城市軌道交通視域下無線通信系統抗干擾技術研究

馬燕妮

陜西交通職業技術學院，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、可拓展性更強等優勢，獲得了廣泛的應用。城市軌道交通系統中的無線通信設備會因為列車的移動而受到附近環境的影響，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絡的干擾等均會對無線通信系統產生較大干擾，影響到城市軌道交通系統安全穩定地運行[2]。為了有效避免這些問題的產生，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抗干擾的關鍵技術，為推進城市軌道交通無線通信系統進一步發展提供幫助。

1 無線通信概述

1.1 無線通信系統抗干擾技術

為了能夠有效解決無線通信系統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，即對應用環境的要求較高，不能很好地適應一些環境較為惡劣的場景。

（2）借助于計算機仿真軟件對系統進行模擬分析，該方法的操作性較弱，能夠生動形象地構建出通信系統的運行狀態，與此同時還可以有效縮減通信系統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，根據收集到的各項數據開展系統綜合性能探究。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絡，該技術是在現代科學技術水平支持下產生的一種新興技術，是計算機應用技術和無線通信技術相互結合的產物，其數據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 無線通信系統的干擾源

現階段，無線通信技術在許多行業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實際面對的電磁環境較為繁瑣，其中可能會對無線通信系統產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內部干擾源與系統外部干擾源兩大部分，具體如下。

2.1 無線通信系統內部干擾源

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

在實際進行無線通信技術開發設計的過程中，為了有效改善頻率的利用率，并提高系統容量，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境內出現多個相同頻率的區域，也就是同頻區域，當相同頻率的兩個及兩個以上區域出現干擾問題時，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，即兩者呈現反比關系。然而，需要注意的是，盡管同頻區域之間的距離越近，兩者產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頻率分配時，既需要避免出現同頻干擾，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。

鄰頻干擾表示的是相鄰兩個頻率之間出現干擾，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生干擾，從而對軌道交通平時運行產生較大影響[8]。

2.2 無線通信系統外部干擾源

當列車行駛到隧道區域時，無線信號會因為列車車廂、隧道內部等影響而發生多次的反射，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，隨著現代手持路由器的快速發展，當同一時間某個區域同時出現多位攜帶手持路由器的乘客，并會對無線通信產生同頻干擾。該問題在當下時有發生，究其根本是列車CBTC車地無線通信系統受到了外界的干擾，對列車緊急制動系統產生影響，容易引發列車延時等現象，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生較大影響。現階段，隨著社會經濟的不斷發展，電子化產品種類越來越多，出現了許多大功率的路由器、藍牙等，這些設備產生的無線信號同樣也會對城市軌道交通無線通信系統產生較大影響。

3 城市軌道交通無線通信系統主要抗干擾技術

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的導管，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定性與可靠性。

當下城市軌道交通通信系統當中，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，車地無線通信系統給的安全穩定運行，在確保地鐵正常運行與維護乘客生命財產安全中發揮了至關重要的作用，需要無線通信系統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容易受干擾的問題，針對一些同站臺換乘區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的抗干擾能力。

3.2 同頻干擾控制

在現階段城市軌道交通系統中，應用最為廣泛的信號系統便是CBTC列車自動控制系統，然而由于這種系統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會對其產生較大干擾，造成CBTC控制系統不能夠正常工作。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出現同頻干擾現象。

另外，在無線通信系統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的帶寬一般要超過其額定的最小帶寬，在信號發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信號的接收，通過該方法能夠為各個系統匹配與之相對應的擴頻編碼，一方面能夠很好地區別不同的通信系統，另一方面也可以避免干擾問題產生。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）的調制手段來實現載波頻率跳頻。比如，在CBTC列車自動控制系統中，依托于跳頻擴頻能夠將系統頻段分成80個信道，不同信道帶寬均是1GHz，3個信道一起發送，同時為了保障發送端與接收端的信道順序一致，應當要兩者的PN碼一樣。FHSS技術的突出優勢便是抗干擾性能優越，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受到其他通信系統的影響。直序擴頻通常是在發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

在現階段無線通信系統中，為了有效避免城市軌道交通無線通信系統產生多徑干擾，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據轉化為許多個并行的通信數據，同時依托于子信道實現子通信數據的低速傳輸。為避免正交分頻復用中不同符號產生干擾，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。將前綴循環當成是保護間隔，始終確保保護間隔超過時延擴展，保證子載波表現出良好的正交性，最大程度防止出現碼間干擾問題，此外將前綴循環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展，然而隨著社會環境的不斷改變，無線通信信號受到干擾的問題時常發生。研究人員應當要深入開展這方面的研究工作，在對現有無線通信技術進行改進的基礎上，不斷創新無線通信技術；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絡環境，強化網絡抗干擾性能，確保城市軌道交通通信系統可以穩定、可靠地運行。