5G 技術在地鐵無線專網中的應用探討

陳文景

（南寧軌道交通運營有限公司，廣西 南寧 530000）

現代化城市建設離不開交通運輸行業的支持，地鐵作為公共交通運輸的關鍵工具之一，憑借自身高效、安全穩定等特點，在行業中占據有利地位。經過中國城市軌道交通部門的數據調研發現，截至2023 年底，我國已經有59 個城市開通城市軌道交通，運營線路總計11232.65 公里，其中地鐵運營線路占據70%左右，所以地鐵逐漸成為多個發達城市重點公共交通工具，吸引更多人群乘坐。總的來說，作為承擔地鐵調度和控制運行通道的核心，地鐵無線專用系統在其中占據主導地位，目的是保障地鐵運行安全穩定，為廣大群眾提供優質的地鐵服務。

1 5G 技術的特點

和4G 技術相比，5G 技術是在其基礎上不斷創新與升級，實現高速運行，保障傳輸質量穩定[1]。具體來說，5G 技術具有高效、安全、傳輸效率快等優勢，使網絡速度不斷呈現出上升趨勢，給乘客帶來豐富體驗，長期如此便會對其產生強烈依賴。針對VR 和超高清業務處理時，網絡在5G 技術的全面支持下，不再受到空間和時間的固定要素限制，而是在業務處理中發揮作用，日益提高運行效率，在短時間內完成傳輸任務。綜上所述，5G 技術的特點是以高效、效率高為主。根據技術人員的檢測可以了解到，5G 基站峰值的設置要求不能低于50Gb/s，而這個速度是5G 網絡系統運行的最佳峰值速度，并不是所有用戶都能體驗得到的[2]。隨著技術逐步成熟，在互聯網背景下，越來越多的新技術在此環境下有了很大進展，而這一速度的支撐同樣也會為其創造諸多發展空間，隨后能夠有效體現出泛在網特點。在業務持續擴大與發展中，網絡業務涉及范疇也在逐步擴大，產生許多新業務，同樣在相關行業中實現廣泛應用。因此，只有在大環境下發展，才能向各大行業提供豐富業務，還有可能在復雜環境下實現有效運用。簡單來說，泛在網包含兩層含義，分別為廣泛覆蓋和縱深覆蓋。廣泛覆蓋即指在社會各個層面以及區域實現全方位覆蓋，如果覆蓋區域具備5G 技術的支持，則應立即組織技術人員在指定范圍內大力安裝智能傳感器，同時也要認真做好環境和空氣質量檢測，真正在應用中彰顯其價值，突出重要性。縱深覆蓋即指在生活中盡管已經具備網絡部署條件，但仍然需要在磁能基礎上加以拓展延伸，盡可能深層挖掘優質的覆蓋區域，潛移默化地擴大覆蓋規模，使整體網絡系統覆蓋穩定性有所保障。現如今，4G 技術已經得到了全面普及與推廣，而5G 技術的涌入，讓以往網絡質量以及使用效果急劇下滑。反之，一些區域的網絡質量不佳則會有所好轉。從特殊角度來看，泛在網比高速度顯得重要許多，只是在少數地區實現了針對性覆蓋，促進網絡效率逐步提升，但這一行為并非能夠為廣大群眾或全國地區提供優質的5G 服務，在體驗方面依舊存在相應影響。泛在網是5G 體驗的基本保障。深入來講，具體是指低功耗特點，5G 技術的應用需要強大的物聯網支持，這便要對功耗提出極高的要求，尤其是在通信系統中容易消耗很多成本和資源，所以，從實際角度來看，這一舉措很難吸引廣泛群眾對物聯網產品的過多關注，還需在接受方面繼續加大努力[3]。總的來說，在5G 技術中，低功耗本身是一種特點。除了涉及以上特點之外，低時延同樣是5G 技術中的一個獨特核心點。5G 的代表性應用場景是在無人駕駛、工業自動化中能夠穩定連接，尤其是在人們相互溝通的過程中，140 毫秒時延容易讓人接受。雖然如此，如果這個時延在無人駕駛、工業自動化中的應用不能達到使用要求，甚至還會造成極大影響。所以，5G 的時延最低必須控制在1 毫秒，還有可能出現最低毫秒差值，這樣才能真正滿足無人駕駛、工業自動化的應用條件，對其廣泛應用做出進一步努力。

