基于抗干扰分析的地铁专用无线通信系统设计

刘晓舟

（徐州地铁运营有限公司，江苏 徐州 221000）

0 引 言

城市轨道交通是社会稳定发展的重要前提，经济的进步与人们生活水平的提升离不开城市轨道交通的发展[1,2]。地铁作为城市交通中的重要运输工具，在近几年得到了高速发展，为人们的工作与生活提供了便利[3,4]。通过文献分析可以确定，地铁专用无线通信系统在一定程度上影响着地铁运行的好坏，对地铁后期维护的费用也有着一定程度的影响。因此，设计与优化地铁专用无线通信系统对于地铁的发展具有重要意义。

当前，地铁专用无线通信系统可分为全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）、陆上集群无线电（Trans European Trunked Radio，TETRA）系统以及MPTI327等多种模拟集群通信系统，这些系统具有较高的实用性，但在干扰的情况下容易产生误差[5]。在地铁电压发生变化或是信号发生变化的过程中，通信系统整体运行稳定性受到冲击，信号传输受到干扰，严重影响了地铁的运行安全。针对此类问题，提出一种基于抗干扰分析的地铁专用无线通信系统，希望通过信号分析的方式提升系统的抗干扰能力，提升地铁信号稳定性。通过设计更加优质、合理的设计方案，推动城市轨道交通制造技术与管理技术的发展。

1 基于抗干扰分析的地铁专用无线通信系统需求分析

地铁专用无线通信是高速地铁列车与车站运营管理人员之间的重要通信方式，承担着提高运营效率，保障地铁乘客的行车安全和生命安全的重要使命[6]。当地铁传输通信系统出现故障时，地铁专用无线通信系统的正常运行就具有非常重要的作用，可以保证列车司机和地面调度员之间的正常通信及数据传输，保证了地铁车辆的正常运营[7]。

早期地铁无线通信存在的主要问题是信号稳定性和抗干扰性差，信号传输质量低，功能单一，在很大程度上制约了地铁交通安全可靠性的提高。地铁专用无线通信系统是地铁整体结构中重要的组成部分[8]。当地铁专用无线通信系统出现故障时，通过系统的管理功能对地铁专用无线网络子系统进行自诊断，并对地铁无线网络子系统的抗干扰性、系统无线控制器的冗余、系统设备的前后切换方案、列车无线系统与列车网络的隔离方案进行设计，保证地铁列车的正常运行。

2 基于抗干扰分析的地铁专用无线通信系统硬件设计

通过分析调研当前大量的地铁专用无线通信系统后，得到此类系统的性能问题。根据问题进行了系统设备的二次选型，得到选型结果后优化原有的系统硬件框架，并设定相应的优化方案。

当前系统网络接口的使用性能极易受到外部环境的影响，导致其信号发出稳定性极差，因此选择DXT交换机（图1）替换当前交换机[9]。

图1 DXT交换机

在确定交换机型号后，优化通信基站的下板卡单元，增加接收多路耦合器和自动调谐合路器，实现基站的稳定运行。此环节完成后，将机柜内信道机增设为4个，支持32个信道，每个信道之间的通信间隔为25 kHz。

在网络接口设定完成后，对系统中的其他接口展开设定，具体内容如下。（1）中控网络接口：接口界面设定在数字配线架（Digital Distribution Frame，DDF）外线侧，具体数量、位置根据通信营销商要求设定。（2）集中网管系统接口：10/100M以太网接口与集中网管系统互连，接口类型设定为RJ45。将上述接口与网络接口安装到原有的地铁专用无线通信系统硬件框架中，完成系统硬件的优化设计。

3 基于抗干扰分析的地铁专用无线通信系统软件设计

系统硬件部分优化完成后，在软件模块部分增设抗干扰分析模块，以此提升系统的整体抗干扰水平。对比多种方法后，选择主成分分析法作为此模块的核心算法[10]。

将系统采集到的原始信号数据进行标准化处理，得到量纲统一的信号数据，信号标准化变化公式设定为：

式中，var（ai）与分别为原始信号a的方差与均值；aij为原始信号数据内容；为标准化处理后的信号数据。将标准化处理后的数据整合为矩阵形式，并对其进行求解，得到信号的特征根与特征向量，确定此信号是否为主成分，此时得到主成分求解函数为：

