軌道交通通信系統中覆蓋及干擾共存的研究

徐學彥

（重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶 401121）

0 引 言

從世界發展情況來看，在城市公共運輸工具中，有軌交通工具早已成為重要構成成分。隨著時代的進步和科學技術的發展，世界各大城市都將軌道交通作為改變城市交通擁堵情況的重要工具之一，因為其對于規劃城市交通發展、優化交通運輸有重要幫助，也能為城市快速發展提供重要保障。我國各大城市的軌道交通運輸也在快速發展和進步，但許多軌道交通建設項目在發展的過程中遇到了一定的阻礙。當前，我國軌道交通通信系統建設就沒有統一的建設標準和驗收程序，再加上不同城市和地區對于城市軌道交通建設的發展訴求存在差異，因此，在運用通信技術時，應該根據自身城市交通需求進行改變。在城市軌道交通運營模塊中，軌道交通通信系統是重要構成成分，但是我國在軌道交通方面的起步較晚、技術較差，在運用通信系統時缺乏實踐經驗和長期的探索，因此在建立軌道交通通信系統時存在部分影響交通運輸發展的問題亟待解決[1]。

1 城市軌道交通發展現狀分析

在人類文明歷史上，軌道交通的發明其實很早，它在城市交通中早已成為交通運輸的一部分，為城市人員流動提供助力。隨著社會的不斷發展和科技的不斷進步，城市軌道交通已經成為改善城市交通、緩解市民日常出行壓力的重要交通方式。作為城市基礎設施建設，城市軌道交通也能反映出各大城市的現代化發展水平和經濟實力[2]。

1.1 國外城市軌道交通發展現狀

從20世紀以來，世界各地的交通出行方式發生了快速且巨大的變化，而城市軌道交通正是其中占據重要地位的一項，它對于世界各大城市的人員流動、交通疏解等提供了積極作用。從國外城市軌道交通發展來看，自英國第一次工業革命后，就已建成了歷史上第一條地下軌道交通，該軌道交通也是第一次使用蒸汽式發動機，直到19世紀90年代改用電力式動力汽車。然而，在軌道交通發展初期，其整體發展速度非常緩慢。到了20個世紀50年代，世界各地對于城市軌道交通建設的發展有了重視，當時已有20個城市投入并建成了輕軌、地鐵等交通工具。此后，隨著世界人口的急劇增加，城市交通壓力越來越大，澳洲、歐美等發達國家開始看重城市軌道交通運輸工具的發展潛力，開始建設城市軌道交通事業。從那以后，國外城市軌道交通迎來了嶄新的局面。

1.2 國內城市軌道交通發展現狀

我國對于城市軌道交通的發展起步較晚。自20世紀70年代以來，我國對于城市軌道交通建設才有了初步的發展和摸索，并在此過程中順利建成第一條城市軌道交通線路并投入使用。我國在城市軌道交通發展方面主要經歷了兩個重要時期，即起步時期和探索時期。在起步時期，首都地鐵從最初的設計方案到完全竣工總共花費了11年，全長54 km，這對于我國城市軌道交通發展來講有著至關重要的作用，奠定了城市軌道交通在我國全面發展的重要基礎。到了探索時期，我國重視市場經濟發展，重視全面深化改革和改革開放，國內各大城市也重視經濟體制改革與協調發展，希望加快城市化建設速度，打通城市道路交通阻礙。當時北上廣深等超一線城市已經取得了突破性進展，為其他一線城市的城市軌道交通建設打下了良好的先決條件，使得我國城市軌道交通行業有了蓬勃的發展[3]。

2 軌道交通CBTC通信網絡及移動Wi-Fi通信系統概述

2.1 軌道交通CBTC系統

軌道交通CBTC系統是根據通信的移動閉塞系統完成軌道交通的自動運行、自動保護以及自動監控等功能，軌道交通能否穩定、安全的運營與軌道交通CBTC系統的穩定運行息息相關。隨著近年來我國軌道交通事業的蓬勃發展，我國軌道交通中運用CBTC系統的頻率也在大幅增加。這是由于CBTC系統具備傳輸效率快、運輸成本低、簡單操作、傳輸信息量大等特點。同時，軌道交通CBTC系統可以確保2.4 GHz的工作時段完成雙向通行，達到良好信息交接，因此軌道交通中大量使用軌道交通CBTC系統。

2.2 移動Wi-Fi通信系統

我國軌道交通線路網中已經普遍利用了移動Wi-Fi信號系統來進行無線信號傳輸。這是因為移動Wi-Fi通信系統的無線信號傳輸效果較為良好，能夠確保軌道交通通信始終保持通暢。當前，部分軌道交通中會利用4G通信來代替移動Wi-Fi通信系統，4G通信也能達到良好的通信效果。

3 干擾原理

移動通信的載體是無線電波，在進行無線信號傳輸的同時，通信過程也會受到許多方面的干擾和影響。在無線電波干擾形式中，比較常見的幾類干擾包括互調干擾、鄰頻干擾、阻塞干擾、帶外干擾及同頻干擾等。此外，軌道交通的通信也會受到軌道交通現場環境的影響。

