李佳寧 蔡曉蕾 鄭軍

摘 要：隨著我國的城市軌道交通行業(yè)不斷發(fā)展，迅速增長的設備連接量和數(shù)據(jù)流量對城市軌道交通場景內(nèi)的無線網(wǎng)絡通信提出了更高的要求，也使得第五代移動通信（5G）技術在城市軌道交通中的應用成為了未來的趨勢。文章系統(tǒng)介紹 5G 網(wǎng)絡大規(guī)模 MIMO、D2D 等關鍵技術以及適用場景，并從時延、吞吐量及移動性等方面與其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術進行對比分析;針對城市軌道交通場景網(wǎng)絡無線覆蓋的難點，提出 5G 網(wǎng)絡在城市軌道交通場景的無線覆蓋方案，以期為以后城市軌道交通工程建設提供思路。

關鍵詞：城市軌道交通;5G網(wǎng)絡;無線覆蓋

中圖分類號：U231.7

我國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)絡通信承受了巨大的壓力。一方面，在當前科技快速發(fā)展的前提下，無論線路查詢、網(wǎng)絡購票或是二維碼掃碼進站等諸多場景，均需要通過網(wǎng)絡實現(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)絡的延遲可能引起等候時間增加，人流擁堵等問題，造成安全隱患;列車日常運營維護、列車行車安全對網(wǎng)絡通信也有更高要求。另一方面，城市軌道交通中的無線網(wǎng)絡信號覆蓋一直是一大難題，場景的封閉和列車的高速行駛都會造成信號衰減。在這樣的前提下，5G技術成為最有希望解決網(wǎng)絡通信問題的新型移動通信技術。

1 5G網(wǎng)絡關鍵技術

5G網(wǎng)絡技術，即第五代移動通信技術，是在對現(xiàn)有通信技術進行延伸和革新后所產(chǎn)生的新一代移動通信技術。與早期的2G/3G/4G移動網(wǎng)絡一樣，5G網(wǎng)絡是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡，信號覆蓋區(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)字信號的聲音及圖像。相比于傳統(tǒng)的通信技術，5G網(wǎng)絡技術在現(xiàn)有基礎上進行了更加細致的整合，可以滿足用戶更多或更加頻繁的通信需求，也適用于更多復雜的場景。

1.1 大規(guī)模MIMO技術

大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術被視為5G網(wǎng)絡的核心技術，其基本特征是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列，使信號通過發(fā)射端與接受端的多個天線進行傳送和接收，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通信的傳輸效率，并具有良好的抗干擾性。

1.2 D2D通信技術

D2D技術（Device-to-Device）指的是2個對等的用戶節(jié)點之間直接進行通信，是一種短距離通信方式。每個用戶節(jié)點在D2D分散式網(wǎng)路中均能夠自主發(fā)送和接收信號，并具有路由的功能。所有網(wǎng)絡用戶共用信息處理、存儲及網(wǎng)絡連接能力等資源，也能被其他用戶直接訪問而不需要經(jīng)過中間實體。

1.3 多載波技術

多載波技術采用了多個載波信號，它把數(shù)據(jù)流分解為若干個子數(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)制若干個載波。在多載波調(diào)制信道中，數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，碼元周期加長，只要時延擴展與碼元周期相比小于一定的比值，就不會造成碼間干擾。因而，多載波技術可以很好地解決目前移動通信技術在傳輸速率上的限制，并有效地提升抗干擾性。

1.4 超密集異構網(wǎng)絡部署

隨著用戶需求的越發(fā)多元化，未來移動數(shù)據(jù)流量將有巨大的增長，超密集異構網(wǎng)絡技術將會成為5G移動通信提高數(shù)據(jù)流量的關鍵。較為密集的網(wǎng)絡部署大幅縮短了節(jié)點與終端的距離，進而提高了網(wǎng)絡的功率和頻譜幅度，同時，也擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍和系統(tǒng)容量，增強了業(yè)務在不同接入技術和各覆蓋層次間的靈活性。

2 5G網(wǎng)絡應用場景及優(yōu)勢

（1）具備較高的場景運行能力，可以在移動速度較大的條件下實現(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景，例如，滿足列車運行狀態(tài)參數(shù)的傳輸需求，提升高速列車運行穩(wěn)定性與安全性。

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

（3）能夠支持大規(guī)模的通信設備連接需求，并擴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)務場景，使眾多人同時參與到通信事件中，進行同步交流。

