探究地鐵信號(hào)系統(tǒng)無線通信傳輸抗干擾技術(shù)

張永亮

摘 要：無線通信系統(tǒng)是地鐵列車在高速行駛中和地鐵調(diào)度管理系統(tǒng)的連接通道，必須深入研究，盡可能減少各種干擾因素，確保其穩(wěn)定性和可靠性。本課題通過對(duì)無線通信系統(tǒng)的工作原理以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行論述，簡(jiǎn)要分析地鐵信號(hào)系統(tǒng)無線通信信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵;信號(hào)系統(tǒng);無線通信;抗干擾;分析

無線通信因傳播空間不依賴物理線路，成本更低、可擴(kuò)展性更強(qiáng)被廣泛應(yīng)用，地鐵上的無線通信設(shè)備通常會(huì)由于列車的移動(dòng)改變而受周邊環(huán)境因素影響很大，而且地鐵車體以及軌道大多是密集的鋼結(jié)構(gòu)、部分車段存在大型設(shè)備阻擋、列車的電機(jī)啟動(dòng)的瞬時(shí)電壓、周圍其他同頻無線網(wǎng)絡(luò)的干擾等多種干擾因素，均可能使無線產(chǎn)生信號(hào)發(fā)生擾動(dòng)。在這種情況下無線通信網(wǎng)絡(luò)如何布點(diǎn)、天線如何選配、頻段信道如何配置、安裝位置如何選定等，對(duì)通信技術(shù)傳輸抗干擾技術(shù)有非常高的要求。

1 無線通信技術(shù)概述

按照系統(tǒng)的使用范圍，可以分為依賴公共移動(dòng)信號(hào)的公網(wǎng)無線通信以及專門用于地鐵軌道交通的專用無線通信。地鐵的主要通信數(shù)據(jù)包括車輛/車站實(shí)時(shí)調(diào)度指令、列車運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控圖形數(shù)據(jù)等，無線通信系統(tǒng)必須具有大數(shù)據(jù)容量以及可快速移動(dòng)的特性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新。

2 2.4GHz無線技術(shù)傳輸機(jī)制

提高地鐵無線通信的抗干擾能力，必須要對(duì)其無線傳輸機(jī)制有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。我國(guó)地鐵列車無線通信的信道訪問機(jī)制決定了，當(dāng)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)用戶需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)信道只能在其他用戶對(duì)其使用結(jié)束后才可以被使用，ISM802.11標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的頻段在信道訪問機(jī)制上盡可能避免了載波監(jiān)聽和使用過程的沖突。無論是信道被占用還是信道處于空閑狀態(tài)，其使用的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)用戶都是一致平等的。如今，實(shí)時(shí)的頻譜選頻技術(shù)通過和計(jì)算機(jī)控制的短波自適應(yīng)算法相結(jié)合已經(jīng)誕生出通信抗干擾能力更強(qiáng)的通信方式，相信在地鐵列車上會(huì)逐步得到推廣應(yīng)用。抗干擾技術(shù)的關(guān)鍵在于盡可能抑制跳頻、擴(kuò)頻以及強(qiáng)磁干擾等因素的發(fā)生。尤其是在地鐵列車這樣的運(yùn)行方式下，復(fù)雜電磁干擾環(huán)境使得諸如“動(dòng)態(tài)頻譜”分析技術(shù)以及“頻譜空洞”理論有了實(shí)際的應(yīng)用以及驗(yàn)證場(chǎng)景。

除了對(duì)信道訪問機(jī)制以及頻譜理論進(jìn)行研究擴(kuò)展，利用高維（多目標(biāo)）運(yùn)算，尋找數(shù)據(jù)傳輸最優(yōu)化的算法，包括邊緣計(jì)算、綠色多單元集群等技術(shù)同樣使得無線通信的抗干擾能力得以加強(qiáng)。在最優(yōu)化算法下，即便臨頻之間電磁波波形發(fā)生疊加干擾，也不會(huì)影響最終傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)沖突以及網(wǎng)絡(luò)癱瘓的故障 將會(huì)減少。

