軌道交通通信系統(tǒng)中覆蓋及干擾共存的研究

徐學(xué)彥

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401121）

0 引 言

從世界發(fā)展情況來看，在城市公共運(yùn)輸工具中，有軌交通工具早已成為重要構(gòu)成成分。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界各大城市都將軌道交通作為改變城市交通擁堵情況的重要工具之一，因?yàn)槠鋵τ谝?guī)劃城市交通發(fā)展、優(yōu)化交通運(yùn)輸有重要幫助，也能為城市快速發(fā)展提供重要保障。我國各大城市的軌道交通運(yùn)輸也在快速發(fā)展和進(jìn)步，但許多軌道交通建設(shè)項(xiàng)目在發(fā)展的過程中遇到了一定的阻礙。當(dāng)前，我國軌道交通通信系統(tǒng)建設(shè)就沒有統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收程序，再加上不同城市和地區(qū)對于城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展訴求存在差異，因此，在運(yùn)用通信技術(shù)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)自身城市交通需求進(jìn)行改變。在城市軌道交通運(yùn)營模塊中，軌道交通通信系統(tǒng)是重要構(gòu)成成分，但是我國在軌道交通方面的起步較晚、技術(shù)較差，在運(yùn)用通信系統(tǒng)時(shí)缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和長期的探索，因此在建立軌道交通通信系統(tǒng)時(shí)存在部分影響交通運(yùn)輸發(fā)展的問題亟待解決[1]。

1 城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀分析

在人類文明歷史上，軌道交通的發(fā)明其實(shí)很早，它在城市交通中早已成為交通運(yùn)輸?shù)囊徊糠?，為城市人員流動(dòng)提供助力。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，城市軌道交通已經(jīng)成為改善城市交通、緩解市民日常出行壓力的重要交通方式。作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城市軌道交通也能反映出各大城市的現(xiàn)代化發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力[2]。

1.1 國外城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)以來，世界各地的交通出行方式發(fā)生了快速且巨大的變化，而城市軌道交通正是其中占據(jù)重要地位的一項(xiàng)，它對于世界各大城市的人員流動(dòng)、交通疏解等提供了積極作用。從國外城市軌道交通發(fā)展來看，自英國第一次工業(yè)革命后，就已建成了歷史上第一條地下軌道交通，該軌道交通也是第一次使用蒸汽式發(fā)動(dòng)機(jī)，直到19世紀(jì)90年代改用電力式動(dòng)力汽車。然而，在軌道交通發(fā)展初期，其整體發(fā)展速度非常緩慢。到了20個(gè)世紀(jì)50年代，世界各地對于城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展有了重視，當(dāng)時(shí)已有20個(gè)城市投入并建成了輕軌、地鐵等交通工具。此后，隨著世界人口的急劇增加，城市交通壓力越來越大，澳洲、歐美等發(fā)達(dá)國家開始看重城市軌道交通運(yùn)輸工具的發(fā)展?jié)摿?，開始建設(shè)城市軌道交通事業(yè)。從那以后，國外城市軌道交通迎來了嶄新的局面。

1.2 國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀

我國對于城市軌道交通的發(fā)展起步較晚。自20世紀(jì)70年代以來，我國對于城市軌道交通建設(shè)才有了初步的發(fā)展和摸索，并在此過程中順利建成第一條城市軌道交通線路并投入使用。我國在城市軌道交通發(fā)展方面主要經(jīng)歷了兩個(gè)重要時(shí)期，即起步時(shí)期和探索時(shí)期。在起步時(shí)期，首都地鐵從最初的設(shè)計(jì)方案到完全竣工總共花費(fèi)了11年，全長54 km，這對于我國城市軌道交通發(fā)展來講有著至關(guān)重要的作用，奠定了城市軌道交通在我國全面發(fā)展的重要基礎(chǔ)。到了探索時(shí)期，我國重視市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展，重視全面深化改革和改革開放，國內(nèi)各大城市也重視經(jīng)濟(jì)體制改革與協(xié)調(diào)發(fā)展，希望加快城市化建設(shè)速度，打通城市道路交通阻礙。當(dāng)時(shí)北上廣深等超一線城市已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，為其他一線城市的城市軌道交通建設(shè)打下了良好的先決條件，使得我國城市軌道交通行業(yè)有了蓬勃的發(fā)展[3]。

