無線通信同頻干擾與解決研究
衰落和干擾是制約無線通信系統(tǒng)性能的主要因素。過去15年，針對衰落的研究已經(jīng)非常成熟。因此，近年來，干擾以及干擾抑制技術(shù)研究已逐漸成為無線通信研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。下面是小編搜集整理的相關(guān)內(nèi)容的論文，歡迎大家閱讀參考。
摘要：本文經(jīng)過原因分析、方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場試驗(yàn)，成功研制出一款新型列尾裝置，實(shí)現(xiàn)無線通話功能，完全滿足萬噸組合列車開行所需無線通話的條件。
關(guān)鍵詞：萬噸組合列車;無線通信;同頻干擾;解決神朔
鐵路是我國"八五"計(jì)劃重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目，隸屬于神華集團(tuán)，全長263K+141m，始于陜西北部神木縣大柳塔鎮(zhèn)，終于山西朔州西。與包神鐵路、朔黃鐵路共同組成我國西煤東運(yùn)的第二條大通道。全線處在陜北、山西黃土高原地帶，山川溝壑較多。全線共有大小隧道31座，相距不足700m的有12處，S曲線超過1km的有48處以上，有12‰以上的長大坡道，地形條件極為復(fù)雜。為了有效解決萬噸組合列車行駛過程中，本務(wù)機(jī)車和各從機(jī)車之間的無線通信同頻干擾，以及本務(wù)機(jī)車準(zhǔn)確查詢列尾裝置問題，神朔鐵路專門成立萬噸組合列車列尾裝置無線通話功能研發(fā)小組。
一、萬噸組合列車開行中遇到的通信問題
2012年之前，神朔鐵路一直開行最大載重為5000t的列車，采用“2+0”編組形式，主車可以直接查詢列尾工況。為了進(jìn)一步挖掘運(yùn)輸潛能，滿足日益劇增的能源需求，開行重載萬噸組合列車是一種行之有效的解決方案。萬噸組合列車屬于重載列車，必須采用“2+2”的編組牽引方式，主車和各從車之間具備通暢、可靠的通信，以及及時(shí)、準(zhǔn)確的列尾查詢功能，是開行萬噸組合列車的安全前提。然而，神朔鐵路列車上使用的列尾裝置為400kHz+450MHz雙信道無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)不具備無線通話功能，也不能提供安全、可靠的列尾查詢功能，無法為萬噸組合列車提供安全保障，這成為開行萬噸組合列車的一道瓶頸。
二、分析萬噸組合列車通信問題產(chǎn)生的原因
根據(jù)開行萬噸組合列車的特點(diǎn)，以及現(xiàn)在使用的無線通信設(shè)備的特性，可以從以下幾個(gè)方面分析：
2.1機(jī)車通信在一個(gè)整體的萬噸組合列車運(yùn)行中，主車和各從車之間不間斷、穩(wěn)定可靠的通信是必不可少的。各從車與主車要對列車運(yùn)行狀況及線路信息進(jìn)行不間斷語音通信，確保整組列車安全運(yùn)行。由于神朔鐵路地形條件極為復(fù)雜，山區(qū)、隧道、大彎道、塹道等無線通信困難區(qū)段較多，造成現(xiàn)有的無線通信方式，無法達(dá)到萬噸組合列車行車的技術(shù)要求。神朔鐵路開行5000t列車使用的列尾裝置，為西安鐵路局科研所研發(fā)的400kHz+450MHz雙信道無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在開行5000t列車期間，為乘務(wù)員提供了滿足要求的列尾查詢功能，但該系統(tǒng)不具備無線通話功能，無法為萬噸組合列車主從車之間提供有效的無線通信�，F(xiàn)在列車上使用的無線列調(diào)設(shè)備，采用單一400MHz工作方式，不能保證全線無盲區(qū)的無線通信。尤其是遇到山區(qū)、隧道、大彎道、長坡道等無線通信困難區(qū)段的運(yùn)行環(huán)境時(shí)，問題更加突出。在400MHz場強(qiáng)覆蓋區(qū)段通信時(shí)，也極易與無線列調(diào)產(chǎn)生同頻干擾問題。同時(shí)，機(jī)車與尾部主機(jī)通信和主從車之間的通話，同在458.525MHz一個(gè)頻點(diǎn)上，而且每列機(jī)車使用的頻段也相同，從而使得主車與各從車之間、主車與車站之間、列車與列車之間的語音通話相互干擾、相互影響，容易產(chǎn)生誤報(bào)動作，為開行萬噸組合列車埋下安全隱患。
