城市軌道交通視域下無線通信系統(tǒng)抗干擾技術研究

馬燕妮

陜西交通職業(yè)技術學院，陜西 西安 710018

0 引言

隨著城市化步伐逐漸加快，城市人口急劇增長，為了緩解龐大人口帶來的出行壓力，許多城市開始大量建設城市軌道交通，進一步豐富城市公共交通體系，為人們帶來更加便捷、迅速的出行體驗[1]。在城市軌道交通建設中，通信系統(tǒng)是十分重要的一部分。由于無線通信在其有限的傳播空間中不需要借助物理線路，憑借建設成本較低、可拓展性更強等優(yōu)勢，獲得了廣泛的應用。城市軌道交通系統(tǒng)中的無線通信設備會因為列車的移動而受到附近環(huán)境的影響，同時車體與軌道通常都是密集的鋼結構、一些車段被大型設備所阻擋、列車啟動瞬間的電壓、附近其他同頻無線網(wǎng)絡的干擾等均會對無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生較大干擾，影響到城市軌道交通系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行[2]。為了有效避免這些問題的產(chǎn)生，本文重點闡述了無線通信的內涵，指出了無線通信的主要干擾源，提出了無線通信系統(tǒng)抗干擾的關鍵技術，為推進城市軌道交通無線通信系統(tǒng)進一步發(fā)展提供幫助。

1 無線通信概述

1.1 無線通信系統(tǒng)抗干擾技術

為了能夠有效解決無線通信系統(tǒng)運行過程中的干擾問題，必須要對其進行深入的分析與探究，找出切實可行的方法，逐步彌補無線通信系統(tǒng)中的不足[3]。一般來說，在實際開展工作過程中通常是依托于下列幾種方法來衡量通信系統(tǒng)的綜合性能。

（1）從理論層面進行探討與分析，能夠得到有關算法以及密切相關的表達式。該方法擁有良好的精準性，也是當下應用范圍較廣、應用頻率較高的方法[4]。然而這種方法也存在較大的局限性，即對應用環(huán)境的要求較高，不能很好地適應一些環(huán)境較為惡劣的場景。

（2）借助于計算機仿真軟件對系統(tǒng)進行模擬分析，該方法的操作性較弱，能夠生動形象地構建出通信系統(tǒng)的運行狀態(tài)，與此同時還可以有效縮減通信系統(tǒng)性能檢測的費用支出。然而這種方法也存在較大的局限性，即計算機模擬過程需要消耗較多的時間，并且只能夠針對某個單一場景進行模擬，不能夠在多個場景中快速切換[5]。

（3）通過硬件設施對通信信號進行檢測，根據(jù)收集到的各項數(shù)據(jù)開展系統(tǒng)綜合性能探究。該檢測方法擁有良好的精準性，并且檢測效率較高，然而檢測費用也相對較高。

1.2 WLAN技術應用現(xiàn)況

WLAN技術表示的是將無線信號通道當成通信介質的局域網(wǎng)絡，該技術是在現(xiàn)代科學技術水平支持下產(chǎn)生的一種新興技術，是計算機應用技術和無線通信技術相互結合的產(chǎn)物，其數(shù)據(jù)信息傳輸過程不再受到時間與空間的約束，能夠在任意時間與任意地點進行通信[6]。WLAN網(wǎng)絡連接十分便捷、易安裝、能夠任意移動，并且還擁有良好的擴展性能，受到了社會大眾的普遍喜愛，也因此在社會中獲得了大范圍的使用。

當下，我國向外開放的2.4GHz頻段（見表1）是不屬于相關政府部門管轄范圍內的，人們可以根據(jù)需要自由搭建使用，無需向有關單位提出申請。該頻段的帶寬為83.5MHz，總共包含了14個頻點。

表1 我國2.4GHz頻率劃分

2 無線通信系統(tǒng)的干擾源

現(xiàn)階段，無線通信技術在許多行業(yè)領域都有十分廣泛的應用。然而，城市軌道交通無線通信系統(tǒng)實際面對的電磁環(huán)境較為繁瑣，其中可能會對無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的因素也是多種多樣，總的來說可以將這些影響因素整合為系統(tǒng)內部干擾源與系統(tǒng)外部干擾源兩大部分，具體如下。

2.1 無線通信系統(tǒng)內部干擾源

正常來說，城市軌道無線通信系統(tǒng)中往往涵蓋了較多不同類型的無線通信系統(tǒng)，如果這些不同的通信系統(tǒng)之間產(chǎn)生干擾，則極易出現(xiàn)同頻、鄰頻等干擾現(xiàn)象[7]。