2 軌道交通CBTC通信網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)概述

2.1 軌道交通CBTC系統(tǒng)

軌道交通CBTC系統(tǒng)是根據(jù)通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)完成軌道交通的自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)保護(hù)以及自動(dòng)監(jiān)控等功能，軌道交通能否穩(wěn)定、安全的運(yùn)營與軌道交通CBTC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。隨著近年來我國軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國軌道交通中運(yùn)用CBTC系統(tǒng)的頻率也在大幅增加。這是由于CBTC系統(tǒng)具備傳輸效率快、運(yùn)輸成本低、簡單操作、傳輸信息量大等特點(diǎn)。同時(shí)，軌道交通CBTC系統(tǒng)可以確保2.4 GHz的工作時(shí)段完成雙向通行，達(dá)到良好信息交接，因此軌道交通中大量使用軌道交通CBTC系統(tǒng)。

2.2 移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)

我國軌道交通線路網(wǎng)中已經(jīng)普遍利用了移動(dòng)Wi-Fi信號(hào)系統(tǒng)來進(jìn)行無線信號(hào)傳輸。這是因?yàn)橐苿?dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)的無線信號(hào)傳輸效果較為良好，能夠確保軌道交通通信始終保持通暢。當(dāng)前，部分軌道交通中會(huì)利用4G通信來代替移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)，4G通信也能達(dá)到良好的通信效果。

3 干擾原理

移動(dòng)通信的載體是無線電波，在進(jìn)行無線信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，通信過程也會(huì)受到許多方面的干擾和影響。在無線電波干擾形式中，比較常見的幾類干擾包括互調(diào)干擾、鄰頻干擾、阻塞干擾、帶外干擾及同頻干擾等。此外，軌道交通的通信也會(huì)受到軌道交通現(xiàn)場環(huán)境的影響。

4 軌道交通場景下的通信性能探討

對于軌道交通的通信，不論是移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)、CBTC通信系統(tǒng)還是軌道交通現(xiàn)場環(huán)境，都會(huì)對其造成不同程度的影響。本文主要研究了移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)和CBTC通信系統(tǒng)對其產(chǎn)生的干擾影響。

4.1 系統(tǒng)模型

軌道交通CBTC通信系統(tǒng)主要由兩條無線鏈路構(gòu)成，分別包括軌道旁AP至列車上車載天線的下行鏈路以及列車上車載天線VA至軌道旁AP的上行鏈路。但是移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)的頻率一般保持在2.4 GHz，因此與CBTC通信系統(tǒng)存在同頻干擾。在城市軌道交通中，若移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的使用人數(shù)大量增加，則會(huì)導(dǎo)致許多的信號(hào)鏈路，這對軌道交通的CBTC通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了不利影響。此外，若軌道交通中的移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)與CBTC通信系統(tǒng)采用同一信道進(jìn)行信號(hào)傳輸，則會(huì)存在互相競爭這一信道的情況，從而影響CBTC通信系統(tǒng)的安全通信，給軌道交通的安全運(yùn)行造成危害。

根據(jù)這一情況利用隨機(jī)的方式對實(shí)際車廂內(nèi)用戶的分布進(jìn)行模擬，并根據(jù)這一模型還原出車廂內(nèi)部Wi-Fi通信系統(tǒng)的傳播模型，包括車廂內(nèi)Wi-Fi信號(hào)系統(tǒng)傳播模型、車廂至隧道的Wi-Fi通信系統(tǒng)傳播模型以及隧道內(nèi)Wi-Fi通信系統(tǒng)傳播模型。按照特定的求解公式，計(jì)算出CBTC通信系統(tǒng)下行鏈路的各大結(jié)論。

4.2 理論推導(dǎo)

