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    城市軌道交通無線通信抗干擾技術的研究論文

    發布時間:2022-11-23 14:10:21 文章來源:SCI論文網 我要評論














    SCI論文(www.free-home-improvement-tips.com):
     
      摘要:隨著我國經濟的快速發展和城市化進程的不斷加快,交通建設迎來黃金高峰期。城市軌道交通因其大運量、高效能的特點成為大多數人群的出行首選。無線通信系統主要用于實現車地信息交互,是城市軌道交通的重要基礎設施,其系統的穩定性和可靠性直接決定了軌道交通運輸的效率。因此,相關人員必須保證強大的信號覆蓋和穩定的通信質量。本文以無線通信抗干擾技術為主要研究對象,重點闡述在通信技術的不斷發展和改進之下,如何進一步提高無線通信的抗干擾能力,并保證無線通信的傳輸速率。

           關鍵詞:軌道交通;無線通信;無線電干擾
     
      Research on Urban Rail Transit Wireless Communication Anti-Interference Technology

            Qiu Kaiyun
     
      [ZTE(Wenzhou)Rail Communication Technology Co.,Ltd.,Wenzhou Zhejiang,325000]

            Abstract:With the rapid development of our economy and continuous urbanization process,transportation construction has ushered in the golden peak period.Due to the characteristics of its large transportation and e?ciency,urban rail transit has become the?rst choice for most people.The wireless communication system is mainly used to realize the information interaction of the vehicle?oor.It is an important infrastructure of urban rail transit.The stability and reliability of its system directly determine the e?ciency and operational safety of rail transit.quality.This article takes wireless communication anti-interference technology as the main research direction,focusing on the continuous development and improvement of communication technology,how to further improve the ability of wireless communication anti-interference capabilities to ensure reliable and e?cient wireless communication transmission rates.
     
      Key words:rail transit;wireless communication;radio interference
     
      一、前言
     
      一般來說,城市軌道交通無線通信系統主要分為三種,分別是專用無線、公安消防無線和公網無線,分別為軌道運營人員、軌道公安和乘客提供無線通信服務[1]。隨著城市軌道交通系統制式和業務需求的不斷增多,無線通信系統的建設要求也越來越高。因此,不斷提高無線通信系統的數據傳輸性能和信息處理能力,是未來無線通信技術發展的必然方向。
     
      二、軌道交通無線通信技術特點
     
      隨著無線通信技術的不斷革新和突破,不同行業領域應用的無線通信技術也不盡相同。因此,在軌道交通工程建設、規劃、改造和設計過程中,技術人員要充分了解建設模式和運營管理的要求,并根據當前無線通信技術的實際發展水平,科學、準確地選擇適合的技術類型,建設更加完善且具備前瞻性的無線通信系統,為城市軌道交通的可持續發展奠定基礎。

    \
     
      軌道交通無線通信對行車安全的影響較大。系統因干擾出現傳輸中斷后,技術人員必須將傳輸斷點和恢復傳輸功能結合起來,以保證傳輸內容的完整性,這對PIS信息的接收、下載、回放、上傳及對車載CCTV信息的記錄、存儲都有十分重要的作用。
     
      隨著視頻業務、AR/VR等技術的快速發展,軌道交通對通信應用的建設需求日益增多,軌道交通對無線通信的帶寬需求和覆蓋強度也大幅提高。其中,信號覆蓋率可以通過低功耗、高密度的方式來實現。
     
      三、無線通信抗干擾技術的干擾源研究與分析
     
      (一)內部干擾
     
      1.鄰頻干擾
     
      鄰頻干擾主要是指相鄰頻率引起的干擾。在設計無線通信系統的過程中,技術人員需要盡可能地增加通信系統的可用容量,通常情況下多采用頻率復用方式[2]。由于信號信道的頻率間隔不大,頻率復用雖然提高了頻率利用率,擴大了系統可用容量,但也增加了系統發生鄰頻干擾的可能性。比如,軌道交通授權專用頻段1.8GHz與私有頻段緊密相連,兩者之間容易產生干擾,最終會在一定程度上影響城市軌道交通的通信。
     
      2.同頻干擾
     
      軌道交通無線通信系統設備種類繁多且品牌各不相同,實際系統運行過程中,經常存在多種不同的無線終端設備覆蓋在同一頻率上的情況。設備覆蓋范圍經常出現重疊會導致設備之間形成較強的互相干擾效應。
     
