城市軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化

王啟帆

（南寧軌道交通運(yùn)營有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

城市軌道交通系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)在車輛與控制中心之間的高效通信中扮演著關(guān)鍵角色。隨著城市交通的不斷發(fā)展和智能化水平的提升，對(duì)通信系統(tǒng)的需求日益增加。傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)可能受到頻譜限制、覆蓋范圍不足以及信號(hào)干擾等問題的困擾，因此需要專門設(shè)計(jì)和優(yōu)化的通信系統(tǒng)，以滿足城市軌道交通的獨(dú)特需求[1-4]。

1 系統(tǒng)需求分析及設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

1.1.1 支持高速移動(dòng)通信

由于整體系統(tǒng)中列車多數(shù)時(shí)間處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通信系統(tǒng)需要適應(yīng)列車高速移動(dòng)中頻譜環(huán)境的變化，確保在不同位置和時(shí)間段為列車分配最優(yōu)的頻譜資源，提高通信效率。同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)在列車高速移動(dòng)過程中的無縫切換，確保從一個(gè)基站到另一個(gè)基站的切換時(shí)不會(huì)引起通信中斷，保障信息傳輸?shù)倪B續(xù)性[5]。

1.1.2 實(shí)時(shí)性要求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要確保控制中心能夠快速、及時(shí)地下發(fā)交通控制指令，并實(shí)時(shí)獲取列車的位置、速度等關(guān)鍵信息[6]。這種能力對(duì)于保障列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和整體交通系統(tǒng)的高效性至關(guān)重要。通過減少信息傳遞的延遲，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)不同實(shí)時(shí)境況。

1.1.3 穩(wěn)定的覆蓋范圍

通信系統(tǒng)應(yīng)能夠覆蓋城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的多樣化場(chǎng)景，包括但不限于車站、隧道及高架橋等。這要求系統(tǒng)提供穩(wěn)定的通信連接，無論列車處于何種環(huán)境。在車站，系統(tǒng)應(yīng)確保提供高質(zhì)量的通信服務(wù)，以滿足實(shí)時(shí)信息交換需求。在隧道和高架橋等特殊場(chǎng)景中，通信系統(tǒng)需要保障信號(hào)的穩(wěn)定性，避免因環(huán)境變化引起的通信中斷。

1.2 無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由4 個(gè)層次組成，即應(yīng)用層、核心層、接入層以及列車層，如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中，應(yīng)用層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頂層，負(fù)責(zé)處理列車乘客和車載終端的高級(jí)應(yīng)用，以提升用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)智能化。在這一層，通過無線傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)列車內(nèi)的信息娛樂、車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，與核心層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。核心層是網(wǎng)絡(luò)的核心樞紐，負(fù)責(zé)處理應(yīng)用層與接入層之間的數(shù)據(jù)傳輸和管理。這一層次的基站和服務(wù)器承擔(dān)著決策與控制的責(zé)任，確保網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。同時(shí)，核心層與應(yīng)用層的交互為整個(gè)系統(tǒng)提供了智能化支持。接入層包括基帶單元（Base Band Unit，BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）、合并器（Combiner），是連接核心層和列車層的橋梁。BBU 負(fù)責(zé)基帶信號(hào)的處理，RRU 負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的處理，Combiner 負(fù)責(zé)合并處理后的信號(hào)。這一層次負(fù)責(zé)列車與基站之間的通信，通過高效的協(xié)作確保列車乘客和車載終端與核心層的快速連接。列車層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的底層，直接與列車相關(guān)。列車乘客和車載終端使用無線傳輸協(xié)議與列車層的基站通信，傳輸車輛狀態(tài)、位置等信息。多個(gè)跟蹤區(qū)更新（Tracking Area Update，TAU）終端負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)不同列車區(qū)域，確保通信更加精細(xì)化和定位準(zhǔn)確。這一層次的基站負(fù)責(zé)確保列車內(nèi)外的實(shí)時(shí)信息傳遞，以支持列車運(yùn)行和乘客服務(wù)。

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 同頻干擾優(yōu)化措施

對(duì)城市軌道交通通信系統(tǒng)的頻譜資源進(jìn)行有效管理是確保通信質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。同頻干擾是高密度移動(dòng)通信環(huán)境中常見的問題，可能導(dǎo)致信號(hào)衰減、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤以及通信可靠性下降。

2.1.1 頻譜分配策略

頻譜分配策略是基于不同區(qū)域和通信需求，實(shí)施動(dòng)態(tài)頻譜分配策略，以適應(yīng)城市軌道交通系統(tǒng)中不同區(qū)域的通信變化。這可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、交通狀況等參數(shù)，智能調(diào)整頻譜資源分配[7]。考慮城市環(huán)境中其他通信系統(tǒng)的影響，確保頻譜分配的公平性，以避免對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾。同時(shí)，追求高效的頻譜利用，確保每個(gè)區(qū)域都能獲得足夠的頻譜資源以滿足其通信需求。引入自適應(yīng)頻譜管理機(jī)制，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的通信負(fù)載和環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)整。這可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法來實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜城市環(huán)境的適應(yīng)性[8-9]。

