源集约利用，降低了全社会总成本，降低了选址建设和维护难度及频度，解决了铁路沿线5G建设红线内施工.维护窗口难以协调等问题。依托动车组Wi-Fi系统资源的开发运用，充分发挥5G技术优势，该创新模式打破了传统铁路行业壁垒，使得铁路运输产业能够更紧密地贴近新兴移动互联网。通过产业间的关联效益和波及效应，积极拓展铁路延伸服务营销渠道.扩大经营领域，带动铁路相关产业实现高质量发展。