在實際進行無線通信技術開發(fā)設計的過程中，為了有效改善頻率的利用率，并提高系統(tǒng)容量，一般會將頻率復用技術引入其中，通過該技術可以使某個覆蓋環(huán)境內出現(xiàn)多個相同頻率的區(qū)域，也就是同頻區(qū)域，當相同頻率的兩個及兩個以上區(qū)域出現(xiàn)干擾問題時，就稱之為同頻干擾。同頻干擾的強度高低和同頻區(qū)域之間的間隔距離密切相關，一般來說，同頻干擾強度會隨著間隔距離的縮小而增強，即兩者呈現(xiàn)反比關系。然而，需要注意的是，盡管同頻區(qū)域之間的距離越近，兩者產(chǎn)生同頻干擾的強度越高，但是隨著間隔距離的縮小，會使得頻率利用率不斷提高。因此，在進行無線通信系統(tǒng)頻率分配時，既需要避免出現(xiàn)同頻干擾，也要盡可能地提高頻率利用率，確保兩者能夠達到平衡狀態(tài)。

鄰頻干擾表示的是相鄰兩個頻率之間出現(xiàn)干擾，通常情況下相鄰兩個信道設定的頻率較為相近，以此來提高頻率的利用率。比如，城市軌道交通專用的無線通信頻段是1.8GHz，這和民用通信頻段間隔較小，容易導致民用通信頻段對軌道交通無線通信產(chǎn)生干擾，從而對軌道交通平時運行產(chǎn)生較大影響[8]。

2.2 無線通信系統(tǒng)外部干擾源

當列車行駛到隧道區(qū)域時，無線信號會因為列車車廂、隧道內部等影響而發(fā)生多次的反射，電磁波不同分量基于各種路徑到達接收端的時間存在明顯差異，從而出現(xiàn)干擾，一般將這種情況下的干擾稱之為多徑干擾。另外，隨著現(xiàn)代手持路由器的快速發(fā)展，當同一時間某個區(qū)域同時出現(xiàn)多位攜帶手持路由器的乘客，并會對無線通信產(chǎn)生同頻干擾。該問題在當下時有發(fā)生，究其根本是列車CBTC車地無線通信系統(tǒng)受到了外界的干擾，對列車緊急制動系統(tǒng)產(chǎn)生影響，容易引發(fā)列車延時等現(xiàn)象，不僅浪費了廣大乘客的寶貴時間，同時也會對該線路其他列車運行產(chǎn)生較大影響?，F(xiàn)階段，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電子化產(chǎn)品種類越來越多，出現(xiàn)了許多大功率的路由器、藍牙等，這些設備產(chǎn)生的無線信號同樣也會對城市軌道交通無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。

3 城市軌道交通無線通信系統(tǒng)主要抗干擾技術

3.1 運用波導管

波導管是一個專門用于超高頻電磁波傳輸?shù)膶Ч?，為了確保信號正常傳輸，要求該導管的內部光滑，既可以是空心的金屬管，也可以是內部鑲嵌金屬的非金屬管，目前市面上使用較為普遍的波導管是矩形波導管以及圓形波導管，波導管內部直徑尺寸一般取決于需要傳輸信號的波長[9]。波導管也能夠劃分為一般波導管與裂縫波導管兩類，每一種波導管所適用的范圍以及環(huán)境等均不相同，在實際選擇時需要進行綜合考量。比如，在城市軌道交通線路的控制系統(tǒng)中，選擇的便是裂縫波導管。泄漏電纜是城市軌道交通通信系統(tǒng)中應用較為廣泛的電纜，相比較于該電纜，裂縫波導管擁有更加優(yōu)異的傳輸帶寬，同時能夠有效降低信號傳輸中的損耗，確保電磁波輸送過程的穩(wěn)定性與可靠性。

當下城市軌道交通通信系統(tǒng)當中，使用較為普遍的便是建立在通信基礎之上的CBCT列車自動控制系統(tǒng)，車地無線通信系統(tǒng)給的安全穩(wěn)定運行，在確保地鐵正常運行與維護乘客生命財產(chǎn)安全中發(fā)揮了至關重要的作用，需要無線通信系統(tǒng)擁有很高的抗干擾水平，而裂縫波導管能夠很好地滿足該要求。在實際將裂縫波導管運用到軌道交通無線通信系統(tǒng)中時，需要在軌道交通鋼管的中部位置或者兩側位置安裝波導管，并確保車載天線與波導管呈90°直角，盡可能地降低信號干擾。

波導管不但可以很好地解決軌道交通無線通信系統(tǒng)容易受干擾的問題，針對一些同站臺換乘區(qū)域等電磁波干擾強度較高的場所，也能夠選擇波導管技術來進一步強化無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.2 同頻干擾控制