（4）能夠在滿足信息傳輸準確性的同時，為通信網(wǎng)絡的使用者提供更自由、開放的高體驗性場景，增強網(wǎng)絡應用安全性、便利性、高效性、互動性。

為了更好地體現(xiàn)5G網(wǎng)絡的技術優(yōu)勢，將目前最主流的4G網(wǎng)絡技術與5G網(wǎng)絡技術的性能指標匯總于表 1，由表1可見，5G網(wǎng)絡各項性能指標均優(yōu)于4G網(wǎng)絡。

3 5G網(wǎng)絡在城市軌道交通的場景覆蓋

盡管5G網(wǎng)絡技術有諸多優(yōu)勢，但其在城市軌道交通場景的覆蓋是目前亟待解決的難題。相比于一般的室外場景，城市軌道交通環(huán)境較為特殊，對于5G網(wǎng)絡的無線覆蓋也提出了更高的要求。城市軌道交通可分為站廳、站臺和隧道等場景，多數(shù)場景較為封閉，外部信號難以進入，幾乎是各種無線信號的盲區(qū)。站廳及站臺部位一般承擔著顧客進站、購票、過閘及候車等環(huán)節(jié)，在上下班的高峰期或節(jié)假日往往用戶密度較大，且用戶流動性較強。因此，站廳站臺部位易產(chǎn)生突發(fā)性的高數(shù)據(jù)量和話務量，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。隧道部位則需面對無線信號在該場景傳播衰落較快的問題，列車在隧道內(nèi)運行速度相對較快，一般在隧道中可達到60～80 km/h，進出站速度為30～40 km/h，列車車體、屏蔽門等均會對無線信號造成嚴重干擾。

此外，考慮到城市軌道交通的場景空間和后期維護，如果三大運營商都創(chuàng)建獨立的無線覆蓋系統(tǒng)，如表 2所示，會產(chǎn)生高昂的建設造價并浪費大量的人力維護成本。因而，城市軌道交通無線覆蓋應采用三家協(xié)同的方式。

3.1 站廳站臺層的 5G 網(wǎng)絡覆蓋

在目前的城市軌道交通線路建設中，站廳和站臺層一般采用室內(nèi)分布系統(tǒng)（DAS）方式進行2G/3G/4G的三大運營商協(xié)同無線覆蓋，技術已相對成熟。因此，5G網(wǎng)絡采用在現(xiàn)有模式下增設分布式皮基站的方式進行覆蓋，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，其相應的系統(tǒng)設備及功能如表3所示。前端由皮基站集線器+皮基站組成，多個皮基站和集線器通過光電混合纜進行連接，控制距離約為200 m。后端則由基帶處理單元（BBU）設備組成，一般設置于設備室或通信機房。此外，由于5G網(wǎng)絡皮基站采用大規(guī)模內(nèi)置天線結(jié)構來滿足高速的數(shù)據(jù)接入需求，因而3 家移動運營商無法在現(xiàn)有的多系統(tǒng)合路平臺（POI）設備進行信源整合，需各自新設1套5G網(wǎng)絡系統(tǒng)。

3.2 隧道中的5G網(wǎng)絡覆蓋

城市軌道交通隧道中，無線覆蓋一般采用射頻拉遠單元（RRU）+多系統(tǒng)合路平臺（POI）+漏泄電纜（以下簡稱“漏纜”）的方式。5G網(wǎng)絡在隧道內(nèi)的覆蓋方式與傳統(tǒng)方式基本一致，但需要將相關設備替換為適用于5G頻率的設備，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信號合路的型號。

（2）RRU需采用分布式宏基站5G-RRU。

（3）漏纜需根據(jù)運營商頻率的不同進行選取。目前采用的13/8漏纜最多可支持2.8 GHz，可用于對中國移動的5G信號進行覆蓋，且可以與2G/3G/4G公用。聯(lián)通及電信5G覆蓋需單獨架設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)的移動通信技術，5G網(wǎng)絡技術在時延、吞吐量、連接數(shù)密度等參數(shù)指標上有明顯的優(yōu)勢，可以較好地應對城市軌道交通場景用戶接入量大、列車高速運行、突發(fā)性高數(shù)據(jù)量的情況。

（2）針對城市軌道交通5G網(wǎng)絡難以覆蓋的問題，按不同部位提出了解決方案。其中，站廳站臺層在現(xiàn)有分布式天線系統(tǒng)的基礎上，增設5G網(wǎng)絡分布式皮基站系統(tǒng);隧道內(nèi)根據(jù)運營商5G網(wǎng)絡頻率的不同，采用移動2.6 GHz與2G/3G/4G網(wǎng)絡共用13/8漏纜，聯(lián)通電信（3.4 GHz以上）增設5/4漏纜，并增設5G-RRU方式。

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收稿日期 2020-04-15

責任編輯 朱開明