5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在城市軌道交通的無(wú)線覆蓋

李佳寧 蔡曉蕾 鄭軍

摘 要：隨著我國(guó)的城市軌道交通行業(yè)不斷發(fā)展，迅速增長(zhǎng)的設(shè)備連接量和數(shù)據(jù)流量對(duì)城市軌道交通場(chǎng)景內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信提出了更高的要求，也使得第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用成為了未來(lái)的趨勢(shì)。文章系統(tǒng)介紹 5G 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模 MIMO、D2D 等關(guān)鍵技術(shù)以及適用場(chǎng)景，并從時(shí)延、吞吐量及移動(dòng)性等方面與其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析;針對(duì)城市軌道交通場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)無(wú)線覆蓋的難點(diǎn)，提出 5G 網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通場(chǎng)景的無(wú)線覆蓋方案，以期為以后城市軌道交通工程建設(shè)提供思路。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;5G網(wǎng)絡(luò);無(wú)線覆蓋

中圖分類(lèi)號(hào)：U231.7

我國(guó)城市軌道交通不斷增加的客流量使得各城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)通信承受了巨大的壓力。一方面，在當(dāng)前科技快速發(fā)展的前提下，無(wú)論線路查詢、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)票或是二維碼掃碼進(jìn)站等諸多場(chǎng)景，均需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。乘客數(shù)量的增加意味著有更多終端接入需求，尤其是在早晚人流高峰，網(wǎng)絡(luò)的延遲可能引起等候時(shí)間增加，人流擁堵等問(wèn)題，造成安全隱患;列車(chē)日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)、列車(chē)行車(chē)安全對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信也有更高要求。另一方面，城市軌道交通中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋一直是一大難題，場(chǎng)景的封閉和列車(chē)的高速行駛都會(huì)造成信號(hào)衰減。在這樣的前提下，5G技術(shù)成為最有希望解決網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題的新型移動(dòng)通信技術(shù)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是在對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)進(jìn)行延伸和革新后所產(chǎn)生的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。與早期的2G/3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一樣，5G網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)覆蓋區(qū)域被劃分為許多蜂窩狀的小地理區(qū)域，用于傳輸被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的聲音及圖像。相比于傳統(tǒng)的通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加細(xì)致的整合，可以滿足用戶更多或更加頻繁的通信需求，也適用于更多復(fù)雜的場(chǎng)景。

1.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)被視為5G網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，其基本特征是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接受端的多個(gè)天線進(jìn)行傳送和接收，從而改善了通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的前提下提高移動(dòng)通信的傳輸效率，并具有良好的抗干擾性。

1.2 D2D通信技術(shù)

D2D技術(shù)（Device-to-Device）指的是2個(gè)對(duì)等的用戶節(jié)點(diǎn)之間直接進(jìn)行通信，是一種短距離通信方式。每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)在D2D分散式網(wǎng)路中均能夠自主發(fā)送和接收信號(hào)，并具有路由的功能。所有網(wǎng)絡(luò)用戶共用信息處理、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)連接能力等資源，也能被其他用戶直接訪問(wèn)而不需要經(jīng)過(guò)中間實(shí)體。

1.3 多載波技術(shù)

多載波技術(shù)采用了多個(gè)載波信號(hào)，它把數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)子數(shù)據(jù)流，使子數(shù)據(jù)流具有低得多的傳輸比特速率，并利用這些數(shù)據(jù)分別去調(diào)制若干個(gè)載波。在多載波調(diào)制信道中，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，碼元周期加長(zhǎng)，只要時(shí)延擴(kuò)展與碼元周期相比小于一定的比值，就不會(huì)造成碼間干擾。因而，多載波技術(shù)可以很好地解決目前移動(dòng)通信技術(shù)在傳輸速率上的限制，并有效地提升抗干擾性。

1.4 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署

隨著用戶需求的越發(fā)多元化，未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將有巨大的增長(zhǎng)，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)成為5G移動(dòng)通信提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵。較為密集的網(wǎng)絡(luò)部署大幅縮短了節(jié)點(diǎn)與終端的距離，進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)的功率和頻譜幅度，同時(shí)，也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和系統(tǒng)容量，增強(qiáng)了業(yè)務(wù)在不同接入技術(shù)和各覆蓋層次間的靈活性。

2 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景及優(yōu)勢(shì)

（1）具備較高的場(chǎng)景運(yùn)行能力，可以在移動(dòng)速度較大的條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。因而適用于城市軌道交通、高鐵、高速公路等超高速場(chǎng)景，例如，滿足列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的傳輸需求，提升高速列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性。

（2）能夠有效實(shí)現(xiàn)其局域網(wǎng)內(nèi)部的實(shí)時(shí)通信，從而在保證通信高可靠性的同時(shí)降低時(shí)延，優(yōu)化通信效果。

（3）能夠支持大規(guī)模的通信設(shè)備連接需求，并擴(kuò)大通信所涉及的范圍。因而適用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，使眾多人同時(shí)參與到通信事件中，進(jìn)行同步交流。

（4）能夠在滿足信息傳輸準(zhǔn)確性的同時(shí)，為通信網(wǎng)絡(luò)的使用者提供更自由、開(kāi)放的高體驗(yàn)性場(chǎng)景，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用安全性、便利性、高效性、互動(dòng)性。

為了更好地體現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將目前最主流的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的性能指標(biāo)匯總于表 1，由表1可見(jiàn)，5G網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于4G網(wǎng)絡(luò)。