2 現行地鐵無線專網概述

無線專網也被稱為無線專用網絡，在地鐵中實現廣泛應用。從深層次角度來看，其主要分為三個發展階段：第一，20 世紀末期初步研發模擬語音通信系統；第二，2000 年前后時期的數字集群通信；第三，2012年首次在地鐵無線專網中有了初次應用，這一技術代表為長期演進技術，也被叫作4G。

2.1 無線專網業務

無線專網即指通過移動終端和車-地之間的通信業務，這種業務涵蓋專用調度無線通信系統、基于通信之間的列車控制系統、車載視頻監控系統和乘客信息管理系統等。

1.專用調度無線通信系統。這一系統的應用是為了給廣大地鐵運營人員提供專用的通信資源，比如多樣化語音和數據等。

2.車載視頻監控系統。這一系統主要是將駕駛室、車廂等核心區域所呈現出的實時場景畫面傳輸到地面控制中心以及地鐵公安部門，確保列車行駛穩定，實時了解具體的運行情況。

3.乘客信息管理系統。這一系統即通過多媒體搭建一體化運營平臺，其中涉及咨詢發布、播控和管理等功能，為乘客提供優質的多媒體功能，實時了解多種信息，或者是在突發情況下立即提供緊急營救功能，在短時間內疏散群體，保障乘客和人員的生命財產安全[4]。

2.2 無線專網業務遇到的挑戰

現如今，由于地鐵無線專網傳輸效率受到很大限制，主要集中在以下幾個頻段：

1.800MHz。這種主要通過專用調度附加無線通信系統，但因條件限制明顯，無法借助大寬度實時傳輸列車運行中所產生的重要數據。

2.1.8GHz。這一頻段只能采用80MHz 的專用寬帶。比如以某城市的地鐵5 號線為例，在某一年間開展針對性綜合承載測試中，盡管根據最佳A 網+B 網綜合承載所提供的方案，但也只能達到目前現有各種系統以及少量車載視頻監控系統的業務傳輸要求，在其他方面始終存在不足。

3 5G 技術在地鐵無線專網中的應用

3.1 在場站中的應用

5G 技術與4G 技術相比，在毫米波頻段中的應用會存在些許不足，容易促使在同步發射功率范圍下產生大幅度下滑現象，而其應用優勢是在原有基礎上不斷提高，擁有極高的傳輸速度和頻率，并且具備微型天線。不僅如此，其中包含MassiveMIMO 在不同類型5G 技術的應用，以至于單點接入設備數量實現直線上升。總的來說，5G 技術一般在車站、樞紐站、車輛段等方面發揮很大作用，特別是針對封閉空間來說有著絕對應用優勢。在此基礎上，可以為車站智能化等全新應用場地部署智能化物聯網接入點，方便相關部門實時了解列車行駛速度和穩定性，對其提供真實的數據支持。

3.2 5G 信息通信規范

運營商根據MaaP 網元將5G 消息能力向企業側提供開放性服務，不斷地給他們在原有發展基礎上增加業務開通碼、消息收發等新型服務功能。企業側通過人工智能溝通機器人直接進入MaaP。5G 消息中心為MaaP 提供新型服務功能，其中以接入和消息能力為主，在終端內實現左右滑動觀看[5]。其中每張卡片包含多元化消息元素：（1）統一資源定位符；多媒體諸多素材，如卡片、音頻、視頻等，經常在消息中心以URL形式呈現。（2）名稱：卡片主體、文本等。（3）描述：卡片內容、文本。

3.3 創新賦能

和以前的地鐵工程對比發現，這次地鐵工程的覆蓋方式、安裝技術、割接流程和相關輔助手段等有了全新賦能，主要是在以往基礎上不斷創新優化實現。覆蓋方式：2 號線使用3.5G8T8R+兩面四端口隧道貼壁天線，其中配置兩個4T4R 邏輯小區，并且在此基礎上不斷進行單頻網絡運行，保證4T4R 覆蓋效果達到預期。部署方式具有成本不高、安裝效率比較快等優勢，這種覆蓋方式與傳統技術相比比較占據優勢，其在日常運用過程中能夠展現出簡化施工流程、解決方案問題、難度不高等特點，及時節省許多設備、施工等方面的成本支出，縮短施工期限。此外，這種覆蓋方式在隧道內部應用時，有利于內部5G 網絡質量高效，完全符合覆蓋要求。

