城市軌道交通無線通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

宋建賓

(中鐵建電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 高碑店 074000)

1 無線通信概述

1.1 無線通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

假若想要從本質(zhì)上解決通信系統(tǒng)干擾問題，就應(yīng)該先妥善地處理通信系統(tǒng)運(yùn)行過程中所暴露出來的各種問題。通常情況下，在實(shí)踐過程中都是借助以下方法來判斷通信系統(tǒng)的整體性能。

1)理論層面的研究分析，可以獲取到相關(guān)算法與具體的表達(dá)式。這種方法的精準(zhǔn)性相對(duì)較高，在實(shí)踐過程中的使用頻率比較高。但是其也存在自身的局限性，即無法適用于環(huán)境惡劣的場(chǎng)景中。

2)利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，這種方法的操作性不強(qiáng)，可以真實(shí)形象地模擬出通信系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而且能夠降低通信系統(tǒng)性能檢測(cè)的成本，這種方法的缺陷是需要的比較長(zhǎng)的時(shí)間，無法在多個(gè)場(chǎng)景內(nèi)迅速切換。

3)利用硬件設(shè)置進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合所獲取到的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。這種方法的優(yōu)勢(shì)主要是快捷、精準(zhǔn)，但是成本比較高。

1.2 WLAN技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)況

圖1為WLAN頻道劃分和頻帶寬度分布圖。

圖1 WLAN頻道劃分和頻帶寬度分布圖

WLAN技術(shù)是指以無線信號(hào)通道作為通信截至的居于網(wǎng)絡(luò)，這種技術(shù)屬于是一種先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)與無線通信技術(shù)的衍生物，可以不受時(shí)間、空間的限制，隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)通信。WLAN網(wǎng)絡(luò)連接方便、安裝簡(jiǎn)單、可以隨意移動(dòng)，還能夠進(jìn)行拓展，所以受到社會(huì)大眾的廣泛好評(píng)，在社會(huì)中獲得了廣泛的運(yùn)用。

現(xiàn)階段，我國(guó)所開放的2.4 GHz頻段(劃分如表1所示)屬于不需要向有關(guān)部門申請(qǐng)就可以直接搭建使用的頻段，這種頻段的帶寬為83.5 MHz，總計(jì)由14個(gè)頻點(diǎn)，WLAN的頻道及帶寬的具體情況可以參照?qǐng)D1中信息所示。

表1 2.4 GHz頻率劃分

2 無線通信系統(tǒng)的干擾源

2.1 內(nèi)部干擾

在對(duì)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該提升通信系統(tǒng)的最大容量、提升頻率的利用率，使用復(fù)用技術(shù)覆蓋一定范圍內(nèi)的區(qū)域，假若多個(gè)小區(qū)使用同一個(gè)頻率，則可以將其稱為同頻小區(qū)，那么相同頻率小區(qū)之間產(chǎn)生的干擾，就叫做同頻干擾。同頻干擾的大小程度主要是與小區(qū)之間的間隔距離存在關(guān)聯(lián)性。當(dāng)小區(qū)之間的距離越小時(shí)，那么同頻干擾則就越大，相應(yīng)的頻率的利用率則就越高。

鄰頻干擾主要是指相鄰頻率之間所造成的干擾，通常情況下，信號(hào)通道的頻率間隔都不是很大，這樣設(shè)計(jì)可以提高頻率的利用率。例如，城市交通專用頻段1.8 GHz，其與民用頻段緊緊相連，所以二者之間非常容易出現(xiàn)干擾，進(jìn)而導(dǎo)致城市軌道交通通信運(yùn)行受到一定的影響。

2.2 外部干擾

當(dāng)?shù)罔F在運(yùn)行的過程中，通信信號(hào)會(huì)不斷地在墻壁、地鐵表面進(jìn)行反射，同時(shí)電磁波也會(huì)通過各種路徑接受各種不同的通信信息，那么就會(huì)形成多路徑干擾。此外，假若手持型路由器的數(shù)量比較多時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致同頻干擾現(xiàn)象出現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際情況而言，這種現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，究其原因，主要是因?yàn)榈罔F運(yùn)行過程中，CBTC通信系統(tǒng)會(huì)受到外界因素的干擾，這種干擾性會(huì)導(dǎo)致地鐵緊急制動(dòng)，那么地鐵在就無法正常地運(yùn)行。

