探究地鐵信號系統無線通信傳輸抗干擾技術

張永亮

摘 要：無線通信系統是地鐵列車在高速行駛中和地鐵調度管理系統的連接通道，必須深入研究，盡可能減少各種干擾因素，確保其穩定性和可靠性。本課題通過對無線通信系統的工作原理以及相關標準進行論述，簡要分析地鐵信號系統無線通信信號傳輸的抗干擾技術。

關鍵詞：地鐵;信號系統;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、可擴展性更強被廣泛應用，地鐵上的無線通信設備通常會由于列車的移動改變而受周邊環境因素影響很大，而且地鐵車體以及軌道大多是密集的鋼結構、部分車段存在大型設備阻擋、列車的電機啟動的瞬時電壓、周圍其他同頻無線網絡的干擾等多種干擾因素，均可能使無線產生信號發生擾動。在這種情況下無線通信網絡如何布點、天線如何選配、頻段信道如何配置、安裝位置如何選定等，對通信技術傳輸抗干擾技術有非常高的要求。

1 無線通信技術概述

按照系統的使用范圍，可以分為依賴公共移動信號的公網無線通信以及專門用于地鐵軌道交通的專用無線通信。地鐵的主要通信數據包括車輛/車站實時調度指令、列車運行狀況數據、環境實時監控圖形數據等，無線通信系統必須具有大數據容量以及可快速移動的特性。隨著技術的不斷進步，相關的標準也在不斷更新。

2 2.4GHz無線技術傳輸機制

提高地鐵無線通信的抗干擾能力，必須要對其無線傳輸機制有一個正確的認識。我國地鐵列車無線通信的信道訪問機制決定了，當某個時間點用戶需要傳輸數據時，一個信道只能在其他用戶對其使用結束后才可以被使用，ISM802.11標準的2.4GHz的頻段在信道訪問機制上盡可能避免了載波監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，其使用的優先級，每個用戶都是一致平等的。如今，實時的頻譜選頻技術通過和計算機控制的短波自適應算法相結合已經誕生出通信抗干擾能力更強的通信方式，相信在地鐵列車上會逐步得到推廣應用。抗干擾技術的關鍵在于盡可能抑制跳頻、擴頻以及強磁干擾等因素的發生。尤其是在地鐵列車這樣的運行方式下，復雜電磁干擾環境使得諸如“動態頻譜”分析技術以及“頻譜空洞”理論有了實際的應用以及驗證場景。

除了對信道訪問機制以及頻譜理論進行研究擴展，利用高維（多目標）運算，尋找數據傳輸最優化的算法，包括邊緣計算、綠色多單元集群等技術同樣使得無線通信的抗干擾能力得以加強。在最優化算法下，即便臨頻之間電磁波波形發生疊加干擾，也不會影響最終傳輸數據的準確度和實時性，數據沖突以及網絡癱瘓的故障 將會減少。

3 地鐵列車無線通信系統常見的干擾源分析

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

3.1 電磁干擾

電磁干擾的產生主要是由于列車行駛過程中由于牽引系統、鋼軌回流以及車內廣播設備等產生。包括：地鐵鋼軌回流諧波干擾、地鐵牽引系統電流變化干擾、86MHz-108MHz調頻廣播。

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，無線信號由于 在隧道內壁、列車車體等表面產生的反射，由于反射所帶來的多徑效應。

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備，例如大功率WiFi設備、藍牙設備、2.4GHz PIS系統、微波發射系統等所產生的無線信號。

以上干擾也可以稱作地鐵無線系統的諧波干擾，是地鐵無線系統抗干擾分析的主要研究對象，為了加強無線通信設備的抗干擾水平，列車多會采取干擾抑制及躲避的手段，通常“直接序列擴頻（DSSS）、正交頻分復用（OFDM）及跳頻擴頻（FHSS）”等手段可以一定程度上減弱干擾的效應。DSSS技術只需少量能量即可把數據傳輸出去。FHSS技術擴頻碼序列，采取“移頻鍵控（FSK）”的調制措施，可以導致“載波頻率”跳變。

4 抗干擾的主要措施

因此，針對地鐵系統，可以采取多種無線“抗干擾”措施。

（1）專網技術+專用無線頻譜。將無線系統設置為地鐵列車的專用通信網絡，并將頻譜設置為固定的某個頻段，可以極大地減少其他雜波以及同頻干擾，提高無線系統的可靠性和準確度。

（2）采取IEEE802.11標準下的私有協議。IEEE802.11協議物理層采取抗干擾性能強的“DSSS與FHSS”等解調技術;強化信道應用優先級力度可以獲取處理后的額外增益。

（3）“特殊的分頻、提升系統容錯水平、實時傳輸水平”等，最大化地減少尤其是同頻之間以及其他設備所發出的無線干擾。

（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據接收設備來聯合實現無線信號接受，這種技術能夠有效減少地鐵途徑隧道或建筑物內的情況下多徑干擾的發生。不同于空間分集原理的多個設備接收信號，并將其合成為一個較強的信號來排除干擾，頻率分集是指利用不同的頻率段來發送或接收數據，這樣可以避免單個頻率下信號產生的失真情況，優化了無線傳輸系統的數據準確度。

5 總結

隨著新一代無線通信對無線寬帶通信網絡提出新的長距離、高移動、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應用場景的需求，尤其是以5G 60GHz毫米波通信技術為代表的移動通信崛起的當下，針對地鐵系統無線通信的理論研究與系統設計將會面臨更多挑戰，開展面向長距離、高移動的無線寬帶系統的基礎理論和關鍵技術研究，這將成為新一代寬帶移動通信抗干擾研究最具潛力的方向之一。

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