淺談城市軌道通信技術

摘要：城市軌道在中國各大城市中發展的越來越多。隨著人們對于城市軌道的要求不斷提高，對于我們通信行業也提出出更高的要求，如何做好城市軌道通信，為人們出行安全以及路途愉快提供保障。本文主要介紹城市軌道無線通信系統現狀，以及下一代無線通信系統關鍵技術研究，僅供同行借鑒參考。

關鍵字：城市軌道；無線通信；技術研究；發展現狀

1 目前城市軌道交通無線系統現狀

隨著城市軌道交通的快速發展，越來越多的應用對無線系統提出了更高的要求。然而由于技術、歷史等原因，我國城市軌道交通無線通信系統缺乏統一規劃，種類繁多。

城市軌道交通的無線通信系統分為專用無線通信系統和公共無線通信系統。專用無線通信系統包含無線調度通信系統、列控信息車-地無線傳送系統、移動電視系統、公安無線、消防無線應急系統、導乘信息及視頻監控車-地無線傳輸等。

城市軌道交通的專用無線通信系統還停留在第2代和無線局域網的技術水平上。其中只有無線調度通信系統使用的TETRA數字集群系統被業界認可，其他各種無線寬帶技術在軌道交通領域還沒有形成標準，同樣的應用在不同城市甚至不同線路都可能采用不同的技術。

從目前軌道交通對于通信的實際需求來看，TETRA系統屬于第2代移動通信系統的技術，其帶寬有限，無法傳輸大量寬帶數據，從而無法實現移動電視、視頻監控等寬帶數據應用。WLAN、WiMAX等寬帶接入技術因為延遲、VoIP效率不高等原因，無法提供可靠語音業務。這些現有的寬帶接入技術都很難單獨發展成一個完整、通用的城市軌道交通無線通信系統。

在穩定快速的接入基礎上，同時能提供可靠語音業務和更寬的寬帶數據業務就成為我們研究下一代城市軌道交通無線通信系統的目標。隨著無線技術的迅速發展，這一目標的實現已經成為可能。

2 城市軌道交通下一代無線通信系統關鍵技術研究

實現城市軌道交通下一代無線通信系統的目標，下列關鍵技術是必不可少的：大容量寬帶技術、語音集群通信技術、切換優化、分布式基站及載波聚合技術等。

2.1 寬帶技術

新一代寬帶移動通信技術以正交頻分復用技術（OFDM）和多輸入多輸出技術（MIMO）為基礎，綜合了混合自動重傳請求（HARQ）、自適應調制編碼（AMC）、功率控制、同步技術、動態信道分配（DCA）等先進技術，而正交頻分多址（OFDMA）則是在OFDM技術的基礎上來實現多用戶的接入。

相比其他多址方式，OFDMA具有頻譜效率高、接收信號處理簡單、支持靈活的寬帶擴展、易于與多天線技術結合、易于與鏈路自適應技術結合、易于各種多媒體業務的傳輸等優勢。所有寬帶技術最終將統一于OFDMA。

OFDMA本質上仍然是一種頻分復用多址接入技術，不同的用戶被分配在各子載波上，通過頻率的正交方式來區分用戶。OFDMA可以在同一時刻針對不同子載波組上的數據采用四相相移鍵控（QPSK），8移相鍵控（8PSK），16符號的正交幅度調制（16QAM），64符號的正交幅度調制（64QAM）等不同的調制方式和一系列不同的碼率，即不同的調制編碼方式（MCS）。自適應調制編碼技術（AMC）使系統可以根據信道狀況選擇不同MCS，能夠改善頻譜利用率和功率效率。利用這個技術，語音和數據業務的傳輸可以采取不同MCS，以滿足不同業務的特性，如語音業務的調制，從可靠性、實時性角度選擇，可使用QPSK方式，而從數據業務帶寬角度選擇，可使用16QAM或者64QAM調制方式。

MIMO技術是新一代移動通信系統必須采用的關鍵技術。該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。MIMO技術包括空間復用（SM）、空分多址（SDMA）、預編碼（Precoding）、秩自適應（Rankadaptation）以及開環發射分集（STTD，主要用于控制信令的傳輸）。

MIMO技術將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。MIMO技術現階段最基本的配置是下行采用雙發雙收的2×2天線配置，上行采用單發雙收的1×2天線配置，考慮的最高要求是下行鏈路MIMO和天線分集支持四發四收的4×4的天線配置或者四發雙收的4×2天線配置。MIMO技術已經應用在IEEE802.11n、LTE等寬帶技術中，日趨成熟，并有應用方案使這項技術用于泄漏電纜。

以OFDM和MIMO為基礎的寬帶技術仍在不斷尋求突破，在最新的4G提案TD-LTE-Advanced中，無線峰值速率指標設定為下行1Gbit/s、上行500Mbit/s。

