地铁车地无线通信信号传输抗干扰方法研究

地铁车地无线通信信号传输抗干扰方法研究

性研究

姜振东  董致玮 王 垚

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116200

摘要：车地无线通信体系的核心功能在于支持CBTC系统的运作，确保地铁列车在区间内的实时、无线数据交换，这是确保地铁行车安全的关键环节。然而，传统的WLAN技术，其工作频率锁定在2.4GHz的公共频段，容易受到外部环境的干扰，且信号传输损耗较高，这使其逐渐难以满足轨道交通领域的高效通信需求。作为新一代的移动通信技术，即第四代LTE，它以其高数据速率的服务特性，正在轨道交通通信网络中崭露头角。为了获取更宽的带宽，LTE网络常采用同频组网，但这可能导致小区边缘用户的信号质量下降，因为同频干扰成为一个不容忽视的问题。因此，深入研究基于LTE的地铁车地无线通信中的同频干扰现象具有显著的实际意义。

关键词：地铁车地无线通信；信号传输；抗干扰方法

1地铁车地无线通信系统的要求

列车运营的核心命脉在于高效的地铁通信架构，它运用精密信号调控机制确保列车行驶的无缝衔接和安全性。以通信技术为基础的先进信号控制系统，如CBTC（Communication-BasedTrainControl），在全球交通领域占据着显著地位。CBTC系统摆脱了传统轨道电路的束缚，凭借其双向且大容量的实时通信能力，实现了高度智能化的调度。该系统由五个关键组件组成，包括ATS（AutomaticTrainSupervision）系统、ATC（AutomaticTrainControl）系统、CBI（CentralizedBlockInterface）系统、MSS（MaintenanceSupportSystem）和DCS（DataCommunicationSystem）。DCS子系统，作为信号控制的核心支柱，专司信号设备间的数据交换，它构建了一个封闭且独立的通信网络，旨在确保CBTC信号系统的绝对隔离，防止外部干扰。

2LTE技术在车地无线通信系统中的应用

2.1LTE关键技术

LTE（长期演进）是一个创新的移动通信系统架构，旨在通过优化调制策略来增强网络的性能和效率。在LTE通信中，几种核心技术起着关键作用，包括多载波传输的高效利用、空间复用的MIMO技术和智能的空中接口设计。OFDM（正交频分复用）技术作为基础，它巧妙地利用多个独立的子信道，实现了非对称数据传输的高效处理，突破了传统无线通信的速度限制。MIMO（多输入多输出）技术则通过在发送和接收端设置多个天线，实现了在保持相同带宽的前提下，显著提升信号质量和数据传输容量，提高了频谱资源的利用率。空中接口物理层作为整个体系结构的基石，上行链路采用单载波SC-FDMA（单载波频率分复用多址），而下行链路则采用了更为先进的OFDMA（正交频分多址）技术。

2.2LTE网络架构

新的地铁通信系统采用了创新的融合架构，即C网和D网，每个网络各占用专属的频谱资源，c1和d1。为了增强数据传输的可靠性，发送端对相同信息进行双重编码并发送，接收端接收这两份数据后，一旦确认一份有效，就能解析出关键的车地通信信息。C网和D网的同步机制独特，户外站点依赖于精密的GPS同步，而地下部分则依靠先进的IEEE1588v2（PTP）协议来确保时钟精确无误。通过整合C无线网络和C核心网络，形成高速的LTE-C网络，同理，D无线网络和D核心网络构建了LTE-D网络，两者之间实现了无缝的端到端通信。