4 軌道交通場景下的通信性能探討

對于軌道交通的通信，不論是移動Wi-Fi通信系統、CBTC通信系統還是軌道交通現場環境，都會對其造成不同程度的影響。本文主要研究了移動Wi-Fi通信系統和CBTC通信系統對其產生的干擾影響。

4.1 系統模型

軌道交通CBTC通信系統主要由兩條無線鏈路構成，分別包括軌道旁AP至列車上車載天線的下行鏈路以及列車上車載天線VA至軌道旁AP的上行鏈路。但是移動Wi-Fi通信系統的頻率一般保持在2.4 GHz，因此與CBTC通信系統存在同頻干擾。在城市軌道交通中，若移動Wi-Fi通信系統網絡的使用人數大量增加，則會導致許多的信號鏈路，這對軌道交通的CBTC通信系統的安全運行造成了不利影響。此外，若軌道交通中的移動Wi-Fi通信系統與CBTC通信系統采用同一信道進行信號傳輸，則會存在互相競爭這一信道的情況，從而影響CBTC通信系統的安全通信，給軌道交通的安全運行造成危害。

根據這一情況利用隨機的方式對實際車廂內用戶的分布進行模擬，并根據這一模型還原出車廂內部Wi-Fi通信系統的傳播模型，包括車廂內Wi-Fi信號系統傳播模型、車廂至隧道的Wi-Fi通信系統傳播模型以及隧道內Wi-Fi通信系統傳播模型。按照特定的求解公式，計算出CBTC通信系統下行鏈路的各大結論。

4.2 理論推導

在Wi-Fi信號中，利用特殊的MIiFi設備進行替代可以讓該設備在性能和吞吐量方面與Wi-Fi類似，進而實現對車廂內Wi-Fi通信系統設備與CBTC通信系統的干擾共存場景的計算，也能研究計算軌道交通CBTC通信系統受Wi-Fi通信系統干擾的吞吐量。

有一類操作簡單且可行性強的抗干擾DCF算法，可以有效解決移動Wi-Fi通信系統和CBTC通信系統之間的干擾問題。這一類DCF算法主要就是利用改變DCF協議來提升CBTC通信系統接入節點概率的方式，從而實現減少干擾影響的效果。

4.3 仿真效果

根據所使用的抗干擾DCF算法，為了對比理論推導完成DCF算法的仿真，可以假設Wi-Fi通信系統設備模型為255 byte、1 023 byte、4 095 byte三種不同數據幀長度業務。其中需要重視的是必須考慮仿真過程中VA平均數據包時延和傳輸失敗率的變化范圍。因此，可以得到車廂內的Wi-Fi通信系統設備在相應環境下進行使用，有可能會導致軌道交通停止，而抗干擾DCF算法則正好能夠降低這一問題給軌道交通帶來的嚴重后果。

5 我國城市軌道交通通信系統發展的趨勢

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市經濟發展更加重視低碳環保和節能，因此城市軌道交通也會更加重視向低碳環保的趨勢發展。由于我國各地的經濟發展差異和地理影響，城市軌道交通通信系統的建設要求也會有所區別，但總體的發展趨勢還是存在許多共同點。

5.1 前提評估標準能保障軌道交通的安全性

在軌道交通通信網絡中進行管理評估時，會常常使用RAMS標準。該標準會對整體城市軌道交通通信系統的建設管理進行操作，減少系統中存在故障和發生故障的概率，讓整個通信系統長期處于安全可靠的狀態。

5.2 將會普遍使用數字集群通信系統TETRA

數字集群通信系統TETRA在經過探討和發展后，能夠實現在軌道交通通信系統中指揮得當、調度有序。該技術在我國已經相對成熟，是我國城市軌道交通使用的重要技術之一，它能為軌道交通通信系統提供準確、高效的服務，也能有效減少運營成本。在今后的城市軌道交通發展過程中，該技術仍舊會被普遍使用。

5.3 提供更具人性化的服務

隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平不斷提高。城市軌道交通系統作為城市公共基礎設施產品，在滿足廣大居民出行需求的同時，也要重視優化城市軌道交通通信系統的便捷性和舒適性。當前，多數城市軌道交通系統已經覆蓋了Wi-Fi網絡、安全監控和乘客身份信息識別系統等，為人們的軌道交通安全運行提供更加人性化的服務。在今后的發展過程中，隨著科學技術的不斷進步，人像采集、廣播系統等也會被充分使用，從而幫助乘客獲得更好的出行體驗，全力提升城市軌道交通的綜合服務質量，為城市居民出行創造良好的交通環境。

6 結 論

由于我國城市軌道交通發展起步較晚，城市軌道交通建設更加刻不容緩。在建設城市軌道交通時，需重視引進國外超前的技術經驗和科技方式，以加快我國城市軌道交通發展，滿足居民日常生活出行要求。