地铁通信网络的无线频谱管理和干扰抑制技术

2024-03-25王鹏程

通信电源技术 2024年1期

王鹏程

（中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津 300308）

0 引言

地铁系统已成为现代城市的重要交通工具，然而在地下通道和地下车站中建立可靠的通信网络仍面临着巨大的挑战。地铁隧道的高封闭性、高密度的人流、多层建筑以及电磁干扰源等因素都严重影响着通信质量[1]。同时，地铁通信网络在紧急通信和乘客信息传递方面具有重要作用。为应对地铁通信网络面临的挑战，研究并实施有效的无线频谱管理和干扰抑制技术至关重要。

1 地铁通信网络的特殊要求

1.1 地铁网络拓扑和特殊环境

在设计和实施地铁通信网络的过程中，必须克服特殊环境和地形带来的一系列挑战。首先，地铁隧道的封闭性使得信号传输变得异常复杂。由于信号在封闭的金属隧道内会产生反射和折射，严重影响着传统的无线通信技术[2]。其次，由于地铁系统主要部署于地下，且隧道结构复杂，会导致信号产生衰减，需要采取特殊的信号增强措施。例如，在设计地铁网络时，充分考虑隧道的弯曲度和曲线长度，以确保信号覆盖的连续性和稳定性。最后，隧道的长度和深度也会影响信号传输，因此需要安装适当的中继设备，确保无线信号的覆盖范围和连续性。

1.2 通信设备和布局

在部署地铁通信网络时，需要综合考虑通信设备的布局和部署策略，以确保网络满足通信要求。例如，在隧道内部和地下车站之间选择合适的设备安装位置，以确保信号覆盖地铁隧道的各个部分。通信设备的布局需要考虑地铁系统的拓扑结构，如隧道和站点的位置，以实现最佳的信号覆盖。同时，要选择适当的通信设备和技术，以满足地铁通信网络的性能要求。例如，无线电信设备（如基站和中继器）及其工作频段的选择，都会对信号质量和网络容量产生重要影响。因此，必须综合考虑网络拓扑和通信设备的布局策略，以确保地铁通信网络的可靠性和性能[3]。

2 无线频谱管理和干扰抑制技术实现

2.1 频谱监测和分配

2.1.1 地铁通信网络中的频谱监测方法

频谱监测在地铁通信网络中起着重要作用，能够确保频谱资源的有效利用，以满足不断变化的通信需求。为了有效监测频谱，可以采用以下几种方法。

第一，应用频谱分析仪。通过使用专业的频谱分析仪，可以在地铁隧道和车站位置进行频谱扫描，捕获不同频段的信号，识别干扰源并分析信号质量。通过持续监测频谱，运营商可以及时发现并解决干扰问题[4]。

第二，部署传感器节点。在地铁通信网络中，可以采用分布式部署的方式部署传感器节点，以实时监测频谱环境。这些传感器节点通过地铁系统的互联网络实时汇报数据，使运营商能够及时掌握频谱条件的变化情况。

第三，使用无线电接收器。地铁通信系统可以装备具有广覆盖范围的无线电接收器，用于检测信号强度和质量。这些接收器可以安装在车厢、站台和隧道内部，以连续监测信号覆盖情况。

第四，采用自适应频谱感知算法。为适应不同时间和地点的频谱条件，地铁通信网络可以采用自适应频谱感知算法。这些算法会根据监测数据，实时调整频谱使用策略，确保得到最佳的频谱资源分配方案。

2.1.2 频谱分配策略的实际应用

频谱分配策略需要与地铁通信网络的实际需求和拓扑结构相匹配，才能确保频谱资源的有效利用。例如，在地铁通信网络中确定能够满足不同通信需求的频段，包括考虑公共安全通信、数据传输和乘客信息传递等不同的服务类型。为了更好地满足不同服务的需求，可以采用频域分配策略，即将频谱资源分配给不同的频段或信道。例如，将一部分频段用于紧急通信，另一部分用于数据传输，区分并优化服务。此外，频谱分配策略需要与地铁隧道和站点的布局相结合。在部署地铁通信设备时，必须确保信号覆盖范围和容量的最大化，并充分考虑隧道的弯曲度和曲线长度，以确保信号的连续性。同时，设备的位置和类型需要与频谱分配策略相匹配，以确保网络性能。

2.2 动态频谱访问

2.2.1 地铁通信中的认知无线电技术

认知无线电技术可以在地铁通信网络中实现动态频谱访问，以满足不断变化的通信需求。

第一，频谱感知。认知无线电技术要能感知周围的频谱环境。这可以通过使用专门的频谱感知设备，如频谱分析仪、无线电接收器等来实现。这些设备能够监测当前网络的频谱使用情况，包括信号强度、频道质量和干扰情况。

第二，频谱数据库。在地铁通信网络中建立频谱数据库，用于记录可用频段及其特性。该数据库包含不同地点和时间的频谱信息，帮助系统选择合适的频段。频谱数据库可以集成认知无线电系统，以实现动态访问可用频段。