在現(xiàn)階段城市軌道交通系統(tǒng)中，應用最為廣泛的信號系統(tǒng)便是CBTC列車自動控制系統(tǒng)，然而由于這種系統(tǒng)使用的車地無線通信技術通信頻率為2.4GHz，使得其他也處于該頻段的通信系統(tǒng)會對其產(chǎn)生較大干擾，造成CBTC控制系統(tǒng)不能夠正常工作。比如在2011年廣州地鐵就由于信號干擾問題造成列車被迫停運。為了確保該問題能夠得到徹底的解決，可以為城市軌道交通無線通信系統(tǒng)申請專門的通信頻段。依托于使用2.4HGz之外的通信頻段來避免該問題的產(chǎn)生，但是需要對新頻段開展大量分析與探究工作。比如，相比較于常用的2.4HGz頻段，生產(chǎn)其他頻段設備的廠家較少，設備使用成本更高，后期維護與維修也存在較大問題，除此之外，新頻段應用申請流程也十分麻煩，同時還需要進行大量的實踐驗證，以此來判斷新頻段能否滿足城市軌道交通無線通信系統(tǒng)使用需求。針對一些同站臺換乘的地鐵站，其內部空間較為寬敞，能夠基于無線通信頻點的不同進行區(qū)分，針對不一樣的線路應用不一樣頻點的信號指示設備，也可以采用不一樣的通信途徑，例如漏泄電纜、波導管等，最大程度降低電磁波外泄與干擾，從而有效避免各個線路中不同信號系統(tǒng)出現(xiàn)同頻干擾現(xiàn)象。

另外，在無線通信系統(tǒng)中運用擴頻技術也是一種有效的方法。信號在傳遞過程中占據(jù)的帶寬一般要超過其額定的最小帶寬，在信號發(fā)送端位置應用擴頻編碼完成調制，同時在信號接收端采用有關解調技術實現(xiàn)信號的接收，通過該方法能夠為各個系統(tǒng)匹配與之相對應的擴頻編碼，一方面能夠很好地區(qū)別不同的通信系統(tǒng)，另一方面也可以避免干擾問題產(chǎn)生。當下使用較為普遍的擴頻方法是跳頻擴頻（FHSS）與直序擴頻（DSSS）。

跳頻擴頻通常是借助于移頻鍵控（FSK）的調制手段來實現(xiàn)載波頻率跳頻。比如，在CBTC列車自動控制系統(tǒng)中，依托于跳頻擴頻能夠將系統(tǒng)頻段分成80個信道，不同信道帶寬均是1GHz，3個信道一起發(fā)送，同時為了保障發(fā)送端與接收端的信道順序一致，應當要兩者的PN碼一樣。FHSS技術的突出優(yōu)勢便是抗干擾性能優(yōu)越，因為允許使用2.4GHz頻段的通信設施類型多種多樣，使得電磁環(huán)境較為惡劣，而通過跳頻擴頻技術的應用，能夠使得載波頻率依照偽隨機序列進行跳變，同時序列類型十分豐富，能夠很好地防止車地無線通信系統(tǒng)受到其他通信系統(tǒng)的影響。直序擴頻通常是在發(fā)射端位置基于高速率擴頻拓展信號頻譜。依照香農定理能夠看出，信道容量保持不變時，帶寬與信噪比成反比關系，能夠進行低信噪比輸送，同時不會對同頻段相關信號產(chǎn)生影響，在接收端同樣使用PN碼來解擴，并且控制PN碼不出現(xiàn)其他干擾信號，確保傳輸信號擁有良好的抗干擾水平。

3.3 避免多徑干擾

在現(xiàn)階段無線通信系統(tǒng)中，為了有效避免城市軌道交通無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生多徑干擾，最為常用的方法便是引入正交分頻復用（OFDM）技術。OFDM技術是建立在多載波調制的基礎之上，其工作方式是將原有的信道劃分為多個子信道，將正常情況下高速串行的通信數(shù)據(jù)轉化為許多個并行的通信數(shù)據(jù)，同時依托于子信道實現(xiàn)子通信數(shù)據(jù)的低速傳輸。為避免正交分頻復用中不同符號產(chǎn)生干擾，將正交分頻復用中符號的末端拷貝下來，再將其與符號前端部門結合起來，從而形成前綴循環(huán)。將前綴循環(huán)當成是保護間隔，始終確保保護間隔超過時延擴展，保證子載波表現(xiàn)出良好的正交性，最大程度防止出現(xiàn)碼間干擾問題，此外將前綴循環(huán)當成保護間隔還能夠很好地彌補多徑導致的信道間干擾問題。

4 結語

綜上所述，當下我國移動通信技術得到了較快發(fā)展，然而隨著社會環(huán)境的不斷改變，無線通信信號受到干擾的問題時常發(fā)生。研究人員應當要深入開展這方面的研究工作，在對現(xiàn)有無線通信技術進行改進的基礎上，不斷創(chuàng)新無線通信技術；在運用波導管技術、同頻干擾控制技術以及避免多徑干擾技術等多種抗干擾技術手段進一步提高無線通信系統(tǒng)抗干擾性能的同時，也需要深入探索其他新型技術手段，來有效應對當下日趨復雜的網(wǎng)絡環(huán)境，強化網(wǎng)絡抗干擾性能，確保城市軌道交通通信系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠地運行。