3 無線通信系統(tǒng)干擾的解決辦法

3.1 使用波導(dǎo)管

波導(dǎo)管屬于是一種傳輸效果非常高的非金屬類型的導(dǎo)管。目前，使用頻率比較高的波導(dǎo)管有：圓形波導(dǎo)管、矩形波導(dǎo)管。波動(dòng)管的內(nèi)徑尺寸是要是由傳輸信號(hào)決定的。進(jìn)一步的，波導(dǎo)管可以細(xì)分為兩種類型：常規(guī)性的波導(dǎo)管或是裂縫波導(dǎo)管，結(jié)合波導(dǎo)管的實(shí)際使用范圍、安裝部位合理進(jìn)行選擇?，F(xiàn)階段，城市交通通信系統(tǒng)中基本上都是使用CBTC系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以有效地保證地鐵正常的運(yùn)行，同時(shí)還能夠保障乘客的人身安全，該系統(tǒng)自身的抗干擾性能非常強(qiáng)大。

3.2 同頻干擾控制

在現(xiàn)代化城市軌道交通系統(tǒng)中，CBTC系統(tǒng)是最基礎(chǔ)性的信號(hào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)的無線通信技術(shù)使用的是2.4 GHz無線頻段，這種設(shè)計(jì)方式會(huì)導(dǎo)致頻段工作的通信系統(tǒng)與通信設(shè)備對(duì)CBTC系統(tǒng)造成一定的干擾。

為了妥善解決這一問題，深圳交通管理處特地申請(qǐng)了一個(gè)專用頻段。新頻段的使用必須要慎重，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行深入的研究分析。從實(shí)際情況而言，專用頻段使用的案例比較少，社會(huì)中的供應(yīng)商數(shù)量有限，且后續(xù)的維護(hù)成本非常高，新頻段申請(qǐng)的流程較為繁瑣，還需要對(duì)地鐵及通信信息頻繁地進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試合格以后才能夠投入使用，這期間需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的周期。相同站臺(tái)更換乘車站，物理空間開放的程度比較高，可以直接在通信系統(tǒng)的頻段內(nèi)進(jìn)行合理的細(xì)分，但是假若基于不同的線路，則可能會(huì)導(dǎo)致電纜泄露、干擾、電磁波外泄等問題出現(xiàn)。

擴(kuò)頻技術(shù)也可以有效地解決通信系統(tǒng)受干擾問題。通信系統(tǒng)在發(fā)送通信信號(hào)時(shí)，頻率的帶寬必然會(huì)大于最小帶寬，且信號(hào)發(fā)射端口還會(huì)對(duì)編碼進(jìn)行調(diào)制，促使接收端口可以接收到信號(hào)，簡(jiǎn)單而言就是針對(duì)于不同的通信系統(tǒng)編制不同的擴(kuò)頻編碼，可以有效地避免干擾現(xiàn)象出現(xiàn)。常用的擴(kuò)頻方法主要是有兩種，即調(diào)頻擴(kuò)頻與直序擴(kuò)頻。本文對(duì)這兩種擴(kuò)頻方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

跳頻擴(kuò)頻(FHSS)，這種擴(kuò)頻方法是利用移頻鍵控進(jìn)行調(diào)制，促使頻率實(shí)現(xiàn)跳頻。舉例說明：CBTC通信系統(tǒng)中，跳頻擴(kuò)頻會(huì)將頻段劃分為79個(gè)信號(hào)通道，每一個(gè)信號(hào)通道的帶寬控制在1MHz，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)同時(shí)發(fā)送信號(hào)，但是為了確保信號(hào)接收端與發(fā)送端的信號(hào)通信順序的合理性，兩個(gè)端口應(yīng)該使用相同的PN頻碼，跳頻擴(kuò)頻之所以能夠獲得廣泛的運(yùn)用，主要是因?yàn)槠渥陨砭邆鋸?qiáng)大的抗干擾能力。由于適用于2.4 GHz頻段的通信系統(tǒng)數(shù)量龐大，導(dǎo)致電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，載波頻率的序列種類不斷的增多，可以有效地降低城市交通通信系統(tǒng)對(duì)其他通信信息的干擾性[1]。