      3.多路徑干擾
     
      城市軌道交通線路多為地下狹窄隧道。無線通信系統運行時,通信信號不斷從隧道墻壁和表面反射,承載信息的電磁波通過多條路徑到達接收端設備,由此會形成多路徑干擾。
     
      (二)外部干擾
     
      由于是向社會人群提供公共交通服務,城市軌道交通無線通信系統不僅具有內部干擾因素,還存在非常多的外部干擾因素。其中,最主要的就是2.4GHz和5.8GHz開放頻段存在的與手機無線局域網、藍牙無線設備及各類無線WIFI電臺之間的同頻段信號干擾[3]。這些干擾源會嚴重影響無線通信系統的可靠性和穩定性,給軌道交通的運營帶來極大風險。因此,相關工作人員應準確分析造成干擾的因素,并采用科學的方法減少通信干擾,提高軌道交通車地無線通信的抗干擾能力。
     
      四、軌道交通無線通信技術分類
     
      (一)3G
     
      3G是第三代移動通信技術,基本模式主要分為TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000三種類型,其主要工作頻段在2000MHz左右,并具有最高2000Kbps的傳輸速率,可以有效支持視頻、音樂等多媒體業務。2009年工信部已將3G運營牌照發給三家移動運營商,但用于城市軌道交通車的通信交互效果并不理想。
     
      (二)WiMAX
     
      WiMAX是建立在IEEE802.16無線城域網標準基礎上的無線數字通信技術,支持點對點或點對多個點的網絡結構。部分設備支持免申請的頻段。WiMAX理論上能提供70Mbps的速率,可應用于軌道交通PIS系統視頻業務,但由于其與LTE關鍵技術重合,全球運營商對其關注度和支持力度不夠,因此導致整個產業鏈發展不成熟,最終未實現大規模商用。
     
      (三)TETRA
     
      TETRA屬于窄帶數字集群通信系統,是一種基于數字時分多址(TDMD)技術的無線集群移動通信系統,主要工作頻段在380mhz—400mhz、410mhz—430mhz、806mhz—825mhz和851mhz—870mhz。TETRA的信道數據速率為36kb/s,多用于承擔軌道交通運行過程中的列車調度、信號傳輸等任務,如語音、數據信息傳輸,是專用通信系統的重要組成部分。
     
      (四)GSM-R
     
      GSM-R是專為鐵路系統開發的數字無線通信系統,在公網GSM技術基礎上融合了調度通信功能,主要提供無線列調、編組調車通信、區段養護維修作業通信、應急通信、隧道通信等語音通信功能,可為列車的自動控制與信息檢測提供數據傳輸通道。目前GSM-R在全世界的鐵路系統中都有非常廣泛且成熟的應用,在我國也已經作為鐵路系統的首選,并在2—6公里范圍內的鐵路系統設為專屬頻段。
     
      (五)WLAN
     
      WLAN是最基本的無線通信網絡類型,在業界具有代表性。1999年IEEE分別推出了802.11b與802.11a兩種WIFI標準,分別適用2.4GHz和5GHz頻段。經過多年發展,目前使用最多的是802.11n(第四代)和802.11ac(第五代)標準,其傳輸速率最高可達600Mbit/s。WLAN可根據現場條件和無線場強覆蓋的需要進行設計和安裝,系統整體造價低廉。但由于WLAN在高速移動狀態下穩定性較差,無法滿足軌道交通信號系統的高可靠性要求,因此更加適用于PIS系統中的視頻業務。
     
      (六)LTE
     
      LTE是第四代移動通信技術,在3GPP TD-LTE(1.8GHz)的無線移動技術的基礎上進行承載,采用頻偏糾正算法,可確保高速移動通信的無縫體驗與高可靠性。系統提供的雙向傳輸有效帶寬不低于20Mbit/s(列車80km/h行駛速度下),具有高可靠性、高移動性和完善的安全保障機制,并支持9級業務QoS分級控制,可完成大量數據的上傳工作,適用于軌道交通信號、調度、語音、視頻及數據等無線集群綜合業務的承載。但LTE仍面臨頻點資源申請困難的問題。

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      (七)5G
     
      5G是第五代移動通信技術,具有高速率、低時延和大連接等特點,用戶體驗速率達1Gbps,時延低至1ms,用戶連接能力達100萬連接/平方公里。面對當前LTE頻譜資源無法滿足軌道交通各類業務綜合通信需求的情況,5G通信技術將頻譜效率提高了10倍,技術人員可在原有帶寬基礎上提高通信速率,滿足更多復雜的業務需求。但目前為止,5G在軌道交通領域尚未應用專用頻率,因此難以實現行業級的大規模應用。
     