2.3无线网络覆盖

为了确保车地无线通信系统的稳定运行，LTE网络精心挑选了1.786~1.805GHz这一专属频段，以最大程度地减小外界无线信号的干扰，从而保护地铁业务免受不必要的影响。在车站内部，基站设施被安置在专门的弱电综合设备室内，其任务是将无线信号高效传输至漏缆系统。射频单元则被精确部署在漏缆附近，通过射频线缆紧密连接，确保信号的连续传输。如果射频单元的信号覆盖范围不足以涵盖相邻车站的距离，策略是将其移至隧道的核心区域，实施更为广泛的信号覆盖，确保无线通信的无缝连接。这种优化设计旨在提升通信效率，避免任何可能的技术盲区。

3基于LTE技术的地铁车地无线通信信号干扰研究

3.1LTE车地无线通信信号干扰来源

LTE网络与WLAN网络在运行原理上存在显著差异，它依赖于1.8GHz的专业频率段，具有很高的抗外部无线电波干扰能力。然而，在地铁环境下的车地无线通信中，一个关键挑战是出于频谱资源的高效利用，有时会选择将LTE频段设置为相同的频率，这就引发了显著的同频干扰现象，对系统的性能造成了一定困扰。OFDM技术的核心优势在于确保子载波间的独立性，理论上避免了小区内部的同频干扰。然而，当两个频率相同的小区进行信息传输，无论是上行链路还是下行链路，甚至同一链路上的双向通信，都可能引发同频干扰。因此，这种干扰可能出现在隧道的前后连续小区，或者地铁站两侧的双隧道小区中，形成复杂的干扰场景。

3.2地铁车站两侧双隧道小区信号抗干扰

异频协作，即不同频率的协同工作，其设计原则依赖于相邻频段小区间的有效布局。在确保通信性能的前提下，精确设定适宜的异频协作间距至关重要。通过借鉴前文关于频谱隔离度的分析，我们可以确立一个合理的异频协作最小安全距离标准。这一策略不仅能够有效地防止地铁站双隧道内同频信号间的相互干扰，还解决了因安全距离设置过宽而导致的宝贵空间资源的浪费问题。

3.3同向隧道前后相邻小区信号抗干扰

当发现相邻小区的同向隧道边缘区域遭遇显著的低信噪比问题时，我们可采取一系列策略来管理和减轻同频干扰，确保边缘地带的通信效率。首先，异频调度作为一种高效手段，涉及对不同频率资源的智能优化。它侧重于评估并优先选择信号质量优异的异频点，促使通信设备迅速切换，从而在边缘地带保持稳定的业务速度。其次，干扰协调则聚焦于发射端的功率调控和系统资源的合理分配，通过对信号的精细管理，实施有效的抑制和干扰控制，以此提升边缘区域的带宽利用率。这种方法旨在增强信号强度，减少外部干扰对服务质量的影响。

结论

在探究城市地铁系统中LTE车地无线通信的稳定性与安全性时，我们对信号干扰现象进行了深入研究，发现以下关键点：1）相较于WLAN，LTE技术凭借其集成的OFDM和MIMO等创新技术，以及专享的1.8GHz频段，理论上能有效地抵御外部系统的干扰。然而，为了优化频谱效率，LTE车地通信的干扰主要源于自身的同频信号重叠，即同频干扰。2）在地铁车站双隧道区域，我们通过精确测量同频隔离度，识别出设置同频复用最小安全距离的必要性，这有助于防止双隧道小区间的互扰问题。3）针对同向隧道内前后小区的信号干扰，我们依据边缘信噪比的数据，实施异频调度策略，结合干扰协调和消除技术，旨在提升小区边缘的信号质量，增强通信性能。

参考文献：

[1]贾蕾.基于LTE技术的地铁车地无线通信技术研究[J].数字通信世界，2021,198(6):112-113.

[2]杨阳.地铁无线通信抗干扰优化方法研究[D].上海：上海应用技术大学，2021.

[3]杨瀚程.长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用——评《现代地铁民用无线通信》[J].现代雷达，2021,43(3):101.

[4]李旭东，段盼平.太原地铁2号线车站公共区直流照明系统方案设计[J].中国新技术新产品，2020,423(17):81-82.