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5G通信技术在城市轨道交通中的运用张霞

发表时间：2020/11/25 来源：《基层建设》2020年第22期作者：张霞

[导读] 摘要：5G通信技术的研发与应用，城市群和都市圈的飞速发展，为地铁轨道交通创新发展提供了新动力。城市轨道交通的5G信号覆盖，将直接影响运营商在消费者心目中的形象，意义重大。

        国脉通信规划设计有限公司黑龙江哈尔滨 150040
        摘要：5G通信技术的研发与应用，城市群和都市圈的飞速发展，为地铁轨道交通创新发展提供了新动力。城市轨道交通的5G信号覆盖，将直接影响运营商在消费者心目中的形象，意义重大。文章对城市轨道交通中5G通信技术应用进行研究，并进一步探讨了5G覆盖技术，以供参考。
        关键词：城市轨道交通；5G通信技术；应用
        1、城市轨道交通中通信技术的组成
        在城市轨道交通中，移动通信的组成并不仅仅只有无线通信技术或者电话系统，还包括其他多方面的内容，比如轨道交通广播系统、乘客信息系统以及视频监控等。摆脱复杂通信电缆的束缚是指城市轨道交通专用无线系统体系，是通过使用电磁波信号来实现数据传播的一种高科技通信方法。城市轨道交通广播系统主要进行信息广播以及客运服务，城市轨道交通广播系统的应用主要是提高城市轨道交通的服务质量，以及在面临突如其来的事故时，城市轨道交通广播系统能够极大地提高城市轨道交通系统的应变能力。而乘客信息系统则是在一些软件和硬件的共同应用下，为乘客提供一些信息的系统；视频系统主要用于保障城市轨道交通运营过程的安全问题。
        2、5G通信在城市轨道交通中的应用
        2.1高速通信
        在分析的过程中，首先要对5G无线网技术的高速传输特点进行一定的探索，对其具体速度及其稳定性进行分析，这样才能够充分发挥5G技术的优势。在探索5G技术及高速度的特点过程中，要和4G技术进行对比，这样才能分析5G技术的优势，在实验室进行测试的过程中可以发现，5G移动通信技术的每秒速率可达到726mbps，而4G的无线通信技术在相同条件下只能够达到62.2mbps，可以说5G速度可以达到4G速度的10倍左右。正是因为其高速传输的特点，才能够给用户带来更好的体验。
        根据《城市轨道交通装备技术规范》可知，城市轨道交通通信系统承载多种业务通信需求，其中包括列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、IMS视频监控业务等多种不同业务，各业务传输速率要求也不同，例如GOA1/2的列车运行控制业务上行速率和下行速率为0.256Mbit/s，而GOA3/4的列车运行控制业务下行速率和下行速率为0.512Mbit/s；GOA1/2与GOA3/4的列车紧急文本下发业务下行速率为0.01Mbit/s。对于当前的LTE-M系统无法满足各业务综合通信的需求。5G通信技术增加了频谱效率，可以在原有带宽基础上提高通信速率，可以实现高速、有效通信。与传统的4G技术相比，5G网络将频谱效率提高了10倍，这样可以满足更多的业务需求，简化了新线网络设计的复杂性，也降低了维修的难度，大大提高了工作效率。
        2.2延迟低，可靠性高
        5G技术在使用的过程中，传输速率比较快，延时比较低是很好的优点，无论是日常使用还是一些科研设备的使用，都有着一定的进步空间。对于我们来说最直观的感受是在日常的影音视频以及游戏娱乐的过程中感受到很好的体验，这样能够实时播放，也能够很好的提高用户的体验，让我们享受5G技术的一系列特点。
        通信延迟是无线通信过程中普遍会遇到的问题，通信延迟会造成车载和地面设备信息使用不同步，降低可靠性，容易对列车运行的效率与安全产生影响。根据实际测得新建线路LTE-M网络端到端时延，单漏缆最小时延11.5ms，最大时延67.0ms；双漏缆MIMO最小时延11.5ms，最大时延54.5ms，根据不同通信时延下列车追踪间隔与最优速度可知，无延时情况下，追踪间隔为33.06s，延时为200ms时，列车追踪间隔为38.27s。运用5G技术，可以大大降低延时，使得运行间隔进一步缩短，增加系统的可靠性，确保列车运行的安全性。
        2.3大量用户超密集组网
        5G网络通信带宽大幅度提高使得网络可以承受更多的业务，也允许大量设备组网通信。对于现有的城市轨道交通中的某些有线设备，可以改为无线组网的方式，减少地面大量的布线，减少了空间占用率，降低了设备需要集中放置的需求，不仅如此，设备的放置也更加灵活，也更有利于日后的维护和修理。除此之外可以接入无线传感器设备和监控设备，对列车运行进行实时监控，及时发现运行过程中存在的问题与潜在危险，将检测的数据及时反馈给控制中心，使得工作人员可以第一时间做出反应并且及时做出应对，保障列车运行的安全。相比于4G网络，5G技术支持海量终端的接入使得上述方法成为了可能，同时也使得5G技术在城市轨道交通中的应用更加广泛。