2.2列尾查詢列尾裝置是列車尾部安全防護(hù)裝置的簡稱，是主車司機(jī)及時(shí)掌握和控制列車尾部風(fēng)壓的有效手段，對保障行車安全、提高運(yùn)輸效率起著重要作用。因此，列尾裝置是否及時(shí)、有效地查詢列車管壓，成為開行萬噸組合列車重要的因素之一。經(jīng)過技術(shù)人員的現(xiàn)場添乘和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)神朔鐵路開行5000t列車所使用的列尾裝置，無論是從電臺功率方面，還是對線路的場強(qiáng)覆蓋方面，都無法向萬噸組合列車提供安全、可靠的列尾風(fēng)壓查詢。因此，研制一款新型列尾裝置或一種新的列尾風(fēng)壓傳輸方式，迫在眉睫。
2.3同頻干擾神朔鐵路開行一組萬噸組合列車，同時(shí)要開辟四路通信通道。
2.3.1無線列調(diào)通信通道無線列調(diào)是機(jī)車安全開行必備的“三大件”之一，是行駛在軌道上的機(jī)車和車站，以及調(diào)度進(jìn)行不間斷聯(lián)系的重要通信方式，也是行車過程中處理一些突發(fā)事件的重要通信工具，其安全、可靠的重要性是不言而喻的。
2.3.2同步操控系統(tǒng)通信信道同步操控系統(tǒng)，是萬噸組合列車中的主車對其他從車進(jìn)行同步操作、控制的一套復(fù)雜系統(tǒng)，主車要在行駛過程中，根據(jù)線路上實(shí)際情況，通過無線傳輸系統(tǒng)不斷地傳輸各種命令對從車操控，從而確保列車的安全行駛。
2.3.3主車和各從車語音通話信道語音通話系統(tǒng)是向各機(jī)車提供一個(gè)適時(shí)事件、突發(fā)事件相互進(jìn)行語音聯(lián)系的無線信道，其安全、可靠的重要性也是顯而易見的。
2.3.4列尾風(fēng)壓查詢信道萬噸組合列車主車查詢尾部風(fēng)壓，是利用安裝在主車上的列尾專用電臺和列車尾部裝置，通過無線信道來實(shí)現(xiàn)。如果沒有一個(gè)合理的頻率分配方法，一組萬噸組合列車運(yùn)行之后，以上4組無線信道同時(shí)使用，極易導(dǎo)致相互干擾、相互影響，嚴(yán)重威脅到行車安全。如果兩組或更多組萬噸組合列車，同時(shí)出現(xiàn)在無線場強(qiáng)覆蓋范圍內(nèi)，同頻干擾就更加嚴(yán)重，后果不堪想象。
三、提出針對性的解決方案
3.1改進(jìn)機(jī)車對講控制系統(tǒng)消除不同組萬噸組合列車之間的同頻干擾，是機(jī)車對講控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容。合理、有效地向不同組萬噸組合列車，提供不同的、獨(dú)立的通信頻率自動切換控制程序，是機(jī)車對講控制系統(tǒng)的核心。其具體設(shè)計(jì)理念是：采用以主機(jī)車號為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同的頻率值，實(shí)現(xiàn)一列萬噸列車使用一個(gè)無線通信信道。例如：由SS4G—655、SS4G—656、SS4G—657、SS4G—658編組的萬噸組合列車中，SS4G—655擔(dān)當(dāng)本務(wù)機(jī)車時(shí)，按照設(shè)計(jì)理念，具體使用頻率為：0655÷16=40……15，余數(shù)為15，則該組萬噸組合列車采用第15組無線通信信道。當(dāng)SS4G—657擔(dān)當(dāng)本務(wù)機(jī)車時(shí)，按照設(shè)計(jì)理念，具體使用頻率為：0657÷16=40……1，余數(shù)為1，則該組萬噸組合列車采用第1組無線通信信道。按照這種設(shè)計(jì)理念，無論在站場內(nèi)，還是區(qū)間段，不同組萬噸組合列車機(jī)車對講的同頻干擾現(xiàn)象就降低了，從而為同時(shí)開行多列萬噸組合列車，提供了安全、可靠的通信保障。
