基于5G技術的地鐵覆蓋方案探究

祝建國

【摘要】? ? 隨著5G時代的到來，通過更快的數(shù)據(jù)流量、更多的設備連接、更豐富的應用場景來滿足使用者日益增長的高密度應用連接與多業(yè)務吞吐量需求，如何將5G技術完美應用于地鐵軌道交通，為乘坐地鐵的用戶帶來良好的使用感知體驗成為本文研究的熱點。本文將5G技術的地鐵覆蓋特點作為切入點，系統(tǒng)分析了基于5G技術的地鐵覆蓋方案并形成結論，為相關研究與實施提供參考。

【關鍵詞】? ? 5G? ? 地鐵? ? 網(wǎng)絡覆蓋

引言

隨著用戶對移動帶寬的高需求，4G移動通信技術已無法滿足用戶對低時延、大容量通信技術的需求趨勢，人們將關注的焦點已逐漸轉向5G技術，并急需將5G技術應用到相關垂直行業(yè)中。由于地鐵中各功能場景復雜，導致5G網(wǎng)絡覆蓋面臨一定挑戰(zhàn)，加之原有地鐵中傳統(tǒng)分布系統(tǒng)各不相同，與5G網(wǎng)絡頻段的兼容性等問題，也給5G網(wǎng)絡升級覆蓋造成了不小的困難。文章首先從地鐵的結構特征開始分析，并提出5G地鐵覆蓋的應用需求，根據(jù)具體需求研究基于5G技術的地鐵覆蓋方案，形成結論。

一、基于5G技術的地鐵覆蓋特點

1.1地鐵結構特征

地鐵大部分位置在地下隧道，無線網(wǎng)絡密閉，無法借助外界的網(wǎng)絡信號[1]。其組成部分包括隧道、站臺和站廳，由于所處地下位置和使用功能不同，導致三個區(qū)域對5G網(wǎng)絡信號的需求也不同，所以針對不同區(qū)域需制定有針對性的網(wǎng)絡覆蓋方案，不應存在覆蓋盲區(qū)。站臺一般處于地鐵站的地下二層區(qū)域，之間通過隧道連接，高峰期人員密集;站廳一般處于地鐵站的地下一層區(qū)域，該空間為封閉區(qū)域，相對空曠;地鐵隧道是狹長空間，地鐵多數(shù)時間在隧道中行駛。5G技術雖具有高容量、時延小、速度快的優(yōu)勢，但面對地鐵特殊的空間環(huán)境，其波長短、頻率高、穿透能力差和覆蓋范圍小的短板更加凸顯，所以在人員密集、數(shù)據(jù)容量高和話務量高的地鐵復雜環(huán)境中進行5G網(wǎng)絡升級難度可想而知[2]。

1.2基于5G技術的地鐵通信需求

由于地鐵內部結構復雜，對5G技術的覆蓋范圍和通信質量提出了更高的要求，需求如下：

1.地鐵中人員最密集的時間一般為早晚高峰，此時地鐵班次增加，通信需求也隨著用戶的增多而提升，5G話務量及數(shù)據(jù)帶寬的峰值應滿足此時的需要[3]。

2.由于地鐵內部場景復雜，且地鐵運行速度快，對5G信號的切換質量提出了更高的要求。

3.地鐵建筑內部對無線信號的屏蔽能力強，且5G信號的波長相比4G信號波長短，穿墻性弱，尤其在穿越高速運行的地鐵時或在隧道傳輸時，信號衰減程度越發(fā)明顯。

4.由于參與地鐵5G信號覆蓋的運營商不只一家，各運營商之間需處理好在有限空間范圍內不同頻率的信號系統(tǒng)，以及專用通信系統(tǒng)和民用通信系統(tǒng)的有效隔離，避免信號干擾。

二、基于5G技術的地鐵覆蓋方案探究

2.1基于5G技術的站廳和站臺信號覆蓋

對站廳和站臺的通信設備建設規(guī)劃設計時，應根據(jù)地鐵現(xiàn)場實際情況選擇匹配的分布式基站、微蜂窩、宏蜂窩。根據(jù)工信部5G頻率分配規(guī)定，將3.5GHz頻段各100MHz分配給聯(lián)通和電信，將2.6GHz頻段160MHz分配給移動。新的5G頻率分布與原有4G室內分布系統(tǒng)的兼容性存在問題，即原有4G室內分布系統(tǒng)（DAS系統(tǒng)）一般支持800至2700MHz的頻段，所以只兼容2.6GHz頻段，與3.5GHz頻段不兼容。因而5G移動設備可直接接入現(xiàn)存4G室內分布系統(tǒng)完成合路，進行信號覆蓋。聯(lián)通、電信需5G廣角漏纜、皮基站或微站的輔助設備進行信源疊加支持，完成不同頻段的無源分布天線的調測，以完成5G信號覆蓋。

2.2基于5G技術的隧道信號覆蓋

受空間狹窄及列車經(jīng)過產(chǎn)生風壓的限制，應使用泄漏電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)分布式天線在地鐵隧道內進行布置，實現(xiàn)隧道5G信號全覆蓋。以往基于4G技術的隧道信號覆蓋，其泄漏電纜通常鋪設2根，為了滿足5G技術大容量、低時延、極速傳輸?shù)男枨螅桎佋O4根泄漏電纜為各運營商提供設備支持，同時需解決多系統(tǒng)接入平臺（POI）的兼容問題。實施方案如下：

1.針對聯(lián)通、電信POI，由于原有現(xiàn)網(wǎng)4G POI設備不支持5G POI設備的頻段，需對原有設備進行替換，可考慮新建同時支持三個運營商12頻段5G業(yè)務的POI。