2.2 語音集群通信技術

城市軌道交通下一代無線通信系統必須向下兼容，繼承現有數字集群調度系統的所有功能，實現調度員、司機、車站值班員之間的語音通信和短數據傳送，具備單呼、組呼、廣播、會議、PTT話權搶占、遲后進入、動態重組、通話組掃描、優先級呼叫、強插、強拆、限時通話、端狀態呈現、監聽錄音、禁話等功能。

為了語音與數據更好地結合，城市軌道交通下一代無線通信系統必須有服務質量（QOS）保證。按照不同業務類型，劃分不同QOS等級，語音數據QOS優先級最高，然后是列控數據等高優先級數據，視頻監控及電視直播等數據因為實時性不高，可劃分為最低優先級。通信系統的介質訪問控制層（MAC層）調度算法將優先發送語音數據，然后是高優先級數據，最后是低優先級數據。

2.3 針對軌道交通的切換優化

城市軌道交通下一代無線通信系統必須考慮切換對系統性能的影響，避免在切換過程中出現語音通信中斷和數據丟失。針對地鐵隧道鏈狀覆蓋的特點，在觸發切換條件、搜索基站、判決目標基站等信令處理上對切換技術進行優化，避免切換時吞吐量等性能下降，減少切換時延。為了避免切換時數據丟失，切換完成之前，終端要同時與2個基站保持連接。

2.4 分布式基站

下一代無線通信系統中，分布式基站模式將得到廣泛應用，此模式基站分為射頻拉遠模塊（RRU）和基帶處理單元（BBU），BBU和RRU之間通過光纖連接。一個BBU可以連接多個RRU。BBU安裝在機房，RRU可布置在隧道環境中，因此，分布式基站可節約饋線損耗，有效發射功率高，可提高覆蓋能力，此外，還具有節約成本、部署更靈活等優點。在不影響系統容量前提下，一個BBU要連接盡量多的RRU，以減少列車運行時切換次數和節約建設成本。

2.5 載波聚合技術

隨著各種無線系統的發展，頻譜資源短缺越來越嚴重，在適合無線通信系統的頻率資源中，已經很難找到未分配大塊帶寬。載波聚合技術是4G提案（LTE-Advanced）中定義的目標，此技術是將多個成員載波連接起來，提供更大的傳輸帶寬，其中的成員載波可以是頻率連續的，也可以是非連續的。在城市軌道交通下一代無線通信系統中，可利用此技術，將城市軌道交通中可用的不同頻段聚合在一起，為系統提供更大帶寬。

3 系統解決方案及其社會經濟效益

以往的城市軌道交通通信建設中，無線調度通信、列控車-地通信、數字調度、應急通信、區間工務、公安、公眾移動通信都互相獨立，各成一體，都建立自己的系統，重復建設，造成頻率資源和資金的浪費。

城市軌道交通下一代無線通信系統是以最新無線技術為基礎集成多種制式的統一的多通道綜合通信平臺，綜合通信平臺基于IP技術，兼容TETRA系統以實現集群調度功能，兼容2G/3G以實現公眾通信需求，最新的4G技術可為專業用戶提供更寬的數據帶寬。城市軌道交通下一代無線通信系統應能在穩定、可靠地兼容現有無線通信系統（TETRA等）各種功能基礎上，提供大容量、高可靠的數據通信，實現乘客信息服務（如電視直播、導乘信息服務、緊急預警）、列控數據傳輸、機車實時數據傳輸、視頻監控等應用，從而滿足人們日益增長的在出行過程中娛樂、信息及安全的需要。

城市軌道交通下一代無線通信系統將多種無線制式統一成一個平臺，有利于整合無線資源，提高頻譜效率，更有利于避免系統間干擾。從工程建設上看，基站數量減少，漏纜不必重復敷設，從而可以減少設備投資，降低施工成本。下一代城市軌道交通無線通信系統涵蓋不同部門的各種應用，系統設備得到簡化，從而節省后期維護費用。城市軌道交通下一代無線通信系統可實現更寬的數據應用，列控信息、列車實時數據的可靠傳輸能為安全運營提供進一步保障；實時視頻監控的傳輸更能反映時代對反恐要求；視頻媒體投放、旅客導乘、旅行向導、在線點播等業務，通過市場化運作，可實現可觀的經濟效益。

4 結束語

城市軌道交通無線通信發展如果能在穩定、可靠地實現傳統語音調度基礎上，提供更寬的數據通信，實現列控信息可靠傳輸、電視直播、乘客信息服務，視頻監控等寬帶應用，將極大節約頻譜資源，簡化系統設備。以最新無線技術為基礎，兼容現有城市軌道交通無線通信技術的多通道綜合通信平臺，將是城市軌道交通下一代無線通信系統的發展目標。

參考文獻

[1]王映民孫紹輝.TD-LTE技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2010