5G技术在地铁无线专网中的应用研究

5G技术在地铁无线专网中的应用研究

陆思梦

武汉地铁运营有限公司 湖北 武汉 430000

摘要：在地铁建设的快速发展背景下，无线专网系统的更新提出了要求，可借助5G技术来实现建设的目标，提升系统的运行水平，发挥出技术的有效作用。通过对 5G技术在地铁无线专网中的应用优点的介绍，明确主要技术内容，分析5G 技术在地铁工程中的应用，可为地铁的通信体系的优化提供支持，使技术的应用带来更好的条件，满足地铁运行管理的实际需求。

关键词：地铁；无线专网；5G技术

引言

随着我国地铁工程建设的发展，列车的稳定运行需要通信系统的有效支持，宽带无线通信技术的产生无线通信系统的建立提供了条件，对地铁通信建设的优化有着重要的作用。在目前的地铁无线专网中5G技术应用有着较多的优势，为了使其满足通信系统运行的需求，应对其合理运用。因此，应结合地铁无线专网建设需求及特点来对5G技术应用进行分析，使地铁建设水平全面提升。

1 5G技术在地铁无线专网中的应用优点

5G技术的产生为不同领域提供了有效的支持，也在地铁专用无线领域中发挥了相应的作用。通过对其应用效果的分析可知，其有着以下几方面优势，第一，速率高，增强移动宽带可从 4G的 100 Mb/s提高10-20 Gb/s。第二，时延低，该技术应用可实现低延迟通信的要求，使端到端的时延降低到1ms。第三，连接更多，5G技术可满足海量机器通信需求，终端的接入数量显著提高，可连接物联网设备。

2主要技术

为了提升地铁专网系统建设的水平，发挥出技术优势，应对其技术进行深入分析。应用5G技术可在软件及算法等方面得到创新，涉及到了以下几方面技术，第一是可用频段增多，无线通信的基础是具备充足的频段资源支持，结合相关组织制定的规范来看，5G NR包括了30 个频点，其中主要分成两类，分别为FR1及FR2，前者在450 -6 000 MHz范围之间，后者在24.250-52.600 GHz范围之间。考虑到无线频段资源比较紧张，运用5G技术来支持地铁无线系统时，可用频段包括以下几方面，首先是1.785-1.805 GHz，可用于行业专用频率；其次是2.4 GHz/5.6 GHz 公共频点；最后是30-60 GHz（即 5G-mm Wave

波段）。大频段会使传输带宽变大，结合相关定理分析来看，传输的速率与传输带宽、信噪比之间为正相关，同时5G FR1 段各频点与 100 MHz 以上的总带宽之间比较接近，在情况下频段的带宽比较高。而在FR2 段中频点的可用带宽超出3 GHz，可知使用5G技术可使传输速率得到显著提高，相比以往的地铁专网通信系统的速率有着更多的优势。第二是Massive MIMO 与频带复用技术，在通信技术领域中多入多出技术应用得到了普及，可与正交频分复用之间结合来实现在同一频带中多通道同时传输，保证了信道复用率。还可借助多通道加强传输信号的强度，使通信质量得到显著提升。在波长与天线尺寸的影响下，使用4G技术会使信道数量达不到实际的要求，而采用5G技术可使大规模多入多出技术发挥作用，在mmWave 信号的支持下，天线尺寸可显著减小，使设施的建设得到支持。在5G基站中天线可达到 64T64R，通道数量可达到4G的数十倍，信道的复用率也可超出4G。因此，使用5G系统可接入更多的终端，并且使传输速率得到明显提升，可根据传输速率与信道带宽、空间自由度之间关系的公式来进行分析，结合信道信号功率及噪声、干扰来明确速率情况。结合实际分析可知5G技术可在相同的物理带宽限制之内获得数量级优势，有效提高了频带的复用率，也可使传输的效果加强。第三是Beamforming 与信噪比技术，波束赋形技术应用在通信领域中也发挥了有效的作用，可在发射端通过加权在发送的方式来实现，其中多波束叠加可形成比较窄的发射波束，这使能力集中在特定方向上，也可使信号功率得到显著的提升，提高了信噪比。4G通信技术在天线尺寸影响下效果减弱，仅可借助特殊工艺来获得3D MIMO天线来增加其使用效果，但是其成本比较高，在实际设置过程中难度也比较大。使用5G技术的情况下，毫米波天线尺寸比较小，可使相控阵天线成本降低，并且使单位面积中的天线数量增加，以获得更窄的波束，同时可使信噪比得到提升，保证了传输的质量。

