去蜂窩大規(guī)模多天線系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用分析

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研究背景與意義

隨著國內(nèi)城市軌道交通體系的日益成熟，城市軌道交通急劇增長的客流量和用戶體驗使得各城市軌道交通的通信系統(tǒng)承受了巨大的壓力。一方面，隨著手機APP的發(fā)展，不論高鐵、地鐵、汽車、飛機等出行方式，其中線路查詢、地圖導航、網(wǎng)上購票、購票APP掃碼進站等眾多乘車方式都需要通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，尤其是早晚高峰期或者假期時間，由于乘客數(shù)量劇增，通信系統(tǒng)的終端接入數(shù)量也迅速增加，通信系統(tǒng)的壓力巨大，此時如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)延遲，則會耽誤大家的出行時間，影響出行計劃，還可能引發(fā)人流擁堵問題，造成安全問題。另一方面，隨著抖音、快手等娛樂短視頻軟件的盛行，人們在出行時的等候時間里更喜歡利用直播、視頻等方式進行社交活動，視頻、直播等通信方式對帶寬要求比較高，否則會影響候車體驗，而且對通信系統(tǒng)的實時性更有要求，為此，保持用戶海量接入、低時延、高可靠的通信系統(tǒng)就成為解決問題的關(guān)鍵。在這樣的場景下，去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一成為解決通信系統(tǒng)問題的關(guān)鍵。

1 去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu)

2017年，瑞典林雪平大學的 Erik G.Larsson 教授和美國紐約大學的Thomas L.Marzetta 教授共同提出了去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，其憑借著巨大的潛力優(yōu)勢成為第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。如圖1所示，去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，取消了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的小區(qū)的界限，在較大范圍的通信區(qū)域內(nèi)部署了眾多的接入點（Access Point,AP），每個接入點都裝有一根或者多根天線，接入點與接入點之間相互協(xié)作并通過回傳鏈路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?Central Processing Unit,CPU)，系統(tǒng)采用TDD操作模式以實現(xiàn)通過相同的時頻資源來為用戶服務(wù)。

圖1 去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)結(jié)合了分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)和集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點，采用了“以用戶為中心”的原則，由于通信范圍內(nèi)接入點數(shù)目眾多，則減少了接入點與用戶間的平均距離，路徑損耗也大幅度降低，多用戶干擾也顯著減少，從而使通信區(qū)域覆蓋更為均勻，解決了小區(qū)邊緣用戶信號質(zhì)量差的問題，用戶體驗大幅度提升[1]。而且，通過接入點與接入點之間相互協(xié)作，空間分集和復用增益顯著增強，系統(tǒng)頻譜效率也顯著提高。另外，接入點安裝一根或多根天線，由于天線尺寸很小，可以安裝在候車廳的柱子頂端、吊頂?shù)瓤臻g受限的地方，具有部署靈活、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。2019年世界移動通信大會上愛立信展示了世界上首個去蜂窩大規(guī)模MIMO 原型機:膠帶基站(radio stripe)[2]，受到國內(nèi)外研究學者的廣泛關(guān)注。

為此，去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)不僅具有大規(guī)模MIMO系統(tǒng)高容量、低時延等特點，而且消除了小區(qū)邊緣用戶質(zhì)量差的問題，提供的用戶服務(wù)質(zhì)量更為均衡、穩(wěn)定；再者，由于無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)取消了小區(qū)的限制，則用戶在候車廳處活動時也不需要頻繁的進行小區(qū)切換，節(jié)省了珍貴的無線信令資源。正是由于這些優(yōu)勢，去蜂窩大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)十分適用于地鐵站、火車站和高鐵車站等人員密集型場所，被認為是未來移動通信系統(tǒng)中很有潛力優(yōu)勢的研究方向之一。

2 去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用場景及優(yōu)勢

2.1 大量用戶海量連接場景

在地鐵站、高鐵站、火車站等人員密集性場所，尤其在早高峰或者假期時間，乘客數(shù)量劇增，手機等終端設(shè)備接入需求量大，對城市軌道交通的通信系統(tǒng)提出了海量接入的要求。在該場景下，去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)通過在站廳的吊頂或者立柱上方部署數(shù)目眾多的天線以實現(xiàn)通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，增強了通信范圍內(nèi)信號的均衡性，解決了通信范圍邊緣用戶信號質(zhì)量差的問題，用戶可以就近與附近的天線實現(xiàn)接入組網(wǎng)，避免因為距離天線太遠造成接入困難的問題，從而滿足海量接入的場景要求，進而緩解通信系統(tǒng)的巨大壓力。

2.2 低時延高可靠場景

在使用手機掃碼進站或者使用人臉識別、身份證識別乘車時，對信息交互的實時性提出了高要求。另外，當?shù)罔F在軌道行車區(qū)運行時，由于列車運行速度較快，而且列車行車間隔較短，如果車地信息交互存在時延則會導致車地設(shè)備信息不同步的問題，影響信息交互的實時性，嚴重時可能會影響行車安全性。在該場景下，去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)通過在軌道行車區(qū)頂部安裝數(shù)目眾多的天線，通過天線與天線之間相互協(xié)作，空間分集和復用增益明顯提高，從而軌道行車區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的均衡性顯著增強，系統(tǒng)的頻譜效率也顯著提高，進而保障了車底通信的實時性。

3 結(jié)束語

去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)憑借網(wǎng)絡(luò)覆蓋均衡、頻譜效率高等顯著優(yōu)勢成為5G通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，增強了城市軌道交通通信系統(tǒng)的用戶接入能力和通信可靠性，也為國內(nèi)城市軌道交通的建設(shè)提供了新思路。