第三，动态频谱分配策略。认知无线电技术利用感知到的频谱信息和频谱数据库中的数据，能够动态选择可用频段。同时，可以根据实际需求自动调整频谱访问策略，提高通信性能。

2.2.2 频谱共享技术的实现

地铁通信网络可以使用频谱感知技术来监测周围的频谱环境，以便实时感知其他系统的频谱利用情况，并选择未被占用的频段，避免发生冲突。地铁通信网络可以与其他通信系统建立频谱许可和共享协议，以明确频谱的使用规则和分配策略。这些协议可以规定哪些频段可用于共享，以及在何种情况下可以访问这些资源。通过与其他通信系统进行协调，可以有效减少干扰和冲突。地铁通信网络可以使用专门的频谱管理平台来统一管理频谱资源的使用。

2.3 干扰检测

2.3.1 地铁通信网络中的干扰识别算法

为了有效识别和解决地铁通信网络中的干扰问题，需要采用高效的干扰识别算法。

第一，实时信号监测。地铁通信网络可以通过部署接收器和传感器设备实时监测信号强度和数据质量，以收集周围信号的信息。

第二，采用模式识别技术。干扰识别算法可以采用模式识别技术来检测异常信号模式。例如，某个频段的信号强度突然下降或波动明显，系统会将其标记为潜在的干扰源。

第三，统计分析。通过统计分析信号数据，系统可以识别出潜在的干扰类型。例如，某些干扰源可能会产生周期性干扰，而其他干扰源可能导致频谱扭曲。

第四，建立干扰数据库。干扰数据库主要用于记录已知的干扰源及其特性。通过与该数据库进行比对，系统可以确定潜在干扰源的类型，以及时采取应对措施。

2.3.2 实时干扰监测的技术实现

为了实现实时干扰监测，地铁通信网络需要采用适当的硬件和软件工具，以保持通信的质量，降低干扰对通信质量的影响。地铁通信网络可以部署具有高灵敏度的接收器和具有信号处理功能的干扰检测设备[5]。这些设备可以在不同频段上进行连续监测，及时发现潜在的干扰源。通过实时分析收集到的信号数据，检测异常信号模式，如频率扰动、强度突然变化或频谱失真等，一旦识别到干扰，系统会立即采取应对措施。某些干扰检测设备可以采用定位技术来确定干扰源的位置，帮助维护人员快速定位并解决干扰问题。此外，干扰检测设备可以与系统的自动应对机制相结合，包括频率切换、干扰源隔离或通信链路切换等。

实时干扰监测技术的实现可以帮助地铁通信网络及时发现并解决干扰问题，提供更可靠的通信服务，改善通信质量。

2.4 干扰抑制方法

2.4.1 频谱掩蔽技术

频谱掩蔽技术是一种有效的干扰抑制方法，通过智能选择频谱资源来降低干扰对通信的影响。在地铁通信网络中，可以采用多种频谱掩蔽技术来提高通信信号的质量。通过分析干扰源和通信信号的频谱特性，系统可以将通信信号分配到空白的频谱资源上，以降低干扰的影响。此外，时域频谱掩蔽技术可以使用时间窗口或时隙来隔离干扰源和通信信号。这意味着只能在特定时刻传输通信信号，避免与干扰源的传输时间发生重叠。

2.4.2 干扰消除技术

在地铁通信网络中，干扰消除技术是提高通信质量的关键。

第一，干扰源识别定位与分析。通过实时监测和分析通信信号，可以提取并对比干扰源产生的信号特征，从而判断干扰的性质和位置。了解干扰源的性质和位置，对于后续的干扰抑制操作具有重要作用。

第二，采用干扰抵消技术。确定干扰源的性质和位置后，可以采用干扰抵消技术来降低干扰对通信信号的影响。为了实现这一目标，可以在通信信号中加入反向信号。因此，需要精准控制反向信号的幅度和相位，以便与干扰源产生的信号完全抵消。

第三，采用信号重建技术。在某些情况下，通信信号可能会因干扰而受损，可以采用信号重建技术来重新构建受损的通信信号。例如，使用已知的信息和信号处理算法来还原受损的信号。

3 地铁通信网络中的应用案例

文章以某大都市的地铁系统为例进行分析。随着城市人口的不断增长和乘客需求的持续增加，地铁通信网络面临着容量不足的问题，导致通信拥堵，服务质量也大幅下降。为解决这些问题，地铁系统可以采取以下几种措施。第一，增加基站密度。在地铁站点和隧道内增设基站，以提高通信网络的覆盖范围和容量。例如，可以在地铁隧道内部署小型基站，扩大通信信号的覆盖范围。第二，可以采用多频段技术来提高频谱资源的有效利用率。通过在不同频段上同时传输数据，提高通信网络的容量。第三，应用智能网络管理系统。智能网络管理系统可以在高峰时段和低峰时段自动调整频谱资源分配，确保网络资源得到有效利用。地铁系统改良前后的数据对比如表1 所示。其中，客户满意度满分为10 分。