3 5G網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通的場(chǎng)景覆蓋

盡管5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)，但其在城市軌道交通場(chǎng)景的覆蓋是目前亟待解決的難題。相比于一般的室外場(chǎng)景，城市軌道交通環(huán)境較為特殊，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線覆蓋也提出了更高的要求。城市軌道交通可分為站廳、站臺(tái)和隧道等場(chǎng)景，多數(shù)場(chǎng)景較為封閉，外部信號(hào)難以進(jìn)入，幾乎是各種無(wú)線信號(hào)的盲區(qū)。站廳及站臺(tái)部位一般承擔(dān)著顧客進(jìn)站、購(gòu)票、過(guò)閘及候車(chē)等環(huán)節(jié)，在上下班的高峰期或節(jié)假日往往用戶密度較大，且用戶流動(dòng)性較強(qiáng)。因此，站廳站臺(tái)部位易產(chǎn)生突發(fā)性的高數(shù)據(jù)量和話務(wù)量，且具有單用戶流量較低、但總用戶流量較大、總流量較高的特點(diǎn)。隧道部位則需面對(duì)無(wú)線信號(hào)在該場(chǎng)景傳播衰落較快的問(wèn)題，列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行速度相對(duì)較快，一般在隧道中可達(dá)到60～80 km/h，進(jìn)出站速度為30～40 km/h，列車(chē)車(chē)體、屏蔽門(mén)等均會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)造成嚴(yán)重干擾。

此外，考慮到城市軌道交通的場(chǎng)景空間和后期維護(hù)，如果三大運(yùn)營(yíng)商都創(chuàng)建獨(dú)立的無(wú)線覆蓋系統(tǒng)，如表 2所示，會(huì)產(chǎn)生高昂的建設(shè)造價(jià)并浪費(fèi)大量的人力維護(hù)成本。因而，城市軌道交通無(wú)線覆蓋應(yīng)采用三家協(xié)同的方式。

3.1 站廳站臺(tái)層的 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

在目前的城市軌道交通線路建設(shè)中，站廳和站臺(tái)層一般采用室內(nèi)分布系統(tǒng)（DAS）方式進(jìn)行2G/3G/4G的三大運(yùn)營(yíng)商協(xié)同無(wú)線覆蓋，技術(shù)已相對(duì)成熟。因此，5G網(wǎng)絡(luò)采用在現(xiàn)有模式下增設(shè)分布式皮基站的方式進(jìn)行覆蓋，此方式可以保證終端只支持2G/3G/4G系統(tǒng)的用戶不受影響。

5G網(wǎng)絡(luò)分布式皮基站系統(tǒng)可分為前端及后端2部分，如圖1所示，其相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備及功能如表3所示。前端由皮基站集線器+皮基站組成，多個(gè)皮基站和集線器通過(guò)光電混合纜進(jìn)行連接，控制距離約為200 m。后端則由基帶處理單元（BBU）設(shè)備組成，一般設(shè)置于設(shè)備室或通信機(jī)房。此外，由于5G網(wǎng)絡(luò)皮基站采用大規(guī)模內(nèi)置天線結(jié)構(gòu)來(lái)滿足高速的數(shù)據(jù)接入需求，因而3 家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商無(wú)法在現(xiàn)有的多系統(tǒng)合路平臺(tái)（POI）設(shè)備進(jìn)行信源整合，需各自新設(shè)1套5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.2 隧道中的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋

城市軌道交通隧道中，無(wú)線覆蓋一般采用射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）+多系統(tǒng)合路平臺(tái)（POI）+漏泄電纜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“漏纜”）的方式。5G網(wǎng)絡(luò)在隧道內(nèi)的覆蓋方式與傳統(tǒng)方式基本一致，但需要將相關(guān)設(shè)備替換為適用于5G頻率的設(shè)備，包括POI、RRU及漏纜，如圖2所示，具體更改如下。

（1）POI需改為可饋入5G-NR 2×100 W信源與4G信號(hào)合路的型號(hào)。

（2）RRU需采用分布式宏基站5G-RRU。

（3）漏纜需根據(jù)運(yùn)營(yíng)商頻率的不同進(jìn)行選取。目前采用的13/8漏纜最多可支持2.8 GHz，可用于對(duì)中國(guó)移動(dòng)的5G信號(hào)進(jìn)行覆蓋，且可以與2G/3G/4G公用。聯(lián)通及電信5G覆蓋需單獨(dú)架設(shè)5/4漏纜以支持3.4 GHz以上的頻率。

4 結(jié)論

（1）相比傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在時(shí)延、吞吐量、連接數(shù)密度等參數(shù)指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以較好地應(yīng)對(duì)城市軌道交通場(chǎng)景用戶接入量大、列車(chē)高速運(yùn)行、突發(fā)性高數(shù)據(jù)量的情況。

（2）針對(duì)城市軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的問(wèn)題，按不同部位提出了解決方案。其中，站廳站臺(tái)層在現(xiàn)有分布式天線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)分布式皮基站系統(tǒng);隧道內(nèi)根據(jù)運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)頻率的不同，采用移動(dòng)2.6 GHz與2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)共用13/8漏纜，聯(lián)通電信（3.4 GHz以上）增設(shè)5/4漏纜，并增設(shè)5G-RRU方式。

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收稿日期 2020-04-15

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明