城市軌道交通無線通信網絡的設計與性能優化

王啟帆

（南寧軌道交通運營有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

城市軌道交通系統中的通信網絡在車輛與控制中心之間的高效通信中扮演著關鍵角色。隨著城市交通的不斷發展和智能化水平的提升，對通信系統的需求日益增加。傳統無線通信系統可能受到頻譜限制、覆蓋范圍不足以及信號干擾等問題的困擾，因此需要專門設計和優化的通信系統，以滿足城市軌道交通的獨特需求[1-4]。

1 系統需求分析及設計

1.1 系統需求分析

1.1.1 支持高速移動通信

由于整體系統中列車多數時間處于高速運動狀態，通信系統需要適應列車高速移動中頻譜環境的變化，確保在不同位置和時間段為列車分配最優的頻譜資源，提高通信效率。同時，需要實現在列車高速移動過程中的無縫切換，確保從一個基站到另一個基站的切換時不會引起通信中斷，保障信息傳輸的連續性[5]。

1.1.2 實時性要求

系統設計需要確保控制中心能夠快速、及時地下發交通控制指令，并實時獲取列車的位置、速度等關鍵信息[6]。這種能力對于保障列車運行的實時性和整體交通系統的高效性至關重要。通過減少信息傳遞的延遲，系統能夠快速響應不同實時境況。

1.1.3 穩定的覆蓋范圍

通信系統應能夠覆蓋城市軌道交通網絡中的多樣化場景，包括但不限于車站、隧道及高架橋等。這要求系統提供穩定的通信連接，無論列車處于何種環境。在車站，系統應確保提供高質量的通信服務，以滿足實時信息交換需求。在隧道和高架橋等特殊場景中，通信系統需要保障信號的穩定性，避免因環境變化引起的通信中斷。

1.2 無線通信網絡設計

該網絡架構由4 個層次組成，即應用層、核心層、接入層以及列車層，如圖1 所示。

圖1 網絡架構

其中，應用層是整個網絡的頂層，負責處理列車乘客和車載終端的高級應用，以提升用戶體驗和系統智能化。在這一層，通過無線傳輸協議實現列車內的信息娛樂、車輛狀態監測等應用，與核心層進行數據交互。核心層是網絡的核心樞紐，負責處理應用層與接入層之間的數據傳輸和管理。這一層次的基站和服務器承擔著決策與控制的責任，確保網絡的高效運行。同時，核心層與應用層的交互為整個系統提供了智能化支持。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 負責基帶信號的處理，RRU 負責射頻信號的處理，Combiner 負責合并處理后的信號。這一層次負責列車與基站之間的通信，通過高效的協作確保列車乘客和車載終端與核心層的快速連接。列車層是整個網絡的底層，直接與列車相關。列車乘客和車載終端使用無線傳輸協議與列車層的基站通信，傳輸車輛狀態、位置等信息。多個跟蹤區更新（Tracking Area Update，TAU）終端負責標識不同列車區域，確保通信更加精細化和定位準確。這一層次的基站負責確保列車內外的實時信息傳遞，以支持列車運行和乘客服務。

2 網絡設計優化

2.1 同頻干擾優化措施

對城市軌道交通通信系統的頻譜資源進行有效管理是確保通信質量和效率的關鍵。同頻干擾是高密度移動通信環境中常見的問題，可能導致信號衰減、數據傳輸錯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域和通信需求，實施動態頻譜分配策略，以適應城市軌道交通系統中不同區域的通信變化。這可以通過實時監測網絡負載、交通狀況等參數，智能調整頻譜資源分配[7]。考慮城市環境中其他通信系統的影響，確保頻譜分配的公平性，以避免對其他通信系統的干擾。同時，追求高效的頻譜利用，確保每個區域都能獲得足夠的頻譜資源以滿足其通信需求。引入自適應頻譜管理機制，使系統能夠根據實時的通信負載和環境條件進行調整。這可以通過機器學習等智能算法來實現，提高系統對復雜城市環境的適應性[8-9]。

2.1.2 頻譜效率優化

頻譜效率優化是通過采用先進技術和策略，提高頻譜利用率的過程，具體技術方案如表1 所示。

表1 頻譜效率優化方法

通過制定智能的頻譜分配策略和采用高效的調制解調技術、信道編碼方案，城市軌道交通通信系統可以更好地適應復雜的城市通信環境，提高通信質量和頻譜利用效率[10]。

2.2 無線覆蓋范圍優化措施

2.2.1 天線類型選擇

第一種，定向天線。對于城市軌道交通通信系統，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，能夠集中信號的傳輸方向，提高通信覆蓋范圍。在高密度移動場景下，定向天線可以更有效地與高速移動的車輛建立穩定的通信連接。

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可能涉及不同的通信需求區域，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，可以根據不同區域的通信要求進行靈活調整，以優化覆蓋和傳輸性能。

2.2.2 天線布局與方向性優化

在城市軌道交通系統的通信系統設計中，需要進行詳細的場景分析，考慮高樓大廈、隧道、曲線等特殊場景。這一步驟的目的是深入了解這些特殊場景對通信系統的影響，從而為后續的天線布局與方向性優化提供基礎。通過對特殊場景的全面了解，設計團隊能夠更準確地確定最佳的天線布局策略，以確保在城市軌道交通網絡中提供均衡、強大的通信覆蓋。

在場景分析的基礎上，優化布局成為設計過程中的關鍵步驟。根據場景分析的結果，設計團隊調整天線的布局，將其置于軌道交通網絡的關鍵位置，以提供均衡、強大的通信覆蓋。特別是考慮到高速移動車輛，天線的布局得以調整，以確保能夠及時捕捉并維持通信連接。這一優化策略的目標是在不同城市場景下實現最佳的通信性能，以適應動態變化的環境。

另外，針對城市軌道交通的高度移動性，設計團隊進行了方向性優化，特別是對定向天線。通過調整定向天線的方向性，提高了信號的覆蓋范圍和穿透能力，從而確保在高密度移動通信環境中能夠維持穩定的通信連接。在整個設計過程中，考慮了城市中存在的建筑物和地形對信號傳播的重要影響，通過優化天線方向，使其能夠適應城市環境中的復雜地形和結構，確保通信連接的穩定性。通過這些優化步驟，城市軌道交通通信系統得以更好地適應城市環境的復雜性，提高通信性能和覆蓋范圍，確保在高速移動和特殊場景下的通信連接質量。

3 結 論

本研究致力于改進城市軌道交通無線通信系統，關注同頻干擾、信號覆蓋和通信質量。首先，通過需求分析提出適應高密度、高速度場景的網絡結構和優化方法。其次，引入先進調制解調技術、信道編碼及物聯網以提高頻譜利用效率。再次，采取有效措施解決同頻干擾，確保在復雜環境中穩定通信。最后，深入討論定向、全向、組合天線的選擇與布局優化，旨在顯著提升城市軌道交通通信系統性能，為智能交通可持續發展提供支持。研究為未來城市軌道交通通信系統提供了創新性的解決方案，推動了智能交通技術的進步，提高了通信系統的可靠性和效率。未來，可探索系統實施和維護挑戰，整合新興技術，以不斷提升系統性能。