3.2改造列車尾部查詢系統(tǒng)深入地剖析了列尾司機(jī)控制盒的各項(xiàng)功能，將這些功能完全融合到機(jī)車對講控制系統(tǒng)中，根據(jù)新型電臺的特點(diǎn)，對滿足以上設(shè)計(jì)要求的頻率作了如下的劃分：列尾專用頻率為：458.25MHz通話16組專用頻率為：467.825MHz、467.900MHz、467.925MHz、467.950MHz、467.975MHz、468.000MHz、468.025MHz、468.050MHz、468.075MHz、468.100MHz、468.125MHz、468.150MHz、468.175MHz、468.200MHz、468.225MHz、468.250MHz。通過現(xiàn)場多次試驗(yàn)，經(jīng)過改造的新型電臺，完全滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)需求，從而驗(yàn)證了該套方案的可行性。
3.3各無線通信設(shè)備特點(diǎn)無線列調(diào)：采用單頻率異導(dǎo)頻單工語音通信模式，具體頻點(diǎn)為457.7000MHz，在車站上、下行2~3km機(jī)車聯(lián)控點(diǎn)區(qū)段，架設(shè)400MHz直放站，來解決聯(lián)控盲區(qū)。同步操控：采用425kHz+800MHz單工FFSK數(shù)據(jù)通信模式。列尾查詢：采用490kHz+458.250MHz單工FFSK數(shù)據(jù)通信模式。主從車通話：目前還沒有一個(gè)完善、穩(wěn)妥的方案。根據(jù)以上設(shè)備的固有特點(diǎn)，進(jìn)一步挖掘通信設(shè)備的潛能，提出在無線列調(diào)系統(tǒng)和同步操控系統(tǒng)不做任何改動的前提下，對現(xiàn)有列尾400kHz+450MHz雙信道無線通信系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。同時(shí)，還需建造一個(gè)成熟的主從車通話系統(tǒng)，滿足開行萬噸組合列車的列尾查詢需求。設(shè)計(jì)思路為：對不同的通信對象采用分頻技術(shù)，見圖1。具體改造方案為：在電臺主機(jī)內(nèi)安裝兩個(gè)獨(dú)立450M電臺，分別用于列尾查詢和通話功能。其中，用于列尾查詢的450M電臺設(shè)置固定頻率f17m，用于通話功能的450M電臺設(shè)置固定頻率f1m~f16m。這17個(gè)頻點(diǎn)不重復(fù)，且均在鐵道部給予的無線頻率范圍內(nèi)，符合鐵道部無線通信產(chǎn)品規(guī)范，400kHz電臺采用490kHz。對于列尾查詢和通話功能，分別采用不同的導(dǎo)頻來解決同頻干擾的問題，見圖2。具體設(shè)計(jì)方案為：
(1)借鑒大秦線列尾系統(tǒng)與機(jī)車間的無線通話共用400kHz+450MHz信道，共用同一套無線通信設(shè)備的成功經(jīng)驗(yàn)，減低研制風(fēng)險(xiǎn)。
(2)首次在萬噸組合列車上采用最先進(jìn)的`MMI技術(shù)改造既有機(jī)車電臺，增加列尾系統(tǒng)的無線通話功能，以較少的投入，實(shí)現(xiàn)了電臺的更新?lián)Q代。
(3)首次對鐵道部制定的MMI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，充分滿足神朔線萬噸列車對無線通信設(shè)備的特殊使用要求，解決了大秦線同類設(shè)備存在的問題。
(4)對神朔鐵路的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)和司機(jī)使用無線通話情況進(jìn)行大量的調(diào)研，尋求最佳的信道自動切換控制程序。首次成功研發(fā)采用以主機(jī)車號為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同的頻率值，實(shí)現(xiàn)一列萬噸組合列車使用一個(gè)無線通信信道，相互之間通話互不干擾、互不影響。
