摘要：现如今，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，作为保障地铁列车能够高效、快捷、安全运行，宽带无线通信将成为铁无线通信系统中的一种重要技术。本文通过介绍地铁无线通信系统的发展和目前面临的瓶颈，分析5G技术对地铁无线通信发展带来的优势，并就5G系统采用不同频率时会出现的情况对5G技术在未来地铁中的工程应用方式进行探讨。
关键词：地铁;5G技术;无线专网;频率选择;应用方式
引言
随着5G网络迈入快速发展期，视频直播、AR和VR等各类高速数据业务层出不穷，5G网络建设重点从初期的宏站建设将逐步转入室内覆盖站型，尤其需要保障高端重要场景的室内覆盖效果。地铁是用户集中和业务流量汇聚的典型区域类型，作为运营商品牌形象和口碑业务的集中体现场所，需要格外确保覆盖和容量，为客户提供良好的业务体验，地铁场景建设5G室内覆盖系统势在必行。 1地铁隧道覆盖需求分析
地铁乘客特征和运营商价值客户高度重合：人流聚集度高，投资效率高；娱乐资讯打发时间；年轻化，上班族占据重要比例；一定程度上讲，地铁将是5G重要品牌窗口和高价值区域，地铁覆盖的好坏直接影响运营商的竞争优势。在话务上，地铁作为重要的城市交通工具，用户人流量大，特别是上下班高峰期，具有非常高的突发业务量。近年来随着5G网络的商用、无限流量套餐的推广以及短视频平台的兴起，用户需求除了基本的语音业务，高速数据业务的需求也大大增加。5G为代表的新一代信息技术的融合和应用，是地铁轨道交通运营保障需求的重要手段，地铁运营、服务与保障具有客流量大、数据并发高、跨站点协同、实时性要求高、数据分析复杂等特征与挑战。
25G技术在地铁无线专网中的应用探讨
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2.1场站中的应用
5G技术在毫米波频段(相对于4G技术)的最大缺陷是会导致在相同发射功率下覆盖范围大幅降低，其优点则是极高的传输效率与极小的天线尺寸，同时包括MassiveMIMO在内的各项5G技术使得单点接入设备数海量增长。因此5G技术非常适合部署于车站、枢纽站、车辆段等相对封闭的空间，并为车站智能化等新应用提供物联网接入点。这类环境的特点是空
间狭小，并不需要太长的覆盖距离，同时5G技术较小的天线尺寸也使其在这类有限空间的工程实施与维护相对简单，不会对建筑结构提出过多的要求。
运营商通过MaaP（消息即平台）网元将5G消息能力开放给企业侧，完成业务开通、消息收发等服务。企业侧应用以Chatbot（聊天机器人）形式接入MaaP。而5G消息中心为MaaP提供接入和消息能力，同时为支持5G消息的终端提供5G消息注册认证和收发服务。每条5G消息可包含1到12张富媒体卡片，在终端可左右滑动展示，其中每张卡片主要包含以下消息元素：a）MediaURL（统一资源定位符）：多媒体素材，如图片、音视频文件等，在消息体中以URL形式出现。b）Title：卡片主题，文本。c）Description：卡片内容，文本。d）Suggestions：建议操作，卡片中可点击的文本标签按钮，单个卡片中按钮数量不超过4个。当终端用户点击时，可通过DeepLink（深度连接）打开特定网页或拉取本机APP、拉取本机呼叫应用（被叫号码由Chatbot预填，终端不能修改）、拉取本机默认地图应用，查询定位位置，向Chatbot发送位置信息、添加本机日历事件等操作。e）Postback_data：对建议操作的回复，一条从终端发往后台Chatbot的隐藏式文本消息， 理论上可存放不大于3K的文本，用户点击建议操作按钮后，终端根据预设的Postback_data值，自动回传给后台对应的Chatbot，告知Chatbot此终端用户当前正在点击该按钮。对于用户的点击操作，终端消息界面上不会显示Postback_data内容，该参数可用于存放验证信息。
