祝建国
【摘要】 随着5G时代的到来，通过更快的数据流量、更多的设备连接、更丰富的应用场景来满足使用者日益增长的高密度应用连接与多业务吞吐量需求，如何将5G技术完美应用于地铁轨道交通，为乘坐地铁的用户带来良好的使用感知体验成为本文研究的热点。本文将5G技术的地铁覆盖特点作为切入点，系统分析了基于5G技术的地铁覆盖方案并形成结论，为相关研究与实施提供参考。
【关键词】 5G 地鐵 网络覆盖
引言
随着用户对移动带宽的高需求，4G移动通信技术已无法满足用户对低时延、大容量通信技术的需求趋势，人们将关注的焦点已逐渐转向5G技术，并急需将5G技术应用到相关垂直行业中。由于地铁中各功能场景复杂，导致5G网络覆盖面临一定挑战，加之原有地铁中传统分布系统各不相同，与5G网络频段的兼容性等问题，也给5G网络升级覆盖造成了不小的困难。文章首先从地铁的结构特征开始分析，并提出5G地铁覆盖的应用需求，根据具体需求研究基于5G技术的地铁覆盖方案，形成结论。
一、基于5G技术的地铁覆盖特点
1.1地铁结构特征
地铁大部分位置在地下隧道，无线网络密闭，无法借助外界的网络信号[1]。其组成部分包括隧道、站台和站厅，由于所处地下位置和使用功能不同，导致三个区域对5G网络信号的需求也不同，所以针对不同区域需制定有针对性的网络覆盖方案，不应存在覆盖盲区。站台一般处于地铁站的地下二层区域，之间通过隧道连接，高峰期人员密集;站厅一般处于地铁站的地下一层区域，该空间为封闭区域，相对空旷;地铁隧道是狭长空间，地铁多数时间在隧道中行驶。5G技术虽具有高容量、时延小、速度快的优势，但面对地铁特殊的空间环境，其波长短、频率高、穿透能力差和覆盖范围小的短板更加凸显，所以在人员密集、数据容量高和话务量高的地铁复杂环境中进行5G网络升级难度可想而知[2]。
1.2基于5G技术的地铁通信需求
由于地铁内部结构复杂，对5G技术的覆盖范围和通信质量提出了更高的要求，需求如下：
1.地铁中人员最密集的时间一般为早晚高峰，此时地铁班次增加，通信需求也随着用户的增多而提升，5G话务量及数据带宽的峰值应满足此时的需要[3]。
2.由于地铁内部场景复杂，且地铁运行速度快，对5G信号的切换质量提出了更高的要求。
3.地铁建筑内部对无线信号的屏蔽能力强，且5G信号的波长相比4G信号波长短，穿墙性弱，尤其在穿越高速运行的地铁时或在隧道传输时，信号衰减程度越发明显。
4.由于参与地铁5G信号覆盖的运营商不只一家，各运营商之间需处理好在有限空间范围内不同频率的信号系统，以及专用通信系统和民用通信系统的有效隔离，避免信号干扰。
二、基于5G技术的地铁覆盖方案探究
2.1基于5G技术的站厅和站台信号覆盖
对站厅和站台的通信设备建设规划设计时，应根据地铁现场实际情况选择匹配的分布式基站、微蜂窝、宏蜂窝。根据工信部5G频率分配规定，将3.5GHz频段各100MHz分配给联通和电信，将2.6GHz频段160MHz分配给移动。新的5G频率分布与原有4G室内分布系统的兼容性存在问题，即原有4G室内分布系统（DAS系统）一般支持800至2700MHz的频段，所以只兼容2.6GHz频段，与3.5GHz频段不兼容。因而5G移动设备可直接接入现存4G室内分布系统完成合路，进行信号覆盖。联通、电信需5G广角漏缆、皮基站或微站的辅助设备进行信源叠加支持，完成不同频段的无源分布天线的调测，以完成5G信号覆盖。
