城市轨道交通视域下无线通信系统抗干扰技术研究

马燕妮

陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018

0 引言

随着城市化步伐逐渐加快，城市人口急剧增长，为了缓解庞大人口带来的出行压力，许多城市开始大量建设城市轨道交通，进一步丰富城市公共交通体系，为人们带来更加便捷、迅速的出行体验[1]。在城市轨道交通建设中，通信系统是十分重要的一部分。由于无线通信在其有限的传播空间中不需要借助物理线路，凭借建设成本较低、可拓展性更强等优势，获得了广泛的应用。城市轨道交通系统中的无线通信设备会因为列车的移动而受到附近环境的影响，同时车体与轨道通常都是密集的钢结构、一些车段被大型设备所阻挡、列车启动瞬间的电压、附近其他同频无线网络的干扰等均会对无线通信系统产生较大干扰，影响到城市轨道交通系统安全稳定地运行[2]。为了有效避免这些问题的产生，本文重点阐述了无线通信的内涵，指出了无线通信的主要干扰源，提出了无线通信系统抗干扰的关键技术，为推进城市轨道交通无线通信系统进一步发展提供帮助。

1 无线通信概述

1.1 无线通信系统抗干扰技术

为了能够有效解决无线通信系统运行过程中的干扰问题，必须要对其进行深入的分析与探究，找出切实可行的方法，逐步弥补无线通信系统中的不足[3]。一般来说，在实际开展工作过程中通常是依托于下列几种方法来衡量通信系统的综合性能。

（1）从理论层面进行探讨与分析，能够得到有关算法以及密切相关的表达式。该方法拥有良好的精准性，也是当下应用范围较广、应用频率较高的方法[4]。然而这种方法也存在较大的局限性，即对应用环境的要求较高，不能很好地适应一些环境较为恶劣的场景。

（2）借助于计算机仿真软件对系统进行模拟分析，该方法的操作性较弱，能够生动形象地构建出通信系统的运行状态，与此同时还可以有效缩减通信系统性能检测的费用支出。然而这种方法也存在较大的局限性，即计算机模拟过程需要消耗较多的时间，并且只能够针对某个单一场景进行模拟，不能够在多个场景中快速切换[5]。

（3）通过硬件设施对通信信号进行检测，根据收集到的各项数据开展系统综合性能探究。该检测方法拥有良好的精准性，并且检测效率较高，然而检测费用也相对较高。

1.2 WLAN技术应用现况

WLAN技术表示的是将无线信号通道当成通信介质的局域网络，该技术是在现代科学技术水平支持下产生的一种新兴技术，是计算机应用技术和无线通信技术相互结合的产物，其数据信息传输过程不再受到时间与空间的约束，能够在任意时间与任意地点进行通信[6]。WLAN网络连接十分便捷、易安装、能够任意移动，并且还拥有良好的扩展性能，受到了社会大众的普遍喜爱，也因此在社会中获得了大范围的使用。

当下，我国向外开放的2.4GHz频段（见表1）是不属于相关政府部门管辖范围内的，人们可以根据需要自由搭建使用，无需向有关单位提出申请。该频段的带宽为83.5MHz，总共包含了14个频点。

表1 我国2.4GHz频率划分

2 无线通信系统的干扰源

现阶段，无线通信技术在许多行业领域都有十分广泛的应用。然而，城市轨道交通无线通信系统实际面对的电磁环境较为繁琐，其中可能会对无线通信系统产生干扰的因素也是多种多样，总的来说可以将这些影响因素整合为系统内部干扰源与系统外部干扰源两大部分，具体如下。