2.3创新赋能
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与以往的地铁工程相比，本次的地铁工程在覆盖方式、安装工艺、割接工序以及其他辅助手段等方面进行了创新赋能。覆盖方式：3号线采用3.5G8T8R+两面4端口隧道贴壁天线，配置为2个4T4R逻辑小区，同时进行SFN，从而达到4T4R的覆盖效果，部署方式成本低、安装速度快。该覆盖方式相比传统漏缆解决方案施工简单，难度低，且可大幅降低设备及施工费等建设成本，同时缩短施工周期。覆盖方式如图2所示。同时，该种覆盖方式隧道内5G网络质量能够达到覆盖要求，在山东的丁家庄站至龙洞站左线隧道试点中，也是采取该种覆盖方式来进行5G网络的覆盖，覆盖完成后测试效果良好，以下为测试的各项指标：（1）整体测试指标（包含站台Lampsite小区）如表2所示。（2）各隧道指标如表3所示。安装工艺：3号线隧道区间采用哈芬槽安装模式，槽道预埋，避免打孔，保护隧道壁，安装
便捷效率高，设备安装时使用专用T型螺栓及安装件进行紧固，安装效率提高2倍，安装质量易把控。割接工序：BBU预先在母局开通并配置好BBU及RRU数据，按分配端口直接打好标签，现场安装后只需对通上联光路，可一次性割接开通。辅助手段：自制轨道搬运车，当日施工计划所需设备一次性搬运，提高施工进度，节省人工成本；使用光话机，RRU安装完即可核对光路。LED光柱
2.4在隧道中的信号覆盖
在实际工程应用中，无线信号通常在隧道内以敷设漏缆的方式实现信号的覆盖，在隧道里每隔800～1000m布设1台射频拉远单元（RRU）发射射频信号。而5G技术采用的高频信号（如mmWave）在遇到障碍物时，会在其表面发生镜面反射，即类似于光信号在光纤内的传播方式，频率过高的射频信号会在同轴线缆2层导体之间以全反射的方式传播，这一效应被称为“波导效应”。波导效应会使得非波导方向的信号强度急剧减弱，因此5G高频信号（如5.6GHz信号甚至30GHz的mmWave电信号）难以通过漏缆的方式进行信号覆盖，而是需要采用定向天线的方式在隧道内完成信号覆盖。同时，由于高频信号衰减速率较高，目前在工程应用中采用5.8GHz频率时，通常隧道内每隔400～500m需要布设或有源设
备，若将来采用5G技术的高频信号，或有源设备的间距必然会更小。当然，5G技术在隧道环境下的部署也有其优势。5GmmWawe的天线尺寸非常小，可达到厘米乃至毫米级别，能够更好地适应隧道内有限的部署空间。同时，其特有的波束赋形技术也能很好地满足隧道环境下的定向传输需求。
2.5工程实施难点
除天线部署点位外，5G高频信号天线的部署实施方式也需要进一步探讨。其高频信号可以利用上下行信道角度的互易性产生波束，通过采用分布式MassiveMIMO或分布式MIMO技术将多个ＲＲU天线信号联合处理，解决线路小区边缘信号干扰和列车快速切换造成的通信速率下降的难题，无线传输性能将优于传统4G/LTE技术;再加上釆用高精度频率跟踪和时域补偿信号处理技术，能够在一定程度上消除多普勒的影响，提高链路的鲁棒性，更加适合于高速移动场景下的无线通信。这也对具体工程实施提出了更高的要求。
2.6基于5G消息的终端身份验证优势分析
利用5G消息进行终端身份验证，无论是认证体系还是通信过程中的信息暴露方面，相比普