直序擴(kuò)頻(DSSS)，這種擴(kuò)頻技術(shù)是借助擴(kuò)頻序列擴(kuò)展發(fā)射端口的頻譜，當(dāng)通信信號(hào)經(jīng)過發(fā)射端口的擴(kuò)頻處理以后，信號(hào)的頻譜會(huì)被擴(kuò)展，結(jié)合香農(nóng)原理來看，由于信號(hào)的容量是穩(wěn)定不變的，當(dāng)帶寬越寬時(shí)，那么系統(tǒng)的信噪比就會(huì)越低，這就意味著信號(hào)可以直接混合在噪聲內(nèi)，利用低信噪比完成信號(hào)輸送，同時(shí)也不會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)造成影響。

3.3 解決多徑干擾

在現(xiàn)代化社會(huì)中，通信技術(shù)不斷的發(fā)展，為滿足社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的需求，各種通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。正交分頻復(fù)用(OFDM)可以妥善的處理多路徑干擾問題，且效果非常的顯著。這種處理方法的技術(shù)原理是將一個(gè)常規(guī)性的信號(hào)通道細(xì)分為多個(gè)不同的子信號(hào)通道，相應(yīng)的串行的數(shù)據(jù)也會(huì)自動(dòng)被細(xì)分為多個(gè)并行的子數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)由原本的高速傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俨⑿袀鬏??？紤]到OFDM內(nèi)存在符號(hào)間干擾問題，所以應(yīng)該將OFDM內(nèi)的符號(hào)尾部進(jìn)行復(fù)制，粘貼至符號(hào)的前端，可以將其稱之為前綴循環(huán)。

3.4 申請(qǐng)地鐵信號(hào)車—地?zé)o線通信專用頻段

申請(qǐng)一個(gè)新的頻點(diǎn)替換掉原本的頻段，這需要先對(duì)新頻段進(jìn)行深入的調(diào)研，此外還應(yīng)該對(duì)CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行研究分析，結(jié)合研究分析的結(jié)果做出客觀的評(píng)價(jià)，在這個(gè)過程中應(yīng)該著重的關(guān)注以下問題。

1)毫無疑問，CBTC的需求量根本就無法與電信、移動(dòng)大型運(yùn)營(yíng)商相媲美，在這種背景下，行業(yè)的通信供應(yīng)商并不是很樂意為CBTC系統(tǒng)提供服務(wù)，即使是在未來的發(fā)展過程中，CBTC系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中也必然會(huì)面料諸多的局面下，其中，成本偏高這一點(diǎn)是毋庸置疑的。

2)CBTC對(duì)于專業(yè)性技術(shù)有較高的要求，且后期維護(hù)的難度比較大，假若與之相匹配的供應(yīng)商停止生產(chǎn)構(gòu)配件，替代品的尋找難度比較大，那么整個(gè)通信系統(tǒng)就需要重新進(jìn)行部署。

3)新頻段是否能夠有效地兼容CBTC系統(tǒng)，這必然需要進(jìn)行大量的測(cè)試進(jìn)行確定。

4)新頻段申請(qǐng)流程非常的繁瑣，在時(shí)間方面存在一定的模糊性。

5)專用頻段需要承擔(dān)高昂的授權(quán)費(fèi)用，且后期的維護(hù)成本也會(huì)大幅度提升。

4 結(jié) 語

毫無疑問，近年來我國(guó)的移動(dòng)通訊技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，但是社會(huì)環(huán)境變化多端，通信系統(tǒng)所發(fā)出的信號(hào)所受到的干擾也在不斷地發(fā)生變化，所以相關(guān)研究人員應(yīng)該加大對(duì)此方面的研究力度，對(duì)傳統(tǒng)型通信技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，強(qiáng)化信號(hào)的抗干擾能力，為城市交通通信系統(tǒng)正常運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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