(5)提高列尾裝置無線通信可通率的手段，為增加列尾裝置通信中繼功能，結(jié)合無線通信中繼領(lǐng)域的新技術(shù)和列尾裝置在萬噸列車上的通信特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型列尾中繼方案，提高列尾的通信可通率，保證列尾裝置可靠運(yùn)行。
(6)采用先進(jìn)的嵌入式控制系統(tǒng)，研制人機(jī)交互設(shè)備，更方便軟件維護(hù)和升級。
(7)首次采用MMI液晶屏顯示列尾信息，使機(jī)車乘務(wù)員能夠直觀、方便地使用、操作無線通話設(shè)備和列尾裝置，并且可以及時(shí)掌握其運(yùn)行狀態(tài)。
(8)在司機(jī)控制盒軟件上，增加通話控制程序和通話狀態(tài)顯示程序，只有這樣才能真正實(shí)現(xiàn)通話。目前使用的司機(jī)控制盒加裝送話器方案，存在諸多缺陷和不足之處，僅僅是一種臨時(shí)的解決辦法。
四、解決方案的試驗(yàn)
技術(shù)人員對該方案改造的設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，具體試驗(yàn)情況如下：
4.1試驗(yàn)方法在S2002次萬噸列車中，主車158#、從一157#、從二75#、從三76#的非操作端各架設(shè)一套試驗(yàn)電臺，在運(yùn)行過程中，主車和從二不間斷地進(jìn)行通話和列尾試驗(yàn)，從三用來監(jiān)聽。該次萬噸列車11：41開車，在運(yùn)行過程中基本上每隔1min進(jìn)行一次通話和列尾試驗(yàn)(神木北-王家寨困難區(qū)段)，共計(jì)試驗(yàn)102次。其中，通話試驗(yàn)除了在神木北、神池南站內(nèi)有背景雜音外(能聽清話音，不影響使用)，其它區(qū)段通話話音清楚，列尾試驗(yàn)除了在蛇口茆隧道內(nèi)有兩次未查詢到外，其它區(qū)段均能正常查詢。
4.2試驗(yàn)?zāi)康脑诓挥绊慡2002次萬噸列車正常通信的情況下，完全模擬正常萬噸列車的通信狀態(tài)，尤其是在隧道、山區(qū)等一些困難區(qū)段，要不間斷地進(jìn)行試驗(yàn)。通過此次現(xiàn)場試驗(yàn)，來驗(yàn)證該套設(shè)備是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
4.3試驗(yàn)中存在的問題
(1)通話在站場內(nèi)有背景雜音，這是因400K信號在站場內(nèi)衰減比較大，信噪比低引起，在區(qū)間不存在該現(xiàn)象。
(2)列尾在蛇口茆隧道內(nèi)查詢不到(時(shí)間為1min)，這是因?yàn)?00K信號在此干擾大，而且列尾電臺功率稍低(相對于機(jī)車電臺)，場強(qiáng)低所造成。以上問題和同頻干擾一樣屬無線通信普遍存在現(xiàn)象，不屬于該套設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷，也不影響該套設(shè)備的正常使用。試驗(yàn)結(jié)果通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該套設(shè)備的語音通話可通率為100%，列尾可通率為97%，均大于有關(guān)規(guī)定(鐵道部要求無線列調(diào)可通率不低于92%，列尾可通率不低于95%)，達(dá)到起初的設(shè)計(jì)要求，完全滿足開行萬噸列車的通信要求。
五、結(jié)束語
通過以上試驗(yàn)，證明該套方案是可行的。通過驗(yàn)證“以自動切換頻率的方式，有效解決本組組合列車列尾與通話間的相互干擾，不同組組合列車通話間的相互干擾問題”理論的成熟性，開創(chuàng)了全國鐵路無線通信系統(tǒng)內(nèi)解決萬噸組合列車同頻干擾的先河，為今后解決同類情況下同頻干擾，提供了成功的理論基礎(chǔ)。
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