浅谈城市轨道通信技术

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摘要：城市轨道在中国各大城市中发展的越来越多。随着人们对于城市轨道的要求不断提高，对于我们通信行业也提出出更高的要求，如何做好城市轨道通信，为人们出行安全以及路途愉快提供保障。本文主要介绍城市轨道无线通信系统现状，以及下一代无线通信系统关键技术研究，仅供同行借鉴参考。

关键字：城市轨道；无线通信；技术研究；发展现状

1 目前城市轨道交通无线系统现状

随着城市轨道交通的快速发展，越来越多的应用对无线系统提出了更高的要求。然而由于技术、历史等原因，我国城市轨道交通无线通信系统缺乏统一规划，种类繁多。

城市轨道交通的无线通信系统分为专用无线通信系统和公共无线通信系统。专用无线通信系统包含无线调度通信系统、列控信息车-地无线传送系统、移动电视系统、公安无线、消防无线应急系统、导乘信息及视频监控车-地无线传输等。

城市轨道交通的专用无线通信系统还停留在第2代和无线局域网的技术水平上。其中只有无线调度通信系统使用的TETRA数字集群系统被业界认可，其他各种无线宽带技术在轨道交通领域还没有形成标准，同样的应用在不同城市甚至不同线路都可能采用不同的技术。

从目前轨道交通对于通信的实际需求来看，TETRA系统属于第2代移动通信系统的技术，其带宽有限，无法传输大量宽带数据，从而无法实现移动电视、视频监控等宽带数据应用。WLAN、WiMAX等宽带接入技术因为延迟、VoIP效率不高等原因，无法提供可靠语音业务。这些现有的宽带接入技术都很难单独发展成一个完整、通用的城市轨道交通无线通信系统。

在稳定快速的接入基础上，同时能提供可靠语音业务和更宽的宽带数据业务就成为我们研究下一代城市轨道交通无线通信系统的目标。随着无线技术的迅速发展，这一目标的实现已经成为可能。

2 城市轨道交通下一代无线通信系统关键技术研究

实现城市轨道交通下一代无线通信系统的目标，下列关键技术是必不可少的：大容量宽带技术、语音集群通信技术、切换优化、分布式基站及载波聚合技术等。

2.1 宽带技术

新一代宽带移动通信技术以正交频分复用技术（OFDM）和多输入多输出技术（MIMO）为基础，综合了混合自动重传请求（HARQ）、自适应调制编码（AMC）、功率控制、同步技术、动态信道分配（DCA）等先进技术，而正交频分多址（OFDMA）则是在OFDM技术的基础上来实现多用户的接入。

相比其他多址方式，OFDMA具有频谱效率高、接收信号处理简单、支持灵活的宽带扩展、易于与多天线技术结合、易于与链路自适应技术结合、易于各种多媒体业务的传输等优势。所有宽带技术最终将统一于OFDMA。

OFDMA本质上仍然是一种频分复用多址接入技术，不同的用户被分配在各子载波上，通过频率的正交方式来区分用户。OFDMA可以在同一时刻针对不同子载波组上的数据采用四相相移键控（QPSK），8移相键控（8PSK），16符号的正交幅度调制（16QAM），64符号的正交幅度调制（64QAM）等不同的调制方式和一系列不同的码率，即不同的调制编码方式（MCS）。自适应调制编码技术（AMC）使系统可以根据信道状况选择不同MCS，能够改善频谱利用率和功率效率。利用这个技术，语音和数据业务的传输可以采取不同MCS，以满足不同业务的特性，如语音业务的调制，从可靠性、实时性角度选择，可使用QPSK方式，而从数据业务带宽角度选择，可使用16QAM或者64QAM调制方式。

MIMO技术是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO技术包括空间复用（SM）、空分多址（SDMA）、预编码（Precoding）、秩自适应（Rankadaptation）以及开环发射分集（STTD，主要用于控制信令的传输）。

MIMO技术将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。MIMO技术现阶段最基本的配置是下行采用双发双收的2×2天线配置，上行采用单发双收的1×2天线配置，考虑的最高要求是下行链路MIMO和天线分集支持四发四收的4×4的天线配置或者四发双收的4×2天线配置。MIMO技术已经应用在IEEE802.11n、LTE等宽带技术中，日趋成熟，并有应用方案使这项技术用于泄漏电缆。

以OFDM和MIMO为基础的宽带技术仍在不断寻求突破，在最新的4G提案TD-LTE-Advanced中，无线峰值速率指标设定为下行1Gbit/s、上行500Mbit/s。