2.針對移動POI，原有4G POI匹配5G業(yè)務，可仍使用原有4G POI及無源室內分布系統(tǒng)，在原有4G POI的基礎上升級，擴容為支持雙2515-2675MHz端口的輸入，還支持4G/5G的D頻段輸入。

在保證隧道內5G信號無盲區(qū)覆蓋的前提下，需將泄漏電纜安裝在便于維護的位置，還需保證施工的安全。綜合考慮以上幾點，方案確定將泄漏電纜安裝在與地鐵列車車窗中間位置相同高度的墻壁上，通過專用卡具固定，卡具間隔保持在1.1米至1.5米之間，并在15米處安裝防火卡具。無襯砌地鐵隧道應將普通卡具替換為鋼絲承載鎖卡具支架或角鋼支架，吊具間隔保持在1.1米至1.5米之間，并在15米處安裝防火吊具。

因為地鐵內不是單一網(wǎng)絡覆蓋的，而是各種信號互相交錯，隧道與站廳、站臺的網(wǎng)絡覆蓋也存在差異。乘客穿梭在列車與站廳之間時，信號源會互相切換，要根據(jù)實際情況確定網(wǎng)絡覆蓋方案，具體如下：

1.在包括地鐵站臺候車位置在內的整個地鐵隧道線路中都架設泄漏電纜，所以站臺候車位置會存在兩個信號的情況，即DIS信號和泄漏電纜發(fā)出的信號，二者會產(chǎn)生信號沖突，針對此問題可通過優(yōu)化控制設備功率的方法解決。

2.在包括地鐵站臺候車位置在內的整個地鐵隧道線路中都設置泄漏電纜，同時將DIS信號源也布置在隧道內，所以站臺候車位置也會存在兩個信號的情況，二者會產(chǎn)生沖突，此方案很難控制信號強度。

3.整個地鐵隧道線路中都設置泄漏電纜，在地鐵站臺候車位置及隧道內也設置DIS信號源，在兩個信號的匯聚處切換信號區(qū)域較大，此類情況會削弱站廳、站臺的信號強度。

4.整個地鐵隧道線路中都設置泄漏電纜，在地鐵站臺候車位置設置DIS信號源，在兩個信號的匯聚處設置切換小區(qū)，此類方案會發(fā)生切換失敗的情況。

綜上分析，可選擇方案1和方案3作為5G信號覆蓋的實施方案。

2.3基于5G技術的地鐵切換方案

1.隧道中小區(qū)間相互切換

即手機用戶終端在乘坐在隧道中行駛的列車時，即在某一時間會接收到來自不同小區(qū)的發(fā)出的信號，此時會發(fā)生從老小區(qū)切出，從新小區(qū)切入的切換過程，因為列車速度快，其信號覆蓋重疊區(qū)域應滿足公式：覆蓋重疊區(qū)域=切換時間×列車速度×（余量+1）。

2.隧道與站廳及站臺的切換

因為在站廳、站臺與隧道之間的5G信號覆蓋源不同，終端會接收來自不同信號源的信號，所以乘客出入列車時會發(fā)生信號源切換。由于此時車速慢，所以信號重疊區(qū)域在保證切換時間需求的前提下盡量減小。

3.隧道與地鐵外小區(qū)的切換

當列車駛入隧道時，會發(fā)生從老小區(qū)切入，從隧道外界新小區(qū)切出的切換;同樣當列車駛出隧道時，會發(fā)生從老小區(qū)切出，從隧道外界新小區(qū)切入的切換。切換失敗往往是因為切換覆蓋區(qū)域不足引起的，解決方案是在隧道邊緣各安裝定向板狀天線，加強隧道口的信號覆蓋，擴充同地鐵外小區(qū)的信號重疊區(qū)域，使切換成功率增加。同樣滿足公式：覆蓋重疊區(qū)域=切換時間×列車速度×（余量+1），合理控制覆蓋區(qū)域長度，防止信號外泄原因對地鐵外小區(qū)的信號干擾。

2.4基于5G技術的地鐵防干擾方案

基于5G技術的地鐵防干擾方案的目的是提升地鐵內的信號質量，減少信號干擾，保證不同信號源之間及專網(wǎng)與公網(wǎng)之間移動網(wǎng)絡的正常工作且互不干擾?；?G技術的地鐵干擾存在形式主要分為臨頻與同頻之間的干擾、接收機互調干擾、接收機阻塞干擾、雜散干擾。只要保證不同的頻率規(guī)劃，即可消除地鐵信號臨頻與同頻干擾，但由于地鐵通信方式為天饋分布多頻段，會使接收機互調干擾、接收機阻塞干擾、雜散干擾問題放大。

解決這一問題主要通過將接收與發(fā)射天線分別接入兩條泄漏電纜，保證天線的距離。同時，應在POI中加入濾波器以起到增加隔離度的目的。

四、結論

本文分析了基于5G 技術的地鐵覆蓋情況后，介紹了基于5G技術的地鐵覆蓋特點，其中包括地鐵結構特征和基于5G技術的地鐵通信需求。根據(jù)覆蓋特點，展開了基于5G技術的地鐵覆蓋方案探究，并分別從地鐵中基于5G技術的各位置信號覆蓋、小區(qū)切換及防信號干擾等方面做了詳細分析，形成最終可行方案。

參? 考? 文? 獻

[1]謝涵，楊新，賀肖榮，王進.支持5G共建共享和多系統(tǒng)共存的地鐵隧道覆蓋方案

[2]王旭.地鐵民用通信覆蓋方案研究[J].移動通信，2013（08）：9-13.

[3]謝涵.5G基站在地鐵中的建設模式[J].電子世界，2019（20）：29-30.

[4]豐頂勝.5G通信在城市軌道交通的應用[J].電子世界，2019（02）：189-190. [J].郵電設計技術，2020（6）：17-21.