城市轨道交通无线通信网络的设计与性能优化

王启帆

（南宁轨道交通运营有限公司，广西 南宁 530000）

0 引 言

城市轨道交通系统中的通信网络在车辆与控制中心之间的高效通信中扮演着关键角色。随着城市交通的不断发展和智能化水平的提升，对通信系统的需求日益增加。传统无线通信系统可能受到频谱限制、覆盖范围不足以及信号干扰等问题的困扰，因此需要专门设计和优化的通信系统，以满足城市轨道交通的独特需求[1-4]。

1 系统需求分析及设计

1.1 系统需求分析

1.1.1 支持高速移动通信

由于整体系统中列车多数时间处于高速运动状态，通信系统需要适应列车高速移动中频谱环境的变化，确保在不同位置和时间段为列车分配最优的频谱资源，提高通信效率。同时，需要实现在列车高速移动过程中的无缝切换，确保从一个基站到另一个基站的切换时不会引起通信中断，保障信息传输的连续性[5]。

1.1.2 实时性要求

系统设计需要确保控制中心能够快速、及时地下发交通控制指令，并实时获取列车的位置、速度等关键信息[6]。这种能力对于保障列车运行的实时性和整体交通系统的高效性至关重要。通过减少信息传递的延迟，系统能够快速响应不同实时境况。

1.1.3 稳定的覆盖范围

通信系统应能够覆盖城市轨道交通网络中的多样化场景，包括但不限于车站、隧道及高架桥等。这要求系统提供稳定的通信连接，无论列车处于何种环境。在车站，系统应确保提供高质量的通信服务，以满足实时信息交换需求。在隧道和高架桥等特殊场景中，通信系统需要保障信号的稳定性，避免因环境变化引起的通信中断。

1.2 无线通信网络设计

该网络架构由4 个层次组成，即应用层、核心层、接入层以及列车层，如图1 所示。

图1 网络架构

其中，应用层是整个网络的顶层，负责处理列车乘客和车载终端的高级应用，以提升用户体验和系统智能化。在这一层，通过无线传输协议实现列车内的信息娱乐、车辆状态监测等应用，与核心层进行数据交互。核心层是网络的核心枢纽，负责处理应用层与接入层之间的数据传输和管理。这一层次的基站和服务器承担着决策与控制的责任，确保网络的高效运行。同时，核心层与应用层的交互为整个系统提供了智能化支持。接入层包括基带单元（Base Band Unit，BBU）、射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）、合并器（Combiner），是连接核心层和列车层的桥梁。BBU 负责基带信号的处理，RRU 负责射频信号的处理，Combiner 负责合并处理后的信号。这一层次负责列车与基站之间的通信，通过高效的协作确保列车乘客和车载终端与核心层的快速连接。列车层是整个网络的底层，直接与列车相关。列车乘客和车载终端使用无线传输协议与列车层的基站通信，传输车辆状态、位置等信息。多个跟踪区更新（Tracking Area Update，TAU）终端负责标识不同列车区域，确保通信更加精细化和定位准确。这一层次的基站负责确保列车内外的实时信息传递，以支持列车运行和乘客服务。

2 网络设计优化

2.1 同频干扰优化措施

对城市轨道交通通信系统的频谱资源进行有效管理是确保通信质量和效率的关键。同频干扰是高密度移动通信环境中常见的问题，可能导致信号衰减、数据传输错误以及通信可靠性下降。

2.1.1 频谱分配策略

频谱分配策略是基于不同区域和通信需求，实施动态频谱分配策略，以适应城市轨道交通系统中不同区域的通信变化。这可以通过实时监测网络负载、交通状况等参数，智能调整频谱资源分配[7]。考虑城市环境中其他通信系统的影响，确保频谱分配的公平性，以避免对其他通信系统的干扰。同时，追求高效的频谱利用，确保每个区域都能获得足够的频谱资源以满足其通信需求。引入自适应频谱管理机制，使系统能够根据实时的通信负载和环境条件进行调整。这可以通过机器学习等智能算法来实现，提高系统对复杂城市环境的适应性[8-9]。

2.1.2 频谱效率优化

频谱效率优化是通过采用先进技术和策略，提高频谱利用率的过程，具体技术方案如表1 所示。

表1 频谱效率优化方法

通过制定智能的频谱分配策略和采用高效的调制解调技术、信道编码方案，城市轨道交通通信系统可以更好地适应复杂的城市通信环境，提高通信质量和频谱利用效率[10]。

2.2 无线覆盖范围优化措施

2.2.1 天线类型选择

第一种，定向天线。对于城市轨道交通通信系统，定向天线可能是一种合适的选择。这种天线类型具有较高的增益，能够集中信号的传输方向，提高通信覆盖范围。在高密度移动场景下，定向天线可以更有效地与高速移动的车辆建立稳定的通信连接。

第二种，全向天线。在某些情况下，全向天线也是必要的，特别是在需要覆盖较广范围或在车辆移动方向不确定的情况下。全向天线具有360°的辐射范围，适用于提供全方位的通信覆盖。

第三种，组合天线。考虑到城市轨道交通系统可能涉及不同的通信需求区域，采用组合天线也是一种选择。组合天线包括定向天线和全向天线的组合，可以根据不同区域的通信要求进行灵活调整，以优化覆盖和传输性能。

2.2.2 天线布局与方向性优化

在城市轨道交通系统的通信系统设计中，需要进行详细的场景分析，考虑高楼大厦、隧道、曲线等特殊场景。这一步骤的目的是深入了解这些特殊场景对通信系统的影响，从而为后续的天线布局与方向性优化提供基础。通过对特殊场景的全面了解，设计团队能够更准确地确定最佳的天线布局策略，以确保在城市轨道交通网络中提供均衡、强大的通信覆盖。

在场景分析的基础上，优化布局成为设计过程中的关键步骤。根据场景分析的结果，设计团队调整天线的布局，将其置于轨道交通网络的关键位置，以提供均衡、强大的通信覆盖。特别是考虑到高速移动车辆，天线的布局得以调整，以确保能够及时捕捉并维持通信连接。这一优化策略的目标是在不同城市场景下实现最佳的通信性能，以适应动态变化的环境。

另外，针对城市轨道交通的高度移动性，设计团队进行了方向性优化，特别是对定向天线。通过调整定向天线的方向性，提高了信号的覆盖范围和穿透能力，从而确保在高密度移动通信环境中能够维持稳定的通信连接。在整个设计过程中，考虑了城市中存在的建筑物和地形对信号传播的重要影响，通过优化天线方向，使其能够适应城市环境中的复杂地形和结构，确保通信连接的稳定性。通过这些优化步骤，城市轨道交通通信系统得以更好地适应城市环境的复杂性，提高通信性能和覆盖范围，确保在高速移动和特殊场景下的通信连接质量。

3 结 论

本研究致力于改进城市轨道交通无线通信系统，关注同频干扰、信号覆盖和通信质量。首先，通过需求分析提出适应高密度、高速度场景的网络结构和优化方法。其次，引入先进调制解调技术、信道编码及物联网以提高频谱利用效率。再次，采取有效措施解决同频干扰，确保在复杂环境中稳定通信。最后，深入讨论定向、全向、组合天线的选择与布局优化，旨在显著提升城市轨道交通通信系统性能，为智能交通可持续发展提供支持。研究为未来城市轨道交通通信系统提供了创新性的解决方案，推动了智能交通技术的进步，提高了通信系统的可靠性和效率。未来，可探索系统实施和维护挑战，整合新兴技术，以不断提升系统性能。