2.2基于5G技术的隧道信号覆盖
受空间狭窄及列车经过产生风压的限制，应使用泄漏电缆代替传统分布式天线在地铁隧道内进行布置，实现隧道5G信号全覆盖。以往基于4G技术的隧道信号覆盖，其泄漏电缆通常铺设2根，为了满足5G技术大容量、低时延、极速传输的需求，需铺设4根泄漏电缆为各运营商提供设备支持，同时需解决多系统接入平台（POI）的兼容问题。实施方案如下：
1.针对联通、电信POI，由于原有现网4G POI设备不支持5G POI设备的频段，需对原有设备进行替换，可考虑新建同时支持三个运营商12频段5G业务的POI。
2.针对移动POI，原有4G POI匹配5G业务，可仍使用原有4G POI及无源室内分布系统，在原有4G POI的基础上升级，扩容为支持双2515-2675MHz端口的输入，还支持4G/5G的D频段输入。
在保证隧道内5G信号无盲区覆盖的前提下，需将泄漏电缆安装在便于维护的位置，还需保证施工的安全。综合考虑以上几点，方案确定将泄漏电缆安装在与地铁列车车窗中间位置相同高度的墙壁上，通过专用卡具固定，卡具间隔保持在1.1米至1.5米之间，并在15米处安装防火卡具。无衬砌地铁隧道应将普通卡具替换为钢丝承载锁卡具支架或角钢支架，吊具间隔保持在1.1米至1.5米之间，并在15米处安装防火吊具。
因为地铁内不是单一网络覆盖的，而是各种信号互相交错，隧道与站厅、站台的网络覆盖也存在差异。乘客穿梭在列车与站厅之间时，信号源会互相切换，要根据实际情况确定网络覆盖方案，具体如下：
1.在包括地铁站台候车位置在内的整个地铁隧道线路中都架设泄漏电缆，所以站台候车位置会存在两个信号的情况，即DIS信号和泄漏电缆发出的信号，二者会产生信号冲突，针对此问题可通过优化控制设备功率的方法解决。
2.在包括地铁站台候车位置在内的整个地铁隧道线路中都设置泄漏电缆，同时将DIS信号源也布置在隧道内，所以站台候车位置也会存在两个信号的情况，二者会产生冲突，此方案很难控制信号强度。
3.整个地铁隧道线路中都设置泄漏电缆，在地铁站台候车位置及隧道内也设置DIS信号源，在两个信号的汇聚处切换信号区域较大，此类情况会削弱站厅、站台的信号强度。
4.整个地铁隧道线路中都设置泄漏电缆，在地铁站台候车位置设置DIS信号源，在兩个信号的汇聚处设置切换小区，此类方案会发生切换失败的情况。
综上分析，可选择方案1和方案3作为5G信号覆盖的实施方案。
2.3基于5G技术的地铁切换方案
1.隧道中小区间相互切换
即手机用户终端在乘坐在隧道中行驶的列车时，即在某一时间会接收到来自不同小区的发出的信号，此时会发生从老小区切出，从新小区切入的切换过程，因为列车速度快，其信号覆盖重叠区域应满足公式：覆盖重叠区域=切换时间×列车速度×（余量+1）。
2.隧道与站厅及站台的切换
因为在站厅、站台与隧道之间的5G信号覆盖源不同，终端会接收来自不同信号源的信号，所以乘客出入列车时会发生信号源切换。由于此时车速慢，所以信号重叠区域在保证切换时间需求的前提下尽量减小。
3.隧道与地铁外小区的切换
当列车驶入隧道时，会发生从老小区切入，从隧道外界新小区切出的切换;同样当列车驶出隧道时，会发生从老小区切出，从隧道外界新小区切入的切换。切换失败往往是因为切换覆盖区域不足引起的，解决方案是在隧道边缘各安装定向板状天线，加强隧道口的信号覆盖，扩充同地铁外小区的信号重叠区域，使切换成功率增加。同样满足公式：覆盖重叠区域=切换时间×列车速度×（余量+1），合理控制覆盖区域长度，防止信号外泄原因对地铁外小区的信号干扰。