3 地鐵列車無線通信系統(tǒng)常見的干擾源分析

干擾源的分析是提高無線通信質(zhì)量的關(guān)鍵，地鐵列車由于空間位移處于高速移動(dòng)狀態(tài)，因此面臨著各種各樣的干擾因素，從干擾產(chǎn)生的途徑方面來講，可以分為如下幾種干擾。

3.1 電磁干擾

電磁干擾的產(chǎn)生主要是由于列車行駛過程中由于牽引系統(tǒng)、鋼軌回流以及車內(nèi)廣播設(shè)備等產(chǎn)生。包括：地鐵鋼軌回流諧波干擾、地鐵牽引系統(tǒng)電流變化干擾、86MHz-108MHz調(diào)頻廣播。

3.2 多徑干擾

多徑干擾主要是由于列車在途徑隧道等地方時(shí)，無線信號(hào)由于 在隧道內(nèi)壁、列車車體等表面產(chǎn)生的反射，由于反射所帶來的多徑效應(yīng)。

3.3 同頻干擾

同頻干擾的干擾源主要來自于其他無線通信設(shè)備，例如大功率WiFi設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、2.4GHz PIS系統(tǒng)、微波發(fā)射系統(tǒng)等所產(chǎn)生的無線信號(hào)。

以上干擾也可以稱作地鐵無線系統(tǒng)的諧波干擾，是地鐵無線系統(tǒng)抗干擾分析的主要研究對(duì)象，為了加強(qiáng)無線通信設(shè)備的抗干擾水平，列車多會(huì)采取干擾抑制及躲避的手段，通常“直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、正交頻分復(fù)用（OFDM）及跳頻擴(kuò)頻（FHSS）”等手段可以一定程度上減弱干擾的效應(yīng)。DSSS技術(shù)只需少量能量即可把數(shù)據(jù)傳輸出去。FHSS技術(shù)擴(kuò)頻碼序列，采取“移頻鍵控（FSK）”的調(diào)制措施，可以導(dǎo)致“載波頻率”跳變。

4 抗干擾的主要措施

因此，針對(duì)地鐵系統(tǒng)，可以采取多種無線“抗干擾”措施。

（1）專網(wǎng)技術(shù)+專用無線頻譜。將無線系統(tǒng)設(shè)置為地鐵列車的專用通信網(wǎng)絡(luò)，并將頻譜設(shè)置為固定的某個(gè)頻段，可以極大地減少其他雜波以及同頻干擾，提高無線系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度。

（2）采取IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)下的私有協(xié)議。IEEE802.11協(xié)議物理層采取抗干擾性能強(qiáng)的“DSSS與FHSS”等解調(diào)技術(shù);強(qiáng)化信道應(yīng)用優(yōu)先級(jí)力度可以獲取處理后的額外增益。

（3）“特殊的分頻、提升系統(tǒng)容錯(cuò)水平、實(shí)時(shí)傳輸水平”等，最大化地減少尤其是同頻之間以及其他設(shè)備所發(fā)出的無線干擾。

（4）空間、頻率分集。空間分集是利用列車不同空間位置的多套數(shù)據(jù)接收設(shè)備來聯(lián)合實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)接受，這種技術(shù)能夠有效減少地鐵途徑隧道或建筑物內(nèi)的情況下多徑干擾的發(fā)生。不同于空間分集原理的多個(gè)設(shè)備接收信號(hào)，并將其合成為一個(gè)較強(qiáng)的信號(hào)來排除干擾，頻率分集是指利用不同的頻率段來發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，這樣可以避免單個(gè)頻率下信號(hào)產(chǎn)生的失真情況，優(yōu)化了無線傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

5 總結(jié)

隨著新一代無線通信對(duì)無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)提出新的長(zhǎng)距離、高移動(dòng)、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求，尤其是以5G 60GHz毫米波通信技術(shù)為代表的移動(dòng)通信崛起的當(dāng)下，針對(duì)地鐵系統(tǒng)無線通信的理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)面臨更多挑戰(zhàn)，開展面向長(zhǎng)距離、高移動(dòng)的無線寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，這將成為新一代寬帶移動(dòng)通信抗干擾研究最具潛力的方向之一。

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