2.1 无线通信系统内部干扰源

正常来说，城市轨道无线通信系统中往往涵盖了较多不同类型的无线通信系统，如果这些不同的通信系统之间产生干扰，则极易出现同频、邻频等干扰现象[7]。

在实际进行无线通信技术开发设计的过程中，为了有效改善频率的利用率，并提高系统容量，一般会将频率复用技术引入其中，通过该技术可以使某个覆盖环境内出现多个相同频率的区域，也就是同频区域，当相同频率的两个及两个以上区域出现干扰问题时，就称之为同频干扰。同频干扰的强度高低和同频区域之间的间隔距离密切相关，一般来说，同频干扰强度会随着间隔距离的缩小而增强，即两者呈现反比关系。然而，需要注意的是，尽管同频区域之间的距离越近，两者产生同频干扰的强度越高，但是随着间隔距离的缩小，会使得频率利用率不断提高。因此，在进行无线通信系统频率分配时，既需要避免出现同频干扰，也要尽可能地提高频率利用率，确保两者能够达到平衡状态。

邻频干扰表示的是相邻两个频率之间出现干扰，通常情况下相邻两个信道设定的频率较为相近，以此来提高频率的利用率。比如，城市轨道交通专用的无线通信频段是1.8GHz，这和民用通信频段间隔较小，容易导致民用通信频段对轨道交通无线通信产生干扰，从而对轨道交通平时运行产生较大影响[8]。

2.2 无线通信系统外部干扰源

当列车行驶到隧道区域时，无线信号会因为列车车厢、隧道内部等影响而发生多次的反射，电磁波不同分量基于各种路径到达接收端的时间存在明显差异，从而出现干扰，一般将这种情况下的干扰称之为多径干扰。另外，随着现代手持路由器的快速发展，当同一时间某个区域同时出现多位携带手持路由器的乘客，并会对无线通信产生同频干扰。该问题在当下时有发生，究其根本是列车CBTC车地无线通信系统受到了外界的干扰，对列车紧急制动系统产生影响，容易引发列车延时等现象，不仅浪费了广大乘客的宝贵时间，同时也会对该线路其他列车运行产生较大影响。现阶段，随着社会经济的不断发展，电子化产品种类越来越多，出现了许多大功率的路由器、蓝牙等，这些设备产生的无线信号同样也会对城市轨道交通无线通信系统产生较大影响。

3 城市轨道交通无线通信系统主要抗干扰技术

3.1 运用波导管

波导管是一个专门用于超高频电磁波传输的导管，为了确保信号正常传输，要求该导管的内部光滑，既可以是空心的金属管，也可以是内部镶嵌金属的非金属管，目前市面上使用较为普遍的波导管是矩形波导管以及圆形波导管，波导管内部直径尺寸一般取决于需要传输信号的波长[9]。波导管也能够划分为一般波导管与裂缝波导管两类，每一种波导管所适用的范围以及环境等均不相同，在实际选择时需要进行综合考量。比如，在城市轨道交通线路的控制系统中，选择的便是裂缝波导管。泄漏电缆是城市轨道交通通信系统中应用较为广泛的电缆，相比较于该电缆，裂缝波导管拥有更加优异的传输带宽，同时能够有效降低信号传输中的损耗，确保电磁波输送过程的稳定性与可靠性。

当下城市轨道交通通信系统当中，使用较为普遍的便是建立在通信基础之上的CBCT列车自动控制系统，车地无线通信系统给的安全稳定运行，在确保地铁正常运行与维护乘客生命财产安全中发挥了至关重要的作用，需要无线通信系统拥有很高的抗干扰水平，而裂缝波导管能够很好地满足该要求。在实际将裂缝波导管运用到轨道交通无线通信系统中时，需要在轨道交通钢管的中部位置或者两侧位置安装波导管，并确保车载天线与波导管呈90°直角，尽可能地降低信号干扰。

波导管不但可以很好地解决轨道交通无线通信系统容易受干扰的问题，针对一些同站台换乘区域等电磁波干扰强度较高的场所，也能够选择波导管技术来进一步强化无线通信系统的抗干扰能力。

