轨道交通通信系统中覆盖及干扰共存的研究

徐学彦

（重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 401121）

0 引 言

从世界发展情况来看，在城市公共运输工具中，有轨交通工具早已成为重要构成成分。随着时代的进步和科学技术的发展，世界各大城市都将轨道交通作为改变城市交通拥堵情况的重要工具之一，因为其对于规划城市交通发展、优化交通运输有重要帮助，也能为城市快速发展提供重要保障。我国各大城市的轨道交通运输也在快速发展和进步，但许多轨道交通建设项目在发展的过程中遇到了一定的阻碍。当前，我国轨道交通通信系统建设就没有统一的建设标准和验收程序，再加上不同城市和地区对于城市轨道交通建设的发展诉求存在差异，因此，在运用通信技术时，应该根据自身城市交通需求进行改变。在城市轨道交通运营模块中，轨道交通通信系统是重要构成成分，但是我国在轨道交通方面的起步较晚、技术较差，在运用通信系统时缺乏实践经验和长期的探索，因此在建立轨道交通通信系统时存在部分影响交通运输发展的问题亟待解决[1]。

1 城市轨道交通发展现状分析

在人类文明历史上，轨道交通的发明其实很早，它在城市交通中早已成为交通运输的一部分，为城市人员流动提供助力。随着社会的不断发展和科技的不断进步，城市轨道交通已经成为改善城市交通、缓解市民日常出行压力的重要交通方式。作为城市基础设施建设，城市轨道交通也能反映出各大城市的现代化发展水平和经济实力[2]。

1.1 国外城市轨道交通发展现状

从20世纪以来，世界各地的交通出行方式发生了快速且巨大的变化，而城市轨道交通正是其中占据重要地位的一项，它对于世界各大城市的人员流动、交通疏解等提供了积极作用。从国外城市轨道交通发展来看，自英国第一次工业革命后，就已建成了历史上第一条地下轨道交通，该轨道交通也是第一次使用蒸汽式发动机，直到19世纪90年代改用电力式动力汽车。然而，在轨道交通发展初期，其整体发展速度非常缓慢。到了20个世纪50年代，世界各地对于城市轨道交通建设的发展有了重视，当时已有20个城市投入并建成了轻轨、地铁等交通工具。此后，随着世界人口的急剧增加，城市交通压力越来越大，澳洲、欧美等发达国家开始看重城市轨道交通运输工具的发展潜力，开始建设城市轨道交通事业。从那以后，国外城市轨道交通迎来了崭新的局面。

1.2 国内城市轨道交通发展现状

我国对于城市轨道交通的发展起步较晚。自20世纪70年代以来，我国对于城市轨道交通建设才有了初步的发展和摸索，并在此过程中顺利建成第一条城市轨道交通线路并投入使用。我国在城市轨道交通发展方面主要经历了两个重要时期，即起步时期和探索时期。在起步时期，首都地铁从最初的设计方案到完全竣工总共花费了11年，全长54 km，这对于我国城市轨道交通发展来讲有着至关重要的作用，奠定了城市轨道交通在我国全面发展的重要基础。到了探索时期，我国重视市场经济发展，重视全面深化改革和改革开放，国内各大城市也重视经济体制改革与协调发展，希望加快城市化建设速度，打通城市道路交通阻碍。当时北上广深等超一线城市已经取得了突破性进展，为其他一线城市的城市轨道交通建设打下了良好的先决条件，使得我国城市轨道交通行业有了蓬勃的发展[3]。

2 轨道交通CBTC通信网络及移动Wi-Fi通信系统概述

2.1 轨道交通CBTC系统

轨道交通CBTC系统是根据通信的移动闭塞系统完成轨道交通的自动运行、自动保护以及自动监控等功能，轨道交通能否稳定、安全的运营与轨道交通CBTC系统的稳定运行息息相关。随着近年来我国轨道交通事业的蓬勃发展，我国轨道交通中运用CBTC系统的频率也在大幅增加。这是由于CBTC系统具备传输效率快、运输成本低、简单操作、传输信息量大等特点。同时，轨道交通CBTC系统可以确保2.4 GHz的工作时段完成双向通行，达到良好信息交接，因此轨道交通中大量使用轨道交通CBTC系统。

2.2 移动Wi-Fi通信系统

我国轨道交通线路网中已经普遍利用了移动Wi-Fi信号系统来进行无线信号传输。这是因为移动Wi-Fi通信系统的无线信号传输效果较为良好，能够确保轨道交通通信始终保持通畅。当前，部分轨道交通中会利用4G通信来代替移动Wi-Fi通信系统，4G通信也能达到良好的通信效果。

3 干扰原理

移动通信的载体是无线电波，在进行无线信号传输的同时，通信过程也会受到许多方面的干扰和影响。在无线电波干扰形式中，比较常见的几类干扰包括互调干扰、邻频干扰、阻塞干扰、带外干扰及同频干扰等。此外，轨道交通的通信也会受到轨道交通现场环境的影响。