2.2 语音集群通信技术

城市轨道交通下一代无线通信系统必须向下兼容，继承现有数字集群调度系统的所有功能，实现调度员、司机、车站值班员之间的语音通信和短数据传送，具备单呼、组呼、广播、会议、PTT话权抢占、迟后进入、动态重组、通话组扫描、优先级呼叫、强插、强拆、限时通话、端状态呈现、监听录音、禁话等功能。

为了语音与数据更好地结合，城市轨道交通下一代无线通信系统必须有服务质量（QOS）保证。按照不同业务类型，划分不同QOS等级，语音数据QOS优先级最高，然后是列控数据等高优先级数据，视频监控及电视直播等数据因为实时性不高，可划分为最低优先级。通信系统的介质访问控制层（MAC层）调度算法将优先发送语音数据，然后是高优先级数据，最后是低优先级数据。

2.3 针对轨道交通的切换优化

城市轨道交通下一代无线通信系统必须考虑切换对系统性能的影响，避免在切换过程中出现语音通信中断和数据丢失。针对地铁隧道链状覆盖的特点，在触发切换条件、搜索基站、判决目标基站等信令处理上对切换技术进行优化，避免切换时吞吐量等性能下降，减少切换时延。为了避免切换时数据丢失，切换完成之前，终端要同时与2个基站保持连接。

2.4 分布式基站

下一代无线通信系统中，分布式基站模式将得到广泛应用，此模式基站分为射频拉远模块（RRU）和基带处理单元（BBU），BBU和RRU之间通过光纤连接。一个BBU可以连接多个RRU。BBU安装在机房，RRU可布置在隧道环境中，因此，分布式基站可节约馈线损耗，有效发射功率高，可提高覆盖能力，此外，还具有节约成本、部署更灵活等优点。在不影响系统容量前提下，一个BBU要连接尽量多的RRU，以减少列车运行时切换次数和节约建设成本。

2.5 载波聚合技术

随着各种无线系统的发展，频谱资源短缺越来越严重，在适合无线通信系统的频率资源中，已经很难找到未分配大块带宽。载波聚合技术是4G提案（LTE-Advanced）中定义的目标，此技术是将多个成员载波连接起来，提供更大的传输带宽，其中的成员载波可以是频率连续的，也可以是非连续的。在城市轨道交通下一代无线通信系统中，可利用此技术，将城市轨道交通中可用的不同频段聚合在一起，为系统提供更大带宽。

3 系统解决方案及其社会经济效益

以往的城市轨道交通通信建设中，无线调度通信、列控车-地通信、数字调度、应急通信、区间工务、公安、公众移动通信都互相独立，各成一体，都建立自己的系统，重复建设，造成频率资源和资金的浪费。

城市轨道交通下一代无线通信系统是以最新无线技术为基础集成多种制式的统一的多通道综合通信平台，综合通信平台基于IP技术，兼容TETRA系统以实现集群调度功能，兼容2G/3G以实现公众通信需求，最新的4G技术可为专业用户提供更宽的数据带宽。城市轨道交通下一代无线通信系统应能在稳定、可靠地兼容现有无线通信系统（TETRA等）各种功能基础上，提供大容量、高可靠的数据通信，实现乘客信息服务（如电视直播、导乘信息服务、紧急预警）、列控数据传输、机车实时数据传输、视频监控等应用,从而满足人们日益增长的在出行过程中娱乐、信息及安全的需要。

城市轨道交通下一代无线通信系统将多种无线制式统一成一个平台，有利于整合无线资源，提高频谱效率，更有利于避免系统间干扰。从工程建设上看，基站数量减少，漏缆不必重复敷设，从而可以减少设备投资，降低施工成本。下一代城市轨道交通无线通信系统涵盖不同部门的各种应用，系统设备得到简化，从而节省后期维护费用。城市轨道交通下一代无线通信系统可实现更宽的数据应用，列控信息、列车实时数据的可靠传输能为安全运营提供进一步保障；实时视频监控的传输更能反映时代对反恐要求；视频媒体投放、旅客导乘、旅行向导、在线点播等业务，通过市场化运作，可实现可观的经济效益。

4 结束语

城市轨道交通无线通信发展如果能在稳定、可靠地实现传统语音调度基础上，提供更宽的数据通信，实现列控信息可靠传输、电视直播、乘客信息服务，视频监控等宽带应用，将极大节约频谱资源，简化系统设备。以最新无线技术为基础，兼容现有城市轨道交通无线通信技术的多通道综合通信平台，将是城市轨道交通下一代无线通信系统的发展目标。

参考文献

[1]王映民孙绍辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010