3 5G 技术在地铁工程中的应用

3.1在场站中的应用

结合武汉地铁车站无线专网建设情况分析，在5G技术应用下，在毫米波频段中相同发射功率下覆盖范围会有所降低，而其传输效率得到显著生，同时天线尺寸比较小，在Massive MIMO的支持下可使单点接入设备的数量增多，为地铁无线专网的建设提供良好的条件。因此，可将其应用在车站、枢纽站及车辆段等空间内容，还可借助物联网接入点来实现对车站的通信智能化控制。但是考虑到空间比较小，不需要过大的覆盖面积，可根据车站建设的实际需求来对天线尺寸进行选择。在应用中由于该技术的实施维护难度比较低，可使成本得到控制，因此可满足地铁车站通信系统建设的实际需求。

3. 2 在隧道中的应用

在工程施工中无线信号一般可借助敷设漏缆的方式来覆盖，可在隧道中恰当距离范围之内设置射频拉远单元来发射射频信号，使用5G技术的过程中当信号遇到了障碍会产生镜面反射，与光信号在光纤的传输方式比较相似。在射率过高的信号传输过程中同轴线缆的导体会借助全反射形式传播，引起波导效应，这使非波导方向的信号强度减弱。借助该方式来建设隧道内专网体系时，高频信号无法在该方式下实现信号的覆盖，因此可使用定向天线来实现信号覆盖。应考虑到高频信号的特点，其衰减的速率高，在该工程中应用5. 8GHz频率，隧道中应设置相应的基站或者有源设备，要想使用5G技术高频信号，基站及设备的间距会缩小。同时，使用5G技术在隧道中建立专网体系有着一定的优势，由于天线的尺寸比较下，可达到毫米级别，这使其与隧道中的部署空间适应性加强，也可借助波束赋形技术来实现在隧道中的定向传输。可根据该工程建设需求来选择5G技术，使隧道环境中的传输效果得到保障。

3.3技术应用要求

5G高频信号部署方式的实施应得到优化，其可借助上下行信道角度的互易性产生波束，也可借助分布式Massive MIMO或者分布式 MIMO 技术来实现对多个RRU天线信号的联合处理，使线路小区边缘信号干扰及列车切换引起的速率降低问题得到解决。由于无线传输性能可得到改善，相比4G技术有着更多的优势，使用高精度频率跟踪及时域补偿信号处理技术，可使多普勒影响有效消除，加强了链路的鲁棒性，也可满足高速移动条件下的通信需求，为地铁工程建设提供所需的条件。在工程施工中应明确其中各项要求，首先，为了有效使用上下行信道角度的互易性产生波束，应对频段间隔进行严格控制，并且使载波的可用宽带符合相应的要求。其次，在大规模分布式MIMO 技术的应用下，对多天线间一致性提出了要求，应使生产工艺及现场布设达到实际的要求。最后，技术应用对列车的移动接入设备提出了相应的要求，应使设备处理区分多个波束数据，以满足其运行的需求，使传输条件得到完善。

4 结语

综上所述，在地铁工程建设过程中对无线通信的技术应用有了新的需求，为了全面优化地铁通信体系，应对5G技术合理应用。可结合5G技术应用特点及要求，根据工程建设需求来明确在场站中的应用、在隧道中的应用，根据技术应用要求来优化5G技术条件，使通信系统的建设发挥出更好的作用。通过对地铁无线通信技术的优化，可使交通建设的水平得到全面提升，促进城市交通经济的快速发展。

参考文献

[1]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.

[2]王培东. 5G网络的地铁车地无线综合业务承载研究[J]. 铁道运营技术,2021,27(02):49-51.

[3]邵颖霞. 基于LTE-M和5G混合组网的城市轨道交通通信系统无线资源管理研究[D].北京交通大学,2021.

[4]陶潇然. 5G技术在地铁无线专网中的应用探讨[J]. 计量与测试技术,2022,49(03):75-79.

[5]刘小波. 5G网络地铁场景覆盖方案研究[J]. 长江信息通信,2022,35(06):171-173.

作者简介：

陆思梦（1989.05.02-）、女、湖北宜昌人、土家族、硕士研究生学历、工程师、从事轨道交通通信行业工作。