2.4基于5G技术的地铁防干扰方案
基于5G技术的地铁防干扰方案的目的是提升地铁内的信号质量，减少信号干扰，保证不同信号源之间及专网与公网之间移动网络的正常工作且互不干扰。基于5G技术的地铁干扰存在形式主要分为临频与同频之间的干扰、接收机互调干扰、接收机阻塞干扰、杂散干扰。只要保证不同的频率规划，即可消除地铁信号临频与同频干扰，但由于地铁通信方式为天馈分布多频段，会使接收机互调干扰、接收机阻塞干扰、杂散干扰问题放大。
解决这一问题主要通过将接收与发射天线分别接入两条泄漏电缆，保证天线的距离。同时，应在POI中加入滤波器以起到增加隔离度的目的。
四、结论
本文分析了基于5G 技术的地铁覆盖情况后，介绍了基于5G技术的地铁覆盖特点，其中包括地铁结构特征和基于5G技术的地铁通信需求。根据覆盖特点，展开了基于5G技术的地铁覆盖方案探究，并分别从地铁中基于5G技术的各位置信号覆盖、小区切换及防信号干扰等方面做了详细分析，形成最终可行方案。
参 考 文 献
[1]谢涵，杨新，贺肖荣，王进.支持5G共建共享和多系统共存的地铁隧道覆盖方案
[2]王旭.地铁民用通信覆盖方案研究[J].移动通信，2013（08）：9-13.
[3]谢涵.5G基站在地铁中的建设模式[J].电子世界，2019（20）：29-30.
[4]丰顶胜.5G通信在城市轨道交通的应用[J].电子世界，2019（02）：189-190. [J].邮电设计技术，2020（6）：17-21.
【摘要】 随着5G时代的到来，通过更快的数据流量、更多的设备连接、更丰富的应用场景来满足使用者日益增长的高密度应用连接与多业务吞吐量需求，如何将5G技术完美应用于地铁轨道交通，为乘坐地铁的用户带来良好的使用感知体验成为本文研究的热点。本文将5G技术的地铁覆盖特点作为切入点，系统分析了基于5G技术的地铁覆盖方案并形成结论，为相关研究与实施提供参考。
【关键词】 5G 地鐵 网络覆盖
引言
随着用户对移动带宽的高需求，4G移动通信技术已无法满足用户对低时延、大容量通信技术的需求趋势，人们将关注的焦点已逐渐转向5G技术，并急需将5G技术应用到相关垂直行业中。由于地铁中各功能场景复杂，导致5G网络覆盖面临一定挑战，加之原有地铁中传统分布系统各不相同，与5G网络频段的兼容性等问题，也给5G网络升级覆盖造成了不小的困难。文章首先从地铁的结构特征开始分析，并提出5G地铁覆盖的应用需求，根据具体需求研究基于5G技术的地铁覆盖方案，形成结论。
一、基于5G技术的地铁覆盖特点
1.1地铁结构特征
地铁大部分位置在地下隧道，无线网络密闭，无法借助外界的网络信号[1]。其组成部分包括隧道、站台和站厅，由于所处地下位置和使用功能不同，导致三个区域对5G网络信号的需求也不同，所以针对不同区域需制定有针对性的网络覆盖方案，不应存在覆盖盲区。站台一般处于地铁站的地下二层区域，之间通过隧道连接，高峰期人员密集;站厅一般处于地铁站的地下一层区域，该空间为封闭区域，相对空旷;地铁隧道是狭长空间，地铁多数时间在隧道中行驶。5G技术虽具有高容量、时延小、速度快的优势，但面对地铁特殊的空间环境，其波长短、频率高、穿透能力差和覆盖范围小的短板更加凸显，所以在人员密集、数据容量高和话务量高的地铁复杂环境中进行5G网络升级难度可想而知[2]。