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        3、城市轨道交通5G网络建设分析
        3.1快衰落和屏蔽
        地铁是地下型全封闭结构，无线信号在隧道场景中传播容易产生快衰落；地铁列车车体、站台两侧安全屏蔽门会对无线信号产生严重的屏蔽。
        3.2共建共享需求
        地铁网络覆盖协调难度大，施工时间紧，二次进场难度和成本均较高，因此3家运营商通过共建共享解决上述问题。由于接入系统多、设备安装空间有限、各系统间干扰和损耗大，3家运营商的无线主设备利用多系统接入平台（PoI）进行上、下行合路后，通过同一套室内分布系统或泄漏电缆对地铁站厅、站台、区间隧道进行网络覆盖。
        3.35G频率特点
        3家运营商已经分别获取5G频段，中国移动获得2515～2675MHz和4800～4900MHz频率资源，中国电信获得3400～3500MHz频率资源，中国联通获得3500～3600MHz频率资源。5G网络频率与2G/3G/4G网络相比，因为波长短导致存在穿透能力差、传播损耗大、覆盖范围小等问题。
        4、5G城市轨道交通覆盖研究
        4.1站厅、站台覆盖
        站厅、站台覆盖与普通室内覆盖场景类似，采用数字化室分方案通过一体化微RRU进行覆盖。对于已采用4GDAS系统的场景，可新增5G单模一体化微RRU设备，或采用4G/5G多模一体化微RRU替代原DAS系统；对于已采用4G一体化微RRU场景，新增5G一体化微RRU设备。对于新建站厅、站台，采用4G/5G多模一体化微RRU设备同时解决4G/5G覆盖。
        4.2隧道内覆盖
        由于隧道内空间狭小，且列车通过时有强烈风压，因此隧道内是不能使用分布式天线作为通信方式的。目前地铁隧道内普遍采用的是通过泄漏电缆进行隧道内的全覆盖。传统4G通信，隧道内泄漏电缆多为2根，而在5G建设中，为了实现5G通信的传输速度快，延迟时间短，容量大等特点，为了支持4×4MIMO，需要建设4根泄漏电缆供三大运营商使用。同时为了保证三个运营商的公共无线信号能够在地铁空间内覆盖，POI的频段选择需要综合考虑。根据移动、电信、联通三大运营商的频率划分，地铁隧道内的POI应选择在800MHz～3600MHz之间。
        为了方便隧道内设备的安装和安全并且提高隧道内的信号覆盖效果，建议将泄漏电缆的高度设在与列车车窗的中部等高处，并采用卡具方式固定，卡具间隔宜为1.0m～1.3m，其中每隔10m～15m设置1个防火卡具；在无衬砌隧道内，漏泄电缆采用角钢支架和钢丝承力索加卡具方式架设，吊具间隔宜为1.0m～1.3m，其中每隔10m～15m设置1个防火卡具。
        4.3干扰
        在制定轨道交通隧道覆盖方案过程中，干扰分析能有效提升信号质量，降低并有效控制干扰值，确保公网与专网能同时正常工作且相互又无影响。
        在地铁覆盖系统的建设和使用过程中，通常主要存在以下几种干扰：同、邻频干扰，杂散干扰，接收机阻塞干扰，接收机互调干扰。轨道交通系统位于信号纯净的地下，只要做好相应的频率规划即可消除同邻频干扰，但轨道交通通信系统为多个频段使用同一天馈分布系统，这样就使杂散干扰、接收机阻塞干扰、接收机互调干扰更加突出。为了尽量减少干扰的影响，并保证足够的收发隔离度，一方面在POI内加滤波器增加电路隔离，另一方面发射天线与接收天线分开接入两条漏缆，增加空间隔离；控制设备功率，避免互调干扰。
        5结语
        综上所述，城市轨道交通行业是城市的发展枢纽，它的顺利开展需要得到移动通信的技术支持，现在城市轨道交通领域已经普遍开始应用5G通信技术。让新兴的移动通信技术和现在的轨道交通行业进行有效结合，能够更好地为人们出行提供便利条件，有效推动社会经济发展。
        参考文献：
        [1]程前.地铁场景5G建设方案探讨[J].电信快报，2020，（09）：34-38.
        [2]李静.地铁5G网络信号覆盖方案浅析[J].现代传输，2020，（03）：50-52.
        [3]张琳，樊金坤.在地铁5G网络建设过程中的规划需求分析[J].通讯世界，2020，27（05）：132+135.