式中，F（b）为主成分求解函数；αi为信号对系统的干扰程度。根据式（2）得到抗干扰分析中的主成分，评价抗干扰能力，完成抗干扰分析过程，此时则有：

式中，βi表示各个主成分的权重；Y表示主成分分析结果。整理上述计算内容，将其融入到抗干扰分析模块中，最终实现基于抗干扰分析的地铁专用无线通信系统设计。

4 系统测试与结果分析

为了确认基于抗干扰分析的地铁专用无线通信系统的应用效果，构建系统设计环节对其展开测试。此次系统测试平台需在实际系统上完成搭建工作，使用3.6 GHz无线网卡完成系统测试。

4.1 系统测试方案

本次系统测试中，将系统的抗干扰能力分为两个部分进行测定。

4.1.1 设备电源电压稳定性测试

通过调试系统的电源电压，模拟设备电源发生变化时的状态，判定系统的工作能力。将测试环境的温度控制在26 ℃左右，相对湿度设定为50%，按照电子装置标准的要求，在测试过程中不显示任何设备故障或是损坏信息，仅对设定运行的稳定性加以分析。此次测试共进行5次，通过获取系统设备电力信号输出波动的形式得到实验结果。

4.1.2 通信网络攻击测试

在现有的地铁通信网络中增加攻击信号，并在攻击过程中进行网络数据传输，确定不同攻击信息下的信号丢包率，通过此数据确定文中系统的抗干扰能力。本次系统测试中，共进行10次通信网络攻击测试，为获取更加真实的测试结果，增加当前基础系统以及信号调节系统作为对照组，分析此系统与文中系统的性能差异。

4.2 系统测试结果分析

4.2.1 设备电源电压稳定性测试结果分析

在电源电压不断变化的前提下，文中系统设备的电压稳定性较高，且没有出现设备故障与损坏的情况，测试结果如图2所示。

图2 设备电源电压稳定性测试结果

根据电子装置标准要求分析图2中的内容，文中系统试验的结果等级为A。根据上述测试结果可以确定，文中系统符合当前的抗电源波动标准，将其安装在地铁上后，可以保证通信长时间处于稳定状态。

4.2.2 通信网络攻击测试结果分析

在通信网络受到外部信号攻击的环境下，文中系统信号输出丢包率相对较低，在一定程度上可以保证地铁专用无线通信网络数据的完整性与安全性。通信网络攻击测试结果如表1所示。

表1 通信网络攻击测试结果

对表1中的数据进行整理分析可以看出，相较于文中系统，基础系统容易受到网络攻击，其整体丢包率控制在4%左右，抗攻击干扰能力较差。信号调节系统的丢包率比对基础系统丢包率得到了控制，但整体效果不如文中系统。整合设备电源电压稳定性测试结果分析结果与通信网络攻击测试分析结果后可以确定，文中系统的信号抗干扰能力与设备抗干扰能力，均优于基础系统，可对其进行大规模应用测试[10]。

5 结 论

随着城市轨道交通的加快发展，地铁在城市中的应用率稳步提升，为了实现对地铁通信系统的更好控制，在本次研究中提出了一种可进行抗干扰分析的地铁专用无线通信系统。通过分析地铁无线通信系统的需求设计了软硬件结构，在设计完成后进行了多组系统测试，测试结果显示本文设计的系统在电压波动或信号干扰环境下的信号传输丢包率得到了控制，且系统设备未出现故障或损坏，证实了此系统具有较高的抗干扰能力。此外，由于本次研究仅对系统的抗干扰性进行了分析论证，存在一定的局限性，因此日后将不断优化其他设备，完善通信系统性能，从而推动地铁通信技术的发展。