1.2基于5G技术的地铁通信需求
由于地铁内部结构复杂，对5G技术的覆盖范围和通信质量提出了更高的要求，需求如下：
1.地铁中人员最密集的时间一般为早晚高峰，此时地铁班次增加，通信需求也随着用户的增多而提升，5G话务量及数据带宽的峰值应满足此时的需要[3]。
2.由于地铁内部场景复杂，且地铁运行速度快，对5G信号的切换质量提出了更高的要求。
3.地铁建筑内部对无线信号的屏蔽能力强，且5G信号的波长相比4G信号波长短，穿墙性弱，尤其在穿越高速运行的地铁时或在隧道传输时，信号衰减程度越发明显。
4.由于参与地铁5G信号覆盖的运营商不只一家，各运营商之间需处理好在有限空间范围内不同频率的信号系统，以及专用通信系统和民用通信系统的有效隔离，避免信号干扰。
二、基于5G技术的地铁覆盖方案探究
2.1基于5G技术的站厅和站台信号覆盖
对站厅和站台的通信设备建设规划设计时，应根据地铁现场实际情况选择匹配的分布式基站、微蜂窝、宏蜂窝。根据工信部5G频率分配规定，将3.5GHz频段各100MHz分配给联通和电信，将2.6GHz频段160MHz分配给移动。新的5G频率分布与原有4G室内分布系统的兼容性存在问题，即原有4G室内分布系统（DAS系统）一般支持800至2700MHz的频段，所以只兼容2.6GHz频段，与3.5GHz频段不兼容。因而5G移动设备可直接接入现存4G室内分布系统完成合路，进行信号覆盖。联通、电信需5G广角漏缆、皮基站或微站的辅助设备进行信源叠加支持，完成不同频段的无源分布天线的调测，以完成5G信号覆盖。
2.2基于5G技术的隧道信号覆盖
受空间狭窄及列车经过产生风压的限制，应使用泄漏电缆代替传统分布式天线在地铁隧道内进行布置，实现隧道5G信号全覆盖。以往基于4G技术的隧道信号覆盖，其泄漏电缆通常铺设2根，为了满足5G技术大容量、低时延、极速传输的需求，需铺设4根泄漏电缆为各运营商提供设备支持，同时需解决多系统接入平台（POI）的兼容问题。实施方案如下：
1.针对联通、电信POI，由于原有现网4G POI设备不支持5G POI设备的频段，需对原有设备进行替换，可考虑新建同时支持三个运营商12频段5G业务的POI。
2.针对移动POI，原有4G POI匹配5G业务，可仍使用原有4G POI及无源室内分布系统，在原有4G POI的基础上升级，扩容为支持双2515-2675MHz端口的输入，还支持4G/5G的D频段输入。
在保证隧道内5G信号无盲区覆盖的前提下，需将泄漏电缆安装在便于维护的位置，还需保证施工的安全。综合考虑以上几点，方案确定将泄漏电缆安装在与地铁列车车窗中间位置相同高度的墙壁上，通过专用卡具固定，卡具间隔保持在1.1米至1.5米之间，并在15米处安装防火卡具。无衬砌地铁隧道应将普通卡具替换为钢丝承载锁卡具支架或角钢支架，吊具间隔保持在1.1米至1.5米之间，并在15米处安装防火吊具。
因为地铁内不是单一网络覆盖的，而是各种信号互相交错，隧道与站厅、站台的网络覆盖也存在差异。乘客穿梭在列车与站厅之间时，信号源会互相切换，要根据实际情况确定网络覆盖方案，具体如下：
1.在包括地铁站台候车位置在内的整个地铁隧道线路中都架设泄漏电缆，所以站台候车位置会存在两个信号的情况，即DIS信号和泄漏电缆发出的信号，二者会产生信号冲突，针对此问题可通过优化控制设备功率的方法解决。