3.2 同频干扰控制

在现阶段城市轨道交通系统中，应用最为广泛的信号系统便是CBTC列车自动控制系统，然而由于这种系统使用的车地无线通信技术通信频率为2.4GHz，使得其他也处于该频段的通信系统会对其产生较大干扰，造成CBTC控制系统不能够正常工作。比如在2011年广州地铁就由于信号干扰问题造成列车被迫停运。为了确保该问题能够得到彻底的解决，可以为城市轨道交通无线通信系统申请专门的通信频段。依托于使用2.4HGz之外的通信频段来避免该问题的产生，但是需要对新频段开展大量分析与探究工作。比如，相比较于常用的2.4HGz频段，生产其他频段设备的厂家较少，设备使用成本更高，后期维护与维修也存在较大问题，除此之外，新频段应用申请流程也十分麻烦，同时还需要进行大量的实践验证，以此来判断新频段能否满足城市轨道交通无线通信系统使用需求。针对一些同站台换乘的地铁站，其内部空间较为宽敞，能够基于无线通信频点的不同进行区分，针对不一样的线路应用不一样频点的信号指示设备，也可以采用不一样的通信途径，例如漏泄电缆、波导管等，最大程度降低电磁波外泄与干扰，从而有效避免各个线路中不同信号系统出现同频干扰现象。

另外，在无线通信系统中运用扩频技术也是一种有效的方法。信号在传递过程中占据的带宽一般要超过其额定的最小带宽，在信号发送端位置应用扩频编码完成调制，同时在信号接收端采用有关解调技术实现信号的接收，通过该方法能够为各个系统匹配与之相对应的扩频编码，一方面能够很好地区别不同的通信系统，另一方面也可以避免干扰问题产生。当下使用较为普遍的扩频方法是跳频扩频（FHSS）与直序扩频（DSSS）。

跳频扩频通常是借助于移频键控（FSK）的调制手段来实现载波频率跳频。比如，在CBTC列车自动控制系统中，依托于跳频扩频能够将系统频段分成80个信道，不同信道带宽均是1GHz，3个信道一起发送，同时为了保障发送端与接收端的信道顺序一致，应当要两者的PN码一样。FHSS技术的突出优势便是抗干扰性能优越，因为允许使用2.4GHz频段的通信设施类型多种多样，使得电磁环境较为恶劣，而通过跳频扩频技术的应用，能够使得载波频率依照伪随机序列进行跳变，同时序列类型十分丰富，能够很好地防止车地无线通信系统受到其他通信系统的影响。直序扩频通常是在发射端位置基于高速率扩频拓展信号频谱。依照香农定理能够看出，信道容量保持不变时，带宽与信噪比成反比关系，能够进行低信噪比输送，同时不会对同频段相关信号产生影响，在接收端同样使用PN码来解扩，并且控制PN码不出现其他干扰信号，确保传输信号拥有良好的抗干扰水平。

3.3 避免多径干扰

在现阶段无线通信系统中，为了有效避免城市轨道交通无线通信系统产生多径干扰，最为常用的方法便是引入正交分频复用（OFDM）技术。OFDM技术是建立在多载波调制的基础之上，其工作方式是将原有的信道划分为多个子信道，将正常情况下高速串行的通信数据转化为许多个并行的通信数据，同时依托于子信道实现子通信数据的低速传输。为避免正交分频复用中不同符号产生干扰，将正交分频复用中符号的末端拷贝下来，再将其与符号前端部门结合起来，从而形成前缀循环。将前缀循环当成是保护间隔，始终确保保护间隔超过时延扩展，保证子载波表现出良好的正交性，最大程度防止出现码间干扰问题，此外将前缀循环当成保护间隔还能够很好地弥补多径导致的信道间干扰问题。

4 结语

综上所述，当下我国移动通信技术得到了较快发展，然而随着社会环境的不断改变，无线通信信号受到干扰的问题时常发生。研究人员应当要深入开展这方面的研究工作，在对现有无线通信技术进行改进的基础上，不断创新无线通信技术；在运用波导管技术、同频干扰控制技术以及避免多径干扰技术等多种抗干扰技术手段进一步提高无线通信系统抗干扰性能的同时，也需要深入探索其他新型技术手段，来有效应对当下日趋复杂的网络环境，强化网络抗干扰性能，确保城市轨道交通通信系统可以稳定、可靠地运行。