4 轨道交通场景下的通信性能探讨

对于轨道交通的通信，不论是移动Wi-Fi通信系统、CBTC通信系统还是轨道交通现场环境，都会对其造成不同程度的影响。本文主要研究了移动Wi-Fi通信系统和CBTC通信系统对其产生的干扰影响。

4.1 系统模型

轨道交通CBTC通信系统主要由两条无线链路构成，分别包括轨道旁AP至列车上车载天线的下行链路以及列车上车载天线VA至轨道旁AP的上行链路。但是移动Wi-Fi通信系统的频率一般保持在2.4 GHz，因此与CBTC通信系统存在同频干扰。在城市轨道交通中，若移动Wi-Fi通信系统网络的使用人数大量增加，则会导致许多的信号链路，这对轨道交通的CBTC通信系统的安全运行造成了不利影响。此外，若轨道交通中的移动Wi-Fi通信系统与CBTC通信系统采用同一信道进行信号传输，则会存在互相竞争这一信道的情况，从而影响CBTC通信系统的安全通信，给轨道交通的安全运行造成危害。

根据这一情况利用随机的方式对实际车厢内用户的分布进行模拟，并根据这一模型还原出车厢内部Wi-Fi通信系统的传播模型，包括车厢内Wi-Fi信号系统传播模型、车厢至隧道的Wi-Fi通信系统传播模型以及隧道内Wi-Fi通信系统传播模型。按照特定的求解公式，计算出CBTC通信系统下行链路的各大结论。

4.2 理论推导

在Wi-Fi信号中，利用特殊的MIiFi设备进行替代可以让该设备在性能和吞吐量方面与Wi-Fi类似，进而实现对车厢内Wi-Fi通信系统设备与CBTC通信系统的干扰共存场景的计算，也能研究计算轨道交通CBTC通信系统受Wi-Fi通信系统干扰的吞吐量。

有一类操作简单且可行性强的抗干扰DCF算法，可以有效解决移动Wi-Fi通信系统和CBTC通信系统之间的干扰问题。这一类DCF算法主要就是利用改变DCF协议来提升CBTC通信系统接入节点概率的方式，从而实现减少干扰影响的效果。

4.3 仿真效果

根据所使用的抗干扰DCF算法，为了对比理论推导完成DCF算法的仿真，可以假设Wi-Fi通信系统设备模型为255 byte、1 023 byte、4 095 byte三种不同数据帧长度业务。其中需要重视的是必须考虑仿真过程中VA平均数据包时延和传输失败率的变化范围。因此，可以得到车厢内的Wi-Fi通信系统设备在相应环境下进行使用，有可能会导致轨道交通停止，而抗干扰DCF算法则正好能够降低这一问题给轨道交通带来的严重后果。

5 我国城市轨道交通通信系统发展的趋势

随着我国城市化进程的不断加快，城市经济发展更加重视低碳环保和节能，因此城市轨道交通也会更加重视向低碳环保的趋势发展。由于我国各地的经济发展差异和地理影响，城市轨道交通通信系统的建设要求也会有所区别，但总体的发展趋势还是存在许多共同点。

5.1 前提评估标准能保障轨道交通的安全性

在轨道交通通信网络中进行管理评估时，会常常使用RAMS标准。该标准会对整体城市轨道交通通信系统的建设管理进行操作，减少系统中存在故障和发生故障的概率，让整个通信系统长期处于安全可靠的状态。

5.2 将会普遍使用数字集群通信系统TETRA

数字集群通信系统TETRA在经过探讨和发展后，能够实现在轨道交通通信系统中指挥得当、调度有序。该技术在我国已经相对成熟，是我国城市轨道交通使用的重要技术之一，它能为轨道交通通信系统提供准确、高效的服务，也能有效减少运营成本。在今后的城市轨道交通发展过程中，该技术仍旧会被普遍使用。

5.3 提供更具人性化的服务

随着我国经济的快速发展，人们生活水平不断提高。城市轨道交通系统作为城市公共基础设施产品，在满足广大居民出行需求的同时，也要重视优化城市轨道交通通信系统的便捷性和舒适性。当前，多数城市轨道交通系统已经覆盖了Wi-Fi网络、安全监控和乘客身份信息识别系统等，为人们的轨道交通安全运行提供更加人性化的服务。在今后的发展过程中，随着科学技术的不断进步，人像采集、广播系统等也会被充分使用，从而帮助乘客获得更好的出行体验，全力提升城市轨道交通的综合服务质量，为城市居民出行创造良好的交通环境。

6 结 论

由于我国城市轨道交通发展起步较晚，城市轨道交通建设更加刻不容缓。在建设城市轨道交通时，需重视引进国外超前的技术经验和科技方式，以加快我国城市轨道交通发展，满足居民日常生活出行要求。