去蜂窝大规模多天线系统在城市轨道交通中的应用分析

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研究背景与意义

随着国内城市轨道交通体系的日益成熟，城市轨道交通急剧增长的客流量和用户体验使得各城市轨道交通的通信系统承受了巨大的压力。一方面，随着手机APP的发展，不论高铁、地铁、汽车、飞机等出行方式，其中线路查询、地图导航、网上购票、购票APP扫码进站等众多乘车方式都需要通过网络实现，尤其是早晚高峰期或者假期时间，由于乘客数量剧增，通信系统的终端接入数量也迅速增加，通信系统的压力巨大，此时如果发生网络延迟，则会耽误大家的出行时间，影响出行计划，还可能引发人流拥堵问题，造成安全问题。另一方面，随着抖音、快手等娱乐短视频软件的盛行，人们在出行时的等候时间里更喜欢利用直播、视频等方式进行社交活动，视频、直播等通信方式对带宽要求比较高，否则会影响候车体验，而且对通信系统的实时性更有要求，为此，保持用户海量接入、低时延、高可靠的通信系统就成为解决问题的关键。在这样的场景下，去蜂窝大规模MIMO系统作为5G的关键技术之一成为解决通信系统问题的关键。

1 去蜂窝大规模MIMO系统架构

2017年，瑞典林雪平大学的 Erik G.Larsson 教授和美国纽约大学的Thomas L.Marzetta 教授共同提出了去蜂窝大规模MIMO系统，其凭借着巨大的潜力优势成为第五代移动通信网络（5G）通信系统的关键技术之一。如图1所示，去蜂窝大规模MIMO系统在分布式大规模MIMO系统的基础上，取消了大规模MIMO系统的小区的界限，在较大范围的通信区域内部署了众多的接入点（Access Point,AP），每个接入点都装有一根或者多根天线，接入点与接入点之间相互协作并通过回传链路将数据传输到中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)，系统采用TDD操作模式以实现通过相同的时频资源来为用户服务。

图1 去蜂窝大规模MIMO系统网络架构

去蜂窝大规模MIMO系统结合了分布式大规模MIMO系统和集中式大规模MIMO系统的优点，采用了“以用户为中心”的原则，由于通信范围内接入点数目众多，则减少了接入点与用户间的平均距离，路径损耗也大幅度降低，多用户干扰也显著减少，从而使通信区域覆盖更为均匀，解决了小区边缘用户信号质量差的问题，用户体验大幅度提升[1]。而且，通过接入点与接入点之间相互协作，空间分集和复用增益显著增强，系统频谱效率也显著提高。另外，接入点安装一根或多根天线，由于天线尺寸很小，可以安装在候车厅的柱子顶端、吊顶等空间受限的地方，具有部署灵活、环境适应性强等特点。2019年世界移动通信大会上爱立信展示了世界上首个去蜂窝大规模MIMO 原型机:胶带基站(radio stripe)[2]，受到国内外研究学者的广泛关注。

为此，去蜂窝大规模MIMO系统不仅具有大规模MIMO系统高容量、低时延等特点，而且消除了小区边缘用户质量差的问题，提供的用户服务质量更为均衡、稳定；再者，由于无蜂窝大规模MIMO系统取消了小区的限制，则用户在候车厅处活动时也不需要频繁的进行小区切换，节省了珍贵的无线信令资源。正是由于这些优势，去蜂窝大规模 MIMO系统十分适用于地铁站、火车站和高铁车站等人员密集型场所，被认为是未来移动通信系统中很有潜力优势的研究方向之一。

2 去蜂窝大规模MIMO系统在城市轨道交通中的应用场景及优势

2.1 大量用户海量连接场景

在地铁站、高铁站、火车站等人员密集性场所，尤其在早高峰或者假期时间，乘客数量剧增，手机等终端设备接入需求量大，对城市轨道交通的通信系统提出了海量接入的要求。在该场景下，去蜂窝大规模MIMO系统通过在站厅的吊顶或者立柱上方部署数目众多的天线以实现通信范围内的网络覆盖，增强了通信范围内信号的均衡性，解决了通信范围边缘用户信号质量差的问题，用户可以就近与附近的天线实现接入组网，避免因为距离天线太远造成接入困难的问题，从而满足海量接入的场景要求，进而缓解通信系统的巨大压力。

2.2 低时延高可靠场景

在使用手机扫码进站或者使用人脸识别、身份证识别乘车时，对信息交互的实时性提出了高要求。另外，当地铁在轨道行车区运行时，由于列车运行速度较快，而且列车行车间隔较短，如果车地信息交互存在时延则会导致车地设备信息不同步的问题，影响信息交互的实时性，严重时可能会影响行车安全性。在该场景下，去蜂窝大规模MIMO系统通过在轨道行车区顶部安装数目众多的天线，通过天线与天线之间相互协作，空间分集和复用增益明显提高，从而轨道行车区的网络覆盖的均衡性显著增强，系统的频谱效率也显著提高，进而保障了车底通信的实时性。

3 结束语

去蜂窝大规模MIMO系统凭借网络覆盖均衡、频谱效率高等显著优势成为5G通信网络的关键技术之一，增强了城市轨道交通通信系统的用户接入能力和通信可靠性，也为国内城市轨道交通的建设提供了新思路。