通APP都具有较高的安全性，相比传统动态短信验证码，具有更丰富的信息承载量及更大的操作便捷性。5G消息本身通信安全。与其他移动APP不同，5G消息是一款要求原生终端支持的应用，通信数据承载于运营商的基础通信网络之上，其安全性和打电话、发短信是一个级别。终端是认证的发起点，自动通过SIM卡注册并连接到运营商的5G消息中心。在应用侧，企业的Chatbot在使用前需实名申报审批通过才被允许接入，Chatbot在接入MaaP平台进行通信时也需要经过一系列安全认证，如JWS（签名信息验证）、访问源IP校验等。本方案是研究应用系统中如何基于5G消息对终端身份进行验证，核心点是利用了5G消息卡片中的建议操作按钮及其配套的对建议操作内容的隐藏式回传功能。当终端收到5G认证消息卡片后，点击按钮一键授权的同时，同步完成手机号码+认证码（即Postback_data值，可以是复杂文本串）隐藏式回传。如果是移动应用，还可以实现双向比对认证。对比传统的认证方式，本方案有以下优势：a）终端不可转发性：比如电信中，诱骗终端用户转发短信验证码等行为，在5G消息中将不复存在。5G消息不可转发，即使可转发，其他终端上行后由于手机号码不正确将无法通过后台验证。b）双向实名性：企业端Chatbot和终端均实名认证，可信交互。c）验证过程便捷性：相比传统短信、账号密码等认证方式，5G消息验证方案仅需终端一次点击即可完成终端授权登录应用系统，以
及应用系统对终端的实名验证，无需了解验证逻辑，无需记住验证码并到相应页面输入。d）隐藏式认证码确保安全，验证过程中认证码无论是对终端还是应用系统的运营人员均不可见，在通信层完成验证。e）信息多媒体化：下发到终端的5G卡片信息，可以携带更丰富的多媒体内容，极大拓宽产品的终端触点。
结语
5G技术所应用的Sub－6G乃至mmWave频段高频信号相较于目前地铁无线专网主要应用的1.8GHz频段的最大优势在于其极高的可用带宽与数据传输速率。极高的可用带宽结合大规模多入多出(MassiveMIMO)技术使得单点设备接入数相比现有技术有数量级的提高，为未来物联网设备接入乃至万物互联的实现提供了基础传输通道。同时5G技术极高的数据传输速率可在完全可以满足现有业务以及CCTV全视频流上传的需求上，还可以为智慧车站、智慧地铁等新增业务提供无线传输通道。当然，作为新兴技术，5G技术在地铁内的工程应用经验尚待完善，还必须更进一步了解5G系统的特点和对环境的特殊要求，通过分析地铁的工程特点，利用工程措施来保证和实现5G大带宽与高数据传输速率，才能在地铁无线专网中发挥5G技术的优势。例如，可采用业务分类，利用不同频道的传播特性来满足不
同场景下的业务需求，即用1.8GHz频段来承载CBTC、紧急报文、列车运行状态监测等事关列车运行安全的关键数据;采用Sub－6G频段承载CCTV、PIS、视频调度等非关键但是极度消耗数据传输带宽的业务;利用mmWave频段来覆盖地下车站、主变电所等空间有限但往往布设有大量设备或传感器，对传输链路单点接入有较大需求的场景。此外，要想实现5G技术在地铁通信系统中的大规模应用，在其信号覆盖方式与可靠性上还有很多工作要做，例如在相对低频信号下如何通过多天线实现波束赋形与分布式MassiveMIMO等等。这些问题将在后续的研究与文章中进一步探讨。
参考文献
滤纸片法［1］中国城市轨道交通协会信息.城市轨道交通2020年度统计和分析报告［Ｒ］.北京:中国城市轨道交通协会，2021.
［2］张蕾，邵君，单瑛，等.成都轨道交通1.8G企业专网技术方案研究研究报告［Ｒ］.四川成都:中铁二院工程集团有限责任公司，2020.
［3］丁元锋，吴卉，李高科.5GNＲ地铁专网综合承载方案探讨［J］.铁路计算机应用，2021，30(05):26～31.
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