3.4 在隧道內實現信號覆蓋

當地鐵工程正式投入使用時，無線信號一般在隧道內部采用敷設漏纜的方式最大化保證信號實現全面覆蓋，比如在隧道內每隔800m～1000m 布設一臺高智能射頻拉遠單元定期發射射頻信號。如果5G 技術運用高頻信號遇到障礙物時，地面表層會通過鏡面地面發射信號，這一操作與光信號在光纖中傳播方式比較相似；當射頻信號頻率比較高時，則會在同一軸線線纜導體之間利用全反射的方式實現高效傳播，因此行業人員將其稱為“波導效應”。波導效應有助于非波導方向所產生的信號強度在短時間內迅速減弱，所以5G 高頻信號無法利用漏纜的方式確保隧道內部的所有信號實現全面覆蓋，反而是利用定向天線的方式在其內部實現全面覆蓋。值得注意的是，我國當前在地鐵工程中使用5.8GHz 頻率時，一般在隧道內每隔400m～500m 布置基站，一旦5G 技術使用高頻信號，必然會對基站間距產生影響，不斷縮短它們之間的間距。

3.5 提高移動寬帶，增加視頻業務

5G 時代的來臨使網絡運行速度日益加快，這也是4G 網絡無法比較的，現如今，我國用戶的平均體驗網絡速率已經高達1Gbps，完全符合超高清視頻傳輸要求，大幅度提高傳輸效率。目前來看，5G 技術的應用不斷拓展大寬帶的網絡服務業務，比如增加移動服務功能，在城軌超高清視頻等方面實現高效運用。所以，5G 的廣泛運用不單單能夠推進城軌車輛視頻業務有了更大規模的改革，還能在原有業務基礎上增添新的多功能業務，比如超高清視頻的增加，可有效滿足更多用戶對視頻瀏覽的需求。由于其本身傳輸儲存空間巨大，而5G 技術的出現有助于促進高清視頻在城軌視頻業務方面的新突破，從而迎來全新的發展機遇。

3.6 無線技術的應用

通常情況下，城軌專用無線網絡是為了保證車地之間的各種信息數據傳輸業務能夠實現高平穩運行，由于這些技術形式復雜多樣，比較常見的有TETRA、WLAN、LTE-M、EUHT 等技術，這些技術始終處于共同運行的狀態。但從實際角度來說，雖然他們各自有著很大優勢，其中也會存在些許不足，比如單獨組網容易受到很大限制，不能很好地滿足城軌綜合承載需求，所以一般在使用這些技術時，為了發揮最大化應用優勢，經常將它們采用多網組合應用，有利于城軌運行更加安全可靠，防止故障發生。由此得知，5G 技術在地鐵無線專網中的應用，不僅能夠有效滿足城市軌道交通業務硬性需求，還能突出高效穩定性與可靠性，因此，5G 技術的出現不可估量，包攬大量的城市軌道業務，進一步拓展服務范圍，真正滿足用戶個性化需求。

3.7 機房與辦公區域的覆蓋功能

地鐵現場中的機房以及辦公區域本質上包含車站管理房、設備機房以及商業區等多樣化類型。具體來說，在機房和辦公區域所涉及的所有業務中，大多數密度比較偏低，特別是與普通房間相比，認為這一觀點存在本質性錯誤，如果稍有不注意，很難發現內部隱藏不足。當正式開展工作時，一般選擇運用無源分布方案，但在具體進行時則會更換為全新的無源分布系統，或者是當前所使用的系統需要進一步升級改造，對其不斷加強，使原本不支持3.5GHz 頻段的無源設備實現了定期更換，促使5G 信號源與無源分布系統呈現出一體化運行模式，而這種方案的制定與推進無需花費許多成本即可完成工作。另一種方案是讓機房與辦公區以及站臺站廳部分方案有效融合，結合現場的真實條件以及結構特點使辦公區域成為地鐵場景的站臺站廳延伸部分，需按照數字化分布系統方案執行，通過這種模式的大力實施，突出其價值與優勢。

綜上所述，5G 技術已經成為新時代科研技術的產物代表，在地鐵無線專網中發揮著重要作用。為了讓5G 技術更加適應多個特殊環境，還需對其加以升級優化，爭取在最短時間內擴大應用規模，為地鐵企業創造最大化效益。在具體應用過程中，應組織技術人員全方位觀察地鐵工程的特點，考慮實際的建設需求，通過完善的工程措施推進5G 技術在地鐵內部建立動態寬帶，使地鐵通信系統運行更加流暢、高效，不斷提高數據傳輸效率，強化地鐵運行水平。由于地鐵通信系統是由多個子系統組成，在業務劃分中必須注重針對性，根據不同頻道傳播頻率和傳播形式選擇相應的無線專網類型，這樣才能保證傳輸過程中數據完整真實，進而提高其利用率。