在Wi-Fi信號(hào)中，利用特殊的MIiFi設(shè)備進(jìn)行替代可以讓該設(shè)備在性能和吞吐量方面與Wi-Fi類似，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對車廂內(nèi)Wi-Fi通信系統(tǒng)設(shè)備與CBTC通信系統(tǒng)的干擾共存場景的計(jì)算，也能研究計(jì)算軌道交通CBTC通信系統(tǒng)受Wi-Fi通信系統(tǒng)干擾的吞吐量。

有一類操作簡單且可行性強(qiáng)的抗干擾DCF算法，可以有效解決移動(dòng)Wi-Fi通信系統(tǒng)和CBTC通信系統(tǒng)之間的干擾問題。這一類DCF算法主要就是利用改變DCF協(xié)議來提升CBTC通信系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)概率的方式，從而實(shí)現(xiàn)減少干擾影響的效果。

4.3 仿真效果

根據(jù)所使用的抗干擾DCF算法，為了對比理論推導(dǎo)完成DCF算法的仿真，可以假設(shè)Wi-Fi通信系統(tǒng)設(shè)備模型為255 byte、1 023 byte、4 095 byte三種不同數(shù)據(jù)幀長度業(yè)務(wù)。其中需要重視的是必須考慮仿真過程中VA平均數(shù)據(jù)包時(shí)延和傳輸失敗率的變化范圍。因此，可以得到車廂內(nèi)的Wi-Fi通信系統(tǒng)設(shè)備在相應(yīng)環(huán)境下進(jìn)行使用，有可能會(huì)導(dǎo)致軌道交通停止，而抗干擾DCF算法則正好能夠降低這一問題給軌道交通帶來的嚴(yán)重后果。

5 我國城市軌道交通通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加重視低碳環(huán)保和節(jié)能，因此城市軌道交通也會(huì)更加重視向低碳環(huán)保的趨勢發(fā)展。由于我國各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異和地理影響，城市軌道交通通信系統(tǒng)的建設(shè)要求也會(huì)有所區(qū)別，但總體的發(fā)展趨勢還是存在許多共同點(diǎn)。

5.1 前提評估標(biāo)準(zhǔn)能保障軌道交通的安全性

在軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行管理評估時(shí)，會(huì)常常使用RAMS標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對整體城市軌道交通通信系統(tǒng)的建設(shè)管理進(jìn)行操作，減少系統(tǒng)中存在故障和發(fā)生故障的概率，讓整個(gè)通信系統(tǒng)長期處于安全可靠的狀態(tài)。

5.2 將會(huì)普遍使用數(shù)字集群通信系統(tǒng)TETRA

數(shù)字集群通信系統(tǒng)TETRA在經(jīng)過探討和發(fā)展后，能夠?qū)崿F(xiàn)在軌道交通通信系統(tǒng)中指揮得當(dāng)、調(diào)度有序。該技術(shù)在我國已經(jīng)相對成熟，是我國城市軌道交通使用的重要技術(shù)之一，它能為軌道交通通信系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、高效的服務(wù)，也能有效減少運(yùn)營成本。在今后的城市軌道交通發(fā)展過程中，該技術(shù)仍舊會(huì)被普遍使用。

5.3 提供更具人性化的服務(wù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高。城市軌道交通系統(tǒng)作為城市公共基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品，在滿足廣大居民出行需求的同時(shí)，也要重視優(yōu)化城市軌道交通通信系統(tǒng)的便捷性和舒適性。當(dāng)前，多數(shù)城市軌道交通系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、安全監(jiān)控和乘客身份信息識(shí)別系統(tǒng)等，為人們的軌道交通安全運(yùn)行提供更加人性化的服務(wù)。在今后的發(fā)展過程中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人像采集、廣播系統(tǒng)等也會(huì)被充分使用，從而幫助乘客獲得更好的出行體驗(yàn)，全力提升城市軌道交通的綜合服務(wù)質(zhì)量，為城市居民出行創(chuàng)造良好的交通環(huán)境。

6 結(jié) 論

由于我國城市軌道交通發(fā)展起步較晚，城市軌道交通建設(shè)更加刻不容緩。在建設(shè)城市軌道交通時(shí)，需重視引進(jìn)國外超前的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和科技方式，以加快我國城市軌道交通發(fā)展，滿足居民日常生活出行要求。