基于抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統設計

劉曉舟

（徐州地鐵運營有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

城市軌道交通是社會穩定發展的重要前提，經濟的進步與人們生活水平的提升離不開城市軌道交通的發展[1,2]。地鐵作為城市交通中的重要運輸工具，在近幾年得到了高速發展，為人們的工作與生活提供了便利[3,4]。通過文獻分析可以確定，地鐵專用無線通信系統在一定程度上影響著地鐵運行的好壞，對地鐵后期維護的費用也有著一定程度的影響。因此，設計與優化地鐵專用無線通信系統對于地鐵的發展具有重要意義。

當前，地鐵專用無線通信系統可分為全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）、陸上集群無線電（Trans European Trunked Radio，TETRA）系統以及MPTI327等多種模擬集群通信系統，這些系統具有較高的實用性，但在干擾的情況下容易產生誤差[5]。在地鐵電壓發生變化或是信號發生變化的過程中，通信系統整體運行穩定性受到沖擊，信號傳輸受到干擾，嚴重影響了地鐵的運行安全。針對此類問題，提出一種基于抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統，希望通過信號分析的方式提升系統的抗干擾能力，提升地鐵信號穩定性。通過設計更加優質、合理的設計方案，推動城市軌道交通制造技術與管理技術的發展。

1 基于抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統需求分析

地鐵專用無線通信是高速地鐵列車與車站運營管理人員之間的重要通信方式，承擔著提高運營效率，保障地鐵乘客的行車安全和生命安全的重要使命[6]。當地鐵傳輸通信系統出現故障時，地鐵專用無線通信系統的正常運行就具有非常重要的作用，可以保證列車司機和地面調度員之間的正常通信及數據傳輸，保證了地鐵車輛的正常運營[7]。

早期地鐵無線通信存在的主要問題是信號穩定性和抗干擾性差，信號傳輸質量低，功能單一，在很大程度上制約了地鐵交通安全可靠性的提高。地鐵專用無線通信系統是地鐵整體結構中重要的組成部分[8]。當地鐵專用無線通信系統出現故障時，通過系統的管理功能對地鐵專用無線網絡子系統進行自診斷，并對地鐵無線網絡子系統的抗干擾性、系統無線控制器的冗余、系統設備的前后切換方案、列車無線系統與列車網絡的隔離方案進行設計，保證地鐵列車的正常運行。

2 基于抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統硬件設計

通過分析調研當前大量的地鐵專用無線通信系統后，得到此類系統的性能問題。根據問題進行了系統設備的二次選型，得到選型結果后優化原有的系統硬件框架，并設定相應的優化方案。

當前系統網絡接口的使用性能極易受到外部環境的影響，導致其信號發出穩定性極差，因此選擇DXT交換機（圖1）替換當前交換機[9]。

圖1 DXT交換機

在確定交換機型號后，優化通信基站的下板卡單元，增加接收多路耦合器和自動調諧合路器，實現基站的穩定運行。此環節完成后，將機柜內信道機增設為4個，支持32個信道，每個信道之間的通信間隔為25 kHz。

在網絡接口設定完成后，對系統中的其他接口展開設定，具體內容如下。（1）中控網絡接口：接口界面設定在數字配線架（Digital Distribution Frame，DDF）外線側，具體數量、位置根據通信營銷商要求設定。（2）集中網管系統接口：10/100M以太網接口與集中網管系統互連，接口類型設定為RJ45。將上述接口與網絡接口安裝到原有的地鐵專用無線通信系統硬件框架中，完成系統硬件的優化設計。

3 基于抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統軟件設計

系統硬件部分優化完成后，在軟件模塊部分增設抗干擾分析模塊，以此提升系統的整體抗干擾水平。對比多種方法后，選擇主成分分析法作為此模塊的核心算法[10]。

將系統采集到的原始信號數據進行標準化處理，得到量綱統一的信號數據，信號標準化變化公式設定為：

式中，var（ai）與分別為原始信號a的方差與均值；aij為原始信號數據內容；為標準化處理后的信號數據。將標準化處理后的數據整合為矩陣形式，并對其進行求解，得到信號的特征根與特征向量，確定此信號是否為主成分，此時得到主成分求解函數為：