2.在包括地铁站台候车位置在内的整个地铁隧道线路中都设置泄漏电缆，同时将DIS信号源也布置在隧道内，所以站台候车位置也会存在两个信号的情况，二者会产生冲突，此方案很难控制信号强度。
3.整个地铁隧道线路中都设置泄漏电缆，在地铁站台候车位置及隧道内也设置DIS信号源，在两个信号的汇聚处切换信号区域较大，此类情况会削弱站厅、站台的信号强度。
4.整个地铁隧道线路中都设置泄漏电缆，在地铁站台候车位置设置DIS信号源，在兩个信号的汇聚处设置切换小区，此类方案会发生切换失败的情况。
综上分析，可选择方案1和方案3作为5G信号覆盖的实施方案。
2.3基于5G技术的地铁切换方案
1.隧道中小区间相互切换
即手机用户终端在乘坐在隧道中行驶的列车时，即在某一时间会接收到来自不同小区的发出的信号，此时会发生从老小区切出，从新小区切入的切换过程，因为列车速度快，其信号覆盖重叠区域应满足公式：覆盖重叠区域=切换时间×列车速度×（余量+1）。
2.隧道与站厅及站台的切换
因为在站厅、站台与隧道之间的5G信号覆盖源不同，终端会接收来自不同信号源的信号，所以乘客出入列车时会发生信号源切换。由于此时车速慢，所以信号重叠区域在保证切换时间需求的前提下尽量减小。
3.隧道与地铁外小区的切换
当列车驶入隧道时，会发生从老小区切入，从隧道外界新小区切出的切换;同样当列车驶出隧道时，会发生从老小区切出，从隧道外界新小区切入的切换。切换失败往往是因为切换覆盖区域不足引起的，解决方案是在隧道边缘各安装定向板状天线，加强隧道口的信号覆盖，扩充同地铁外小区的信号重叠区域，使切换成功率增加。同样满足公式：覆盖重叠区域=切换时间×列车速度×（余量+1），合理控制覆盖区域长度，防止信号外泄原因对地铁外小区的信号干扰。
2.4基于5G技术的地铁防干扰方案
基于5G技术的地铁防干扰方案的目的是提升地铁内的信号质量，减少信号干扰，保证不同信号源之间及专网与公网之间移动网络的正常工作且互不干扰。基于5G技术的地铁干扰存在形式主要分为临频与同频之间的干扰、接收机互调干扰、接收机阻塞干扰、杂散干扰。只要保证不同的频率规划，即可消除地铁信号临频与同频干扰，但由于地铁通信方式为天馈分布多频段，会使接收机互调干扰、接收机阻塞干扰、杂散干扰问题放大。
解决这一问题主要通过将接收与发射天线分别接入两条泄漏电缆，保证天线的距离。同时，应在POI中加入滤波器以起到增加隔离度的目的。
四、结论
本文分析了基于5G 技术的地铁覆盖情况后，介绍了基于5G技术的地铁覆盖特点，其中包括地铁结构特征和基于5G技术的地铁通信需求。根据覆盖特点，展开了基于5G技术的地铁覆盖方案探究，并分别从地铁中基于5G技术的各位置信号覆盖、小区切换及防信号干扰等方面做了详细分析，形成最终可行方案。
参 考 文 献
[1]谢涵，杨新，贺肖荣，王进.支持5G共建共享和多系统共存的地铁隧道覆盖方案
[2]王旭.地铁民用通信覆盖方案研究[J].移动通信，2013（08）：9-13.
[3]谢涵.5G基站在地铁中的建设模式[J].电子世界，2019（20）：29-30.
[4]丰顶胜.5G通信在城市轨道交通的应用[J].电子世界，2019（02）：189-190. [J].邮电设计技术，2020（6）：17-21.
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