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5G网络技术及其在城市轨道交通的无线覆盖

我国城市轨道交通不断增加的客流量使得各城市轨道交通网络通信承受了巨大的压力,5G技术成为最有希望解决网络通信问题的新型移动通信技术。本文针对城市轨道交通场景网络无线覆盖的难点,提出5G网络在城市轨道交通场景的无线覆盖方案~

01/5G网络关键技术

5G网络技术,即第五代移动通信技术,是在对现有通信技术进行延伸和革新后所产生的新一代移动通信技术。与早期的2G/3G/4G移动网络一样,5G网络是数字蜂窝网络,信号覆盖区域被划分为许多蜂窝状的小地理区域,用于传输被转化为数字信号的声音及图像。相比于传统的通信技术,5G网络技术在现有基础上进行了更加细致的整合,可以满足用户更多或更加频繁的通信需求,也适用于更多复杂的场景。

1.1大规模MIMO技术

大规模多输入多输出(MIMO)技术被视为5G网络的核心技术,其基本特征是在基站侧配置大规模的天线阵列,使信号通过发射端与接受端的多个天线进行传送和接收,从而改善了通信质量。它能充分利用空间资源,在不增加频谱资源和天线发射功率的前提下提高移动通信的传输效率,并具有良好的抗干扰性。

1.2 D2D通信技术

D2D技术(Device-to-Device)指的是2个对等的用户节点之间直接进行通信,是一种短距离通信方式。每个用户节点在D2D分散式网路中均能够自主发送和接收信号,并具有路由的功能。所有网络用户共用信息处理、存储及网络连接能力等资源,也能被其他用户直接访问而不需要经过中间实体。

1.3多载波技术

多载波技术采用了多个载波信号,它把数据流分解为若干个子数据流,使子数据流具有低得多的传输比特速率,并利用这些数据分别去调制若干个载波。在多载波调制信道中,数据传输速率相对较低,码元周期加长,只要时延扩展与码元周期相比小于一定的比值,就不会造成码间干扰。因而,多载波技术可以很好地解决目前移动通信技术在传输速率上的限制,并有效地提升抗干扰性。

1.4超密集异构网络部署

随着用户需求的越发多元化,未来移动数据流量将有巨大的增长,超密集异构网络技术将会成为5G移动通信提高数据流量的关键。较为密集的网络部署大幅缩短了节点与终端的距离,进而提高了网络的功率和频谱幅度,同时,也扩大了网络覆盖范围和系统容量,增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。

02/5G网络应用场景及优势

(1)具备较高的场景运行能力,可以在移动速度较大的条件下实现数据的高效传输。因而适用于城市轨道交通、高铁、高速公路等超高速场景,例如,满足列车运行状态参数的传输需求,提升高速列车运行稳定性与安全性。

(2)能够有效实现其局域网内部的实时通信,从而在保证通信高可靠性的同时降低时延,优化通信效果。

(3)能够支持大规模的通信设备连接需求,并扩大通信所涉及的范围。因而适用于大规模物联网业务场景,使众多人同时参与到通信事件中,进行同步交流。

(4)能够在满足信息传输准确性的同时,为通信网络的使用者提供更自由、开放的高体验性场景,增强网络应用安全性、便利性、高效性、互动性。

为了更好地体现5G网络的技术优势,将目前最主流的4G网络技术与5G网络技术的性能指标汇总于表1,由表1可见,5G网络各项性能指标均优于4G网络。

03/5G网络在城市轨道交通的场景覆盖

尽管5G网络技术有诸多优势,但其在城市轨道交通场景的覆盖是目前亟待解决的难题。相比于一般的室外场景,城市轨道交通环境较为特殊,对于5G网络的无线覆盖也提出了更高的要求。城市轨道交通可分为站厅、站台和隧道等场景,多数场景较为封闭,外部信号难以进入,几乎是各种无线信号的盲区。站厅及站台部位一般承担着顾客进站、购票、过闸及候车等环节,在上下班的高峰期或节假日往往用户密度较大,且用户流动性较强。因此,站厅站台部位易产生突发性的高数据量和话务量,且具有单用户流量较低、但总用户流量较大、总流量较高的特点。隧道部位则需面对无线信号在该场景传播衰落较快的问题,列车在隧道内运行速度相对较快,一般在隧道中可达到60~80km/h,进出站速度为30~40km/h,列车车体、屏蔽门等均会对无线信号造成严重干扰。

此外,考虑到城市轨道交通的场景空间和后期维护,如果三大运营商都创建独立的无线覆盖系统,如表2所示,会产生高昂的建设造价并浪费大量的人力维护成本。因而,城市轨道交通无线覆盖应采用三家协同的方式。

3.1站厅站台层的5G网络覆盖

在目前的城市轨道交通线路建设中,站厅和站台层一般采用室内分布系统(DAS)方式进行2G/3G/4G的三大运营商协同无线覆盖,技术已相对成熟。因此,5G网络采用在现有模式下增设分布式皮基站的方式进行覆盖,此方式可以保证终端只支持2G/3G/4G系统的用户不受影响。

5G网络分布式皮基站系统可分为前端及后端2部分,如图1所示,其相应的系统设备及功能如表3所示。前端由皮基站集线器+皮基站组成,多个皮基站和集线器通过光电混合缆进行连接,控制距离约为200m。后端则由基带处理单元(BBU)设备组成,一般设置于设备室或通信机房。此外,由于5G网络皮基站采用大规模内置天线结构来满足高速的数据接入需求,因而3家移动运营商无法在现有的多系统合路平台(POI)设备进行信源整合,需各自新设1套5G网络系统。

3.2隧道中的5G网络覆盖

城市轨道交通隧道中,无线覆盖一般采用射频拉远单元(RRU)+多系统合路平台(POI)+漏泄电缆(以下简称“漏缆”)的方式。5G网络在隧道内的覆盖方式与传统方式基本一致,但需要将相关设备替换为适用于5G频率的设备,包括POI、RRU及漏缆,如图2所示,具体更改如下。

(1)POI需改为可馈入5G-NR2×100W信源与4G信号合路的型号。

(2)RRU需采用分布式宏基站5G-RRU。

(3)漏缆需根据运营商频率的不同进行选取。目前采用的13/8漏缆最多可支持2.8GHz,可用于对中国移动的5G信号进行覆盖,且可以与2G/3G/4G公用。联通及电信5G覆盖需单独架设5/4漏缆以支持3.4GHz以上的频率。

04/结论

(1)相比传统的移动通信技术,5G网络技术在时延、吞吐量、连接数密度等参数指标上有明显的优势,可以较好地应对城市轨道交通场景用户接入量大、列车高速运行、突发性高数据量的情况。

(2)针对城市轨道交通5G网络难以覆盖的问题,按不同部位提出了解决方案。其中,站厅站台层在现有分布式天线系统的基础上,增设5G网络分布式皮基站系统;隧道内根据运营商5G网络频率的不同,采用移动2.6GHz与2G/3G/4G网络共用13/8漏缆,联通电信(3.4 GHz以上)增设5/4漏缆,并增设5G-RRU方式。


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本文作者2020-9-26 09:15 AM
人工智能
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