      五、無線通信系統抗干擾解決方案
     
      (一)波導的使用
     
      波導是一種金屬導管或內敷金屬的非金屬導管,具有非常高的傳輸速率,主要用于傳送超高頻電磁波。目前,國內常見的波導有圓形波導管、矩形波導管、雷達波導管和光線波導管等。波導管的內徑由發射的信號決定,可根據實際使用范圍和安裝位置進行合理選擇。波導管具有傳輸損耗小、抗干擾能力強、可靠性高等優點。在無線通信系統中應用波導管技術,可以極大提高無線通信系統的抗干擾能力,有效保障數據傳輸的速率和質量,進而保障列車運行安全。
     
      (二)同頻干擾控制
     
      針對兩條線路的同站臺換乘車站,相關人員可以直接在通信系統頻段進行細分,區分線路使用不同頻點的無線通信制式設備,減少系統的內部同頻干擾。
     
      針對不同線路上的通信設備,無線通信系統可以采用不同的信號傳播方式,如無線電臺、漏泄同軸電纜、裂縫波導管等,以此減少電磁波外泄后存在的干擾問題。
     
      擴頻技術也可以有效解決通信系統中的干擾問題,常用的擴頻方法有FHSS跳頻擴頻和DSSS直序擴頻兩種。擴頻通信技術在發端以擴頻編碼進行擴頻調制,在收端以相關解調技術接受收信息,其特點是傳輸信息所用的帶寬遠大于信息本身的帶寬。結合信號頻譜與香農定理可知,系統容量穩定不變,帶寬越寬,系統的信噪比越低,這意味著信號可以直接混入噪聲中,并在不影響其他通信系統的情況下完成低信噪比傳輸。
     
      (三)解決多徑干擾
     
      在現代社會,隨著通信技術的不斷發展,各種通信技術隨著時代的發展逐步涌現。其中,正交分頻復用(OFDM)可以妥善處理多徑干擾問題,其有效性非常顯著。這種處理方法的技術原理是將現有的信號通道細分為若干個不同的子信令通道,將相應的串行數據也自動細分為多個并行的子數據,高速傳輸被轉換為低速并行傳輸??紤]到正交分頻復用中的符號間干擾問題,技術人員可將符號的尾部復制粘貼并插入在符號前,作為前綴循環來解決多徑干擾問題。
     
      (四)申請5G專用頻段
     
      無線通信系統申請新的5G頻段替代現有頻段,需要基于新頻段對無線通信系統的運行狀況和仿真測試結果進行系統性的研究分析,需要基于多次試驗判定5G新頻段與軌道交通各相關業務系統的兼容性,并根據研究分析結果進行客觀評價。在這個過程中,技術人員應重點關注以下事項。
     
      首先,軌道交通無線通信系統建設需求無法與大型運營商相比。在此客觀背景下,即使軌道交通建設處于持續的高速發展階段,通信管理部門和行業通信服務商也不一定能及時提供定向的專業服務。
     
      其次,軌道交通無線通信系統對專業化技術要求較高,后期維護難度大。如果配套供應商停產零件,又難以找到替代品,技術人員就必須對整個通信系統進行改造。
     
      再次,軌道交通無線通信系統在產業化發展的過程中必然會出現多種情況,高昂的成本就是其中一種。
     
      最后,申請新頻段的程序非常煩瑣,時間上無法有效掌控。
     
      六、結語
     
      盡管目前我國的無線通信技術已經取得了長足的進步,但相關研究人員仍需要加強對新技術的研究,以更加領先的技術保證無線通信網絡環境的暢通高效。同時,無線通信技術的應用必須依據軌道交通智慧化發展現狀進行綜合考慮,并以此為基礎,盡可能地提高軌道交通無線通信系統的抗干擾能力,這對無線通信技術的發展也能起到重要推動作用。
     
      【參考文獻】
     
      [1]張周,黃春芳,馬文生.車地無線通信在城市軌道交通中的應用[J].城市快速軌道交通,2014,(06).

           [2]黃輝.基于TDD-LTE技術的城軌車輛-地面無線通信網絡技術[J].城市軌道交通研究,2016,(04).

           [3]劉偉.無線通信系統在城市鐵路中的應用[J].電子技術與軟件工程,2016(08).
     
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