式中，F（b）為主成分求解函數；αi為信號對系統的干擾程度。根據式（2）得到抗干擾分析中的主成分，評價抗干擾能力，完成抗干擾分析過程，此時則有：

式中，βi表示各個主成分的權重；Y表示主成分分析結果。整理上述計算內容，將其融入到抗干擾分析模塊中，最終實現基于抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統設計。

4 系統測試與結果分析

為了確認基于抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統的應用效果，構建系統設計環節對其展開測試。此次系統測試平臺需在實際系統上完成搭建工作，使用3.6 GHz無線網卡完成系統測試。

4.1 系統測試方案

本次系統測試中，將系統的抗干擾能力分為兩個部分進行測定。

4.1.1 設備電源電壓穩定性測試

通過調試系統的電源電壓，模擬設備電源發生變化時的狀態，判定系統的工作能力。將測試環境的溫度控制在26 ℃左右，相對濕度設定為50%，按照電子裝置標準的要求，在測試過程中不顯示任何設備故障或是損壞信息，僅對設定運行的穩定性加以分析。此次測試共進行5次，通過獲取系統設備電力信號輸出波動的形式得到實驗結果。

4.1.2 通信網絡攻擊測試

在現有的地鐵通信網絡中增加攻擊信號，并在攻擊過程中進行網絡數據傳輸，確定不同攻擊信息下的信號丟包率，通過此數據確定文中系統的抗干擾能力。本次系統測試中，共進行10次通信網絡攻擊測試，為獲取更加真實的測試結果，增加當前基礎系統以及信號調節系統作為對照組，分析此系統與文中系統的性能差異。

4.2 系統測試結果分析

4.2.1 設備電源電壓穩定性測試結果分析

在電源電壓不斷變化的前提下，文中系統設備的電壓穩定性較高，且沒有出現設備故障與損壞的情況，測試結果如圖2所示。

圖2 設備電源電壓穩定性測試結果

根據電子裝置標準要求分析圖2中的內容，文中系統試驗的結果等級為A。根據上述測試結果可以確定，文中系統符合當前的抗電源波動標準，將其安裝在地鐵上后，可以保證通信長時間處于穩定狀態。

4.2.2 通信網絡攻擊測試結果分析

在通信網絡受到外部信號攻擊的環境下，文中系統信號輸出丟包率相對較低，在一定程度上可以保證地鐵專用無線通信網絡數據的完整性與安全性。通信網絡攻擊測試結果如表1所示。

表1 通信網絡攻擊測試結果

對表1中的數據進行整理分析可以看出，相較于文中系統，基礎系統容易受到網絡攻擊，其整體丟包率控制在4%左右，抗攻擊干擾能力較差。信號調節系統的丟包率比對基礎系統丟包率得到了控制，但整體效果不如文中系統。整合設備電源電壓穩定性測試結果分析結果與通信網絡攻擊測試分析結果后可以確定，文中系統的信號抗干擾能力與設備抗干擾能力，均優于基礎系統，可對其進行大規模應用測試[10]。

5 結 論

隨著城市軌道交通的加快發展，地鐵在城市中的應用率穩步提升，為了實現對地鐵通信系統的更好控制，在本次研究中提出了一種可進行抗干擾分析的地鐵專用無線通信系統。通過分析地鐵無線通信系統的需求設計了軟硬件結構，在設計完成后進行了多組系統測試，測試結果顯示本文設計的系統在電壓波動或信號干擾環境下的信號傳輸丟包率得到了控制，且系統設備未出現故障或損壞，證實了此系統具有較高的抗干擾能力。此外，由于本次研究僅對系統的抗干擾性進行了分析論證，存在一定的局限性，因此日后將不斷優化其他設備，完善通信系統性能，從而推動地鐵通信技術的發展。