2.1.2 頻譜效率優(yōu)化

頻譜效率優(yōu)化是通過采用先進(jìn)技術(shù)和策略，提高頻譜利用率的過程，具體技術(shù)方案如表1 所示。

表1 頻譜效率優(yōu)化方法

通過制定智能的頻譜分配策略和采用高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道編碼方案，城市軌道交通通信系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的城市通信環(huán)境，提高通信質(zhì)量和頻譜利用效率[10]。

2.2 無線覆蓋范圍優(yōu)化措施

2.2.1 天線類型選擇

第一種，定向天線。對(duì)于城市軌道交通通信系統(tǒng)，定向天線可能是一種合適的選擇。這種天線類型具有較高的增益，能夠集中信號(hào)的傳輸方向，提高通信覆蓋范圍。在高密度移動(dòng)場(chǎng)景下，定向天線可以更有效地與高速移動(dòng)的車輛建立穩(wěn)定的通信連接。

第二種，全向天線。在某些情況下，全向天線也是必要的，特別是在需要覆蓋較廣范圍或在車輛移動(dòng)方向不確定的情況下。全向天線具有360°的輻射范圍，適用于提供全方位的通信覆蓋。

第三種，組合天線。考慮到城市軌道交通系統(tǒng)可能涉及不同的通信需求區(qū)域，采用組合天線也是一種選擇。組合天線包括定向天線和全向天線的組合，可以根據(jù)不同區(qū)域的通信要求進(jìn)行靈活調(diào)整，以優(yōu)化覆蓋和傳輸性能。

2.2.2 天線布局與方向性優(yōu)化

在城市軌道交通系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行詳細(xì)的場(chǎng)景分析，考慮高樓大廈、隧道、曲線等特殊場(chǎng)景。這一步驟的目的是深入了解這些特殊場(chǎng)景對(duì)通信系統(tǒng)的影響，從而為后續(xù)的天線布局與方向性優(yōu)化提供基礎(chǔ)。通過對(duì)特殊場(chǎng)景的全面了解，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更準(zhǔn)確地確定最佳的天線布局策略，以確保在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中提供均衡、強(qiáng)大的通信覆蓋。

在場(chǎng)景分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化布局成為設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵步驟。根據(jù)場(chǎng)景分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)調(diào)整天線的布局，將其置于軌道交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵位置，以提供均衡、強(qiáng)大的通信覆蓋。特別是考慮到高速移動(dòng)車輛，天線的布局得以調(diào)整，以確保能夠及時(shí)捕捉并維持通信連接。這一優(yōu)化策略的目標(biāo)是在不同城市場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)最佳的通信性能，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。

另外，針對(duì)城市軌道交通的高度移動(dòng)性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了方向性優(yōu)化，特別是對(duì)定向天線。通過調(diào)整定向天線的方向性，提高了信號(hào)的覆蓋范圍和穿透能力，從而確保在高密度移動(dòng)通信環(huán)境中能夠維持穩(wěn)定的通信連接。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，考慮了城市中存在的建筑物和地形對(duì)信號(hào)傳播的重要影響，通過優(yōu)化天線方向，使其能夠適應(yīng)城市環(huán)境中的復(fù)雜地形和結(jié)構(gòu)，確保通信連接的穩(wěn)定性。通過這些優(yōu)化步驟，城市軌道交通通信系統(tǒng)得以更好地適應(yīng)城市環(huán)境的復(fù)雜性，提高通信性能和覆蓋范圍，確保在高速移動(dòng)和特殊場(chǎng)景下的通信連接質(zhì)量。

3 結(jié) 論

本研究致力于改進(jìn)城市軌道交通無線通信系統(tǒng)，關(guān)注同頻干擾、信號(hào)覆蓋和通信質(zhì)量。首先，通過需求分析提出適應(yīng)高密度、高速度場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方法。其次，引入先進(jìn)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道編碼及物聯(lián)網(wǎng)以提高頻譜利用效率。再次，采取有效措施解決同頻干擾，確保在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定通信。最后，深入討論定向、全向、組合天線的選擇與布局優(yōu)化，旨在顯著提升城市軌道交通通信系統(tǒng)性能，為智能交通可持續(xù)發(fā)展提供支持。研究為未來城市軌道交通通信系統(tǒng)提供了創(chuàng)新性的解決方案，推動(dòng)了智能交通技術(shù)的進(jìn)步，提高了通信系統(tǒng)的可靠性和效率。未來，可探索系統(tǒng)實(shí)施和維護(hù)挑戰(zhàn)，整合新興技術(shù)，以不斷提升系統(tǒng)性能。