拉脱维亚铁路走廊中LTE与5G通信传播特性及FRMCS演进路径研究

《Telecom》：Propagation Analysis of 4G/5G Mobile Networks Along Railway Lines: Implications for FRMCS Deployment in Latvia (2025) Aleksandrs Ribalko, Elans Grabs, Aleksandrs Madijarovs, Armands Lahs, Toms Karklins, Anna Karklina, Aleksandrs Romanovs, Ernests Petersons, Lilita Gegere and Aleksandrs Ipatovs

　　

研究人员针对拉脱维亚既有铁路走廊的移动通信性能展开实测与分析，评估了多种传播模型在不同频段下的适用性，并结合现场测量数据探讨了面向未来FRMCS（Future Railway Mobile Communication System）的网络演进策略。研究采用Okumura–Hata、COST231-Hata、射线追踪（Ray Tracing）及ITU-R P.1812-4等多种模型，对700 MHz至26 GHz频段的路径损耗进行了仿真与验证。结果表明，低频段（如700 MHz）适合广域覆盖，高频段（如3.5 GHz与26 GHz）在容量与速率方面具有优势，但在森林与城市环境中衰减显著。通过在Dzintari站区的实地测量，研究人员发现植被遮挡与非视距（NLOS）条件是导致信号质量下降的主要因素。基于仿真与测量结果，研究人员提出了新增基站与多频段协同部署的方案，并在LTE 800 MHz与5G NR 3.5 GHz层分别验证了覆盖改善效果。研究进一步分析了RSSNR（Reference Signal Received Quality）与QoS（Quality of Service）指标之间的相关性，指出单纯依赖RSRP（Reference Signal Received Power）不足以全面评估用户体验。最后，研究人员讨论了高用户密度场景下的吞吐量变化及切换区域的时间窗口限制，为后续FRMCS兼容网络的规划提供了理论与实证依据。

研究背景方面，当前欧洲铁路通信系统正由GSM-R向FRMCS过渡，拉脱维亚铁路沿线地形兼具开阔地带、密集森林与城市区段，既有LTE网络在部分区域存在覆盖不足与服务质量波动的问题。研究人员指出，现有传播模型多针对高速铁路环境开发，在拉脱维亚这种以中低速运营为主的郊区铁路场景中缺乏充分验证。此外，未来5G与FRMCS部署需要兼顾广覆盖与高容量，因此有必要对不同频段与模型进行系统性比较。该研究发表于《Telecom》，旨在为拉脱维亚及类似区域的铁路通信现代化提供可量化的技术参考。

关键技术方法方面，研究人员沿Riga–Tukums铁路线开展实地测量，使用两款商用智能手机同步采集LTE/5G的RSRP与RSSNR数据，并结合CellMapper与RadioPlanner软件进行基站参数提取与覆盖仿真。研究采用了Okumura–Hata、COST231-Hata、射线追踪及ITU-R P.1812-4四种传播模型，分别在700 MHz、1800 MHz、2600 MHz、3.5 GHz与26 GHz五个频段进行路径损耗预测。模型验证阶段，研究人员通过MAE（Mean Absolute Error）与RMSE（Root Mean Square Error）指标对预测值与实测值进行误差分析，并引入多普勒频移计算评估不同速度下的频率敏感性。此外，研究人员还构建了基于乘客密度的吞吐量估算模型，用于分析高峰时段网络容量压力。

研究结果部分，在3.3节传播模型对比中，研究人员发现Okumura–Hata模型在700 MHz频段表现稳定，适用于郊区与农村铁路，但在密集城区精度下降；COST231-Hata模型在1800 MHz频段对建筑遮挡更为敏感，更适合城市区段；射线追踪模型则在3.5 GHz与26 GHz频段能够精确刻画反射、绕射与散射效应，尤其适用于隧道、桥梁与复杂城区。在4.1节三维衰减仿真中，700 MHz表现出距离衰减慢、高度与横向偏移影响小的特点，26 GHz则衰减陡峭且对距离与环境变化高度敏感。4.2节的实地测量显示，Dzintari站因森林遮挡导致RSRP降至?110 dBm以下，而邻近Bulduri与Majori站的信号稳定性相对较好。4.3节提出的基站增补方案（BS1与BS New）将Dzintari站区信号提升至?90 dBm至?85 dBm区间，改善幅度超过20 dB。4.4节引入1700 MHz频段作为容量层，有效缓解了700 MHz在植被遮挡下的性能下降。4.5节针对5G NR 3.5 GHz部署的小型蜂窝方案，在森林与居民区混合环境中实现了?85 dBm至?78 dBm的稳定覆盖。4.6节的模型验证结果显示，各频段RMSE值在15–25 dB范围内，符合工程应用可接受水平。4.7节指出，在100 km/h运营速度下切换重叠区过渡时间为10–22秒，若提速至160 km/h将缩短至7–14秒，增加切换失败风险。4.8节的相关性分析表明，RSSNR高于12 dB时QoS指标稳定，低于5 dB时延迟显著增加、吞吐量大幅下降。4.9节的用户密度模型显示，高峰时段85%用户同时在线时，单用户吞吐量会明显下降，尤其在容量受限的小区边缘更为突出。

讨论部分，研究人员将本研究与近五年高速铁路通信文献进行了对比，指出本工作在郊区铁路场景下的模型误差与已有研究一致，但补充了RSSNR–QoS关联与乘客密度维度的分析。研究人员承认受限于运营速度与公开数据，未对超过200 km/h条件下的5G NR进行实测验证，也未获取核心网侧的切换日志。未来工作应扩展至更高速度场景，并引入协议级切换性能评估。结论部分强调，通过多频段协同、基站增补与小型蜂窝部署，可在既有铁路走廊实现覆盖与容量的平衡，为FRMCS的逐步引入奠定技术基础。