探究地铁信号系统无线通信传输抗干扰技术

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　　摘 要：无线通信系统是地铁列车在高速行驶中和地铁调度管理系统的连接通道，必须深入研究，尽可能减少各种干扰因素，确保其稳定性和可靠性。本课题通过对无线通信系统的工作原理以及相关标准进行论述，简要分析地铁信号系统无线通信信号传输的抗干扰技术。
　　关键词：地铁;信号系统;无线通信;抗干扰;分析
　　无线通信因传播空间不依赖物理线路，成本更低、可扩展性更强被广泛应用，地铁上的无线通信设备通常会由于列车的移动改变而受周边环境因素影响很大，而且地铁车体以及轨道大多是密集的钢结构、部分车段存在大型设备阻挡、列车的电机启动的瞬时电压、周围其他同频无线网络的干扰等多种干扰因素，均可能使无线产生信号发生扰动。在这种情况下无线通信网络如何布点、天线如何选配、频段信道如何配置、安装位置如何选定等，对通信技术传输抗干扰技术有非常高的要求。
　　1 无线通信技术概述
　　按照系统的使用范围，可以分为依赖公共移动信号的公网无线通信以及专门用于地铁轨道交通的专用无线通信。地铁的主要通信数据包括车辆/车站实时调度指令、列车运行状况数据、环境实时监控图形数据等，无线通信系统必须具有大数据容量以及可快速移动的特性。随着技术的不断进步，相关的标准也在不断更新。
　　2 2.4GHz无线技术传输机制
　　提高地铁无线通信的抗干扰能力，必须要对其无线传输机制有一个正确的认识。我国地铁列车无线通信的信道访问机制决定了，当某个时间点用户需要传输数据时，一个信道只能在其他用户对其使用结束后才可以被使用，ISM802.11标准的2.4GHz的频段在信道访问机制上尽可能避免了载波监听和使用过程的冲突。无论是信道被占用还是信道处于空闲状态，其使用的优先级，每个用户都是一致平等的。如今，实时的频谱选频技术通过和计算机控制的短波自适应算法相结合已经诞生出通信抗干扰能力更强的通信方式，相信在地铁列车上会逐步得到推广应用。抗干扰技术的关键在于尽可能抑制跳频、扩频以及强磁干扰等因素的发生。尤其是在地铁列车这样的运行方式下，复杂电磁干扰环境使得诸如“动态频谱”分析技术以及“频谱空洞”理论有了实际的应用以及验证场景。
　　除了对信道访问机制以及频谱理论进行研究扩展，利用高维（多目标）运算，寻找数据传输最优化的算法，包括边缘计算、绿色多单元集群等技术同样使得无线通信的抗干扰能力得以加强。在最优化算法下，即便临频之间电磁波波形发生叠加干扰，也不会影响最终传输数据的准确度和实时性，数据冲突以及网络瘫痪的故障 将会减少。
　　3 地铁列车无线通信系统常见的干扰源分析
　　干扰源的分析是提高无线通信质量的关键，地铁列车由于空间位移处于高速移动状态，因此面临着各种各样的干扰因素，从干扰产生的途径方面来讲，可以分为如下几种干扰。
　　3.1 电磁干扰
　　电磁干扰的产生主要是由于列车行驶过程中由于牵引系统、钢轨回流以及车内广播设备等产生。包括：地铁钢轨回流谐波干扰、地铁牵引系统电流变化干扰、86MHz-108MHz调频广播。
　　3.2 多径干扰
　　多径干扰主要是由于列车在途径隧道等地方时，无线信号由于 在隧道内壁、列车车体等表面产生的反射，由于反射所带来的多径效应。
　　3.3 同频干扰
　　同频干扰的干扰源主要来自于其他无线通信设备，例如大功率WiFi设备、蓝牙设备、2.4GHz PIS系统、微波发射系统等所产生的无线信号。
　　以上干扰也可以称作地铁无线系统的谐波干扰，是地铁无线系统抗干扰分析的主要研究对象，为了加强无线通信设备的抗干扰水平，列车多会采取干扰抑制及躲避的手段，通常“直接序列擴频（DSSS）、正交频分复用（OFDM）及跳频扩频（FHSS）”等手段可以一定程度上减弱干扰的效应。DSSS技术只需少量能量即可把数据传输出去。FHSS技术扩频码序列，采取“移频键控（FSK）”的调制措施，可以导致“载波频率”跳变。
　　4 抗干扰的主要措施
　　因此，针对地铁系统，可以采取多种无线“抗干扰”措施。
　　（1）专网技术+专用无线频谱。将无线系统设置为地铁列车的专用通信网络，并将频谱设置为固定的某个频段，可以极大地减少其他杂波以及同频干扰，提高无线系统的可靠性和准确度。
　　（2）采取IEEE802.11标准下的私有协议。IEEE802.11协议物理层采取抗干扰性能强的“DSSS与FHSS”等解调技术;强化信道应用优先级力度可以获取处理后的额外增益。
　　（3）“特殊的分频、提升系统容错水平、实时传输水平”等，最大化地减少尤其是同频之间以及其他设备所发出的无线干扰。
　　（4）空间、频率分集。空间分集是利用列车不同空间位置的多套数据接收设备来联合实现无线信号接受，这种技术能够有效减少地铁途径隧道或建筑物内的情况下多径干扰的发生。不同于空间分集原理的多个设备接收信号，并将其合成为一个较强的信号来排除干扰，频率分集是指利用不同的频率段来发送或接收数据，这样可以避免单个频率下信号产生的失真情况，优化了无线传输系统的数据准确度。
　　5 总结
　　随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求，尤其是以5G 60GHz毫米波通信技术为代表的移动通信崛起的当下，针对地铁系统无线通信的理论研究与系统设计将会面临更多挑战，开展面向长距离、高移动的无线宽带系统的基础理论和关键技术研究，这将成为新一代宽带移动通信抗干扰研究最具潜力的方向之一。
　　参考文献：
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