王嘯陽
(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司,北京 100070)
車地無線通信系統(tǒng)是構(gòu)成鐵路綜合通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,也是保障列車和地面系統(tǒng)之間信息交互的重要手段。隨著中國鐵路建設(shè)的高速發(fā)展,鐵路信息化水平越來越高,大量的車地交互數(shù)據(jù)需要通過車地無線通信系統(tǒng)進行傳輸,其中涉及許多鐵路安全保障業(yè)務(wù),如列車臨時限速,列車運行狀態(tài)監(jiān)測,鐵路隧道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測,列車視頻監(jiān)控等。因此,在建設(shè)車地無線通信網(wǎng)絡(luò)時,需要著重考慮如何提高車地無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信道質(zhì)量。
為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,通常會對車地無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備進行冗余配置,即熱備冗余機制。默認情況下,主設(shè)備處于工作狀態(tài),從設(shè)備處于監(jiān)聽或者休眠狀態(tài)。當主設(shè)備發(fā)生故障時,從設(shè)備才開始介入并承擔主設(shè)備的工作。熱備冗余機制有利于縮短系統(tǒng)中斷時間,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。然而,這種傳統(tǒng)的熱備冗余機制會導(dǎo)致系統(tǒng)從設(shè)備的利用率較低。
另外,車地無線通信系統(tǒng)尤其是窄帶無線通信系統(tǒng)的性能易受到外來同頻干擾的影響。為改善通信信道質(zhì)量,期望降低站場環(huán)境中的干擾水平,尤其是外來同頻干擾水平。一般來說,外來同頻干擾的監(jiān)測、定位和消除方式主要有兩種:1)定期使用干擾定位測試儀檢查鐵路站場環(huán)境中的干擾水平。然而,該方法僅適合應(yīng)對長期固定的外來同頻干擾,無法有效應(yīng)對短期的或突發(fā)的外來同頻干擾;2)單獨搭建一套干擾監(jiān)測系統(tǒng),長期監(jiān)控站場環(huán)境中的外來同頻干擾水平,但是這將增加車地無線通信系統(tǒng)的建網(wǎng)成本。
因此,為了在不增加建網(wǎng)成本的前提下,提高對外來同頻干擾信號的管控能力,系統(tǒng)從設(shè)備的利用率,本文設(shè)計了一種基于車地無線通信系統(tǒng)從設(shè)備的外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)方案。該方案利用車地無線通信系統(tǒng)的從設(shè)備搭建一套外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)站場環(huán)境中的外來同頻干擾的監(jiān)測、定位及消除。
目前國內(nèi)鐵路正線的車地無線通信系統(tǒng)主要采用的是第二代移動通信技術(shù),即 GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railways),未來將計劃演進到第四代移動通信技術(shù)或第五代移動通信技術(shù),即 LTE-R (Long Term Evolution-Railways)或5G-R(5G-Railways)?,F(xiàn)階段,國內(nèi)已經(jīng)完成LTE-R 通信技術(shù)的理論研究和試驗線驗證,并大力推進5G-R通信技術(shù)的理論研究和實驗室驗證。然而,無論是采用 GSM-R 通信技術(shù)還是 LTE-R或5G-R 通信技術(shù),鐵路車地無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備都會進行冗余配置,以提高車地數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性。
車地無線通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)(Evolved Packet Core network,EPC)、基帶單元(Baseband Unit,BBU)、射頻拉遠單元(Remote Radio Unit,RRU)和天饋系統(tǒng)組成。EPC的功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入控制、數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)、移動性管理、無線資源管理、安全管理等。BBU的功能是實現(xiàn)信道編解碼、基帶信號調(diào)制解調(diào)、協(xié)議處理等,并提供與上層網(wǎng)元的接口。RRU的功能是在接收信號時,負責將天線傳來的射頻信號經(jīng)濾波、低噪聲放大、轉(zhuǎn)化成光信號,傳輸給BBU;在發(fā)送信號時,負責將從BBU傳來的光信號轉(zhuǎn)成射頻信號,通過天線放大發(fā)送出去。天饋系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)基站設(shè)備與終端用戶之間的信息能量轉(zhuǎn)換,完成無線信號的發(fā)送和接收。
通常車地無線通信系統(tǒng)地面?zhèn)鹊木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。該地面?zhèn)认到y(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,如BBU、RRU和天饋系統(tǒng),都進行了冗余配置。主(從)基帶單元、主(從)射頻拉遠單元和主(從)天饋系統(tǒng)構(gòu)成主(從)基站系統(tǒng)。主基站系統(tǒng)和從基站系統(tǒng)共用一個核心網(wǎng),當主基站系統(tǒng)故障時,從基站系統(tǒng)自動運行并接替主基站系統(tǒng)的工作。
圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network architecture
在本方案中,將利用車地無線通信系統(tǒng)的從基站系統(tǒng)搭建一套外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng),用于監(jiān)測和管控與本地基站發(fā)射頻率相同的外來干擾。然而,由于主基站天線和從基站天線的間距較小,主基站天線的發(fā)射信號會對從基站天線接收端產(chǎn)生干擾,稱之為本地自干擾,類似于同時同頻全雙工通信中的自干擾概念。因此,基于從基站系統(tǒng)搭建的外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)是消除本地自干擾。
本地自干擾的消除方式主要有3種:空域消除、射頻域消除和數(shù)字域消除??沼蛳脑硎窃诳湛谔帪榘l(fā)射天線和接收天線設(shè)置隔離,降低發(fā)射機信號對接收機信號的干擾,常用隔離手段有:1)增大發(fā)射天線和接收天線之間的距離;2)在發(fā)射天線和接收天線之間設(shè)置微波屏蔽板;3)配置多發(fā)射天線,通過調(diào)整多個發(fā)射天線到接收天線的距離,使發(fā)射信號在接收天線處形成反相抵消。射頻域消除的原理是在模擬域通過射頻電路以相位反轉(zhuǎn)的形式實現(xiàn)干擾抵消。數(shù)字域消除的原理是在數(shù)字域通過信道估計和自適應(yīng)濾波等方式實現(xiàn)干擾抵消。
在實際應(yīng)用時,聯(lián)合使用這3種消除方式一般能夠?qū)崿F(xiàn)110 dB左右的本地自干擾功率衰減,但具體的抑制效果與本地自干擾帶寬負相關(guān)。
外來同頻干擾的監(jiān)測功能主要由從基站系統(tǒng)完成,其信號流程框如圖2所示。
圖2 信號流程框圖Fig.2 Signal flow diagram
外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)的算法思想描述如下。
1)從基站天線實時接收空口信號,并將接收信號傳遞給從基站系統(tǒng)進行處理。從基站天線接收的空口信號由主基站發(fā)送信號和外來同頻干擾組成。
2)從基站系統(tǒng)利用射頻域消除和數(shù)字域消除方法,將從基站接收信號中的本地主基站發(fā)送信號消除,獲得實時的外來同頻干擾信號。
3)從基站系統(tǒng)將實時的外來同頻干擾信號傳遞給本地干擾監(jiān)測系統(tǒng),記錄每次強干擾的發(fā)生時間、持續(xù)時間和信號強度,并統(tǒng)計指定時間內(nèi)強干擾信號的發(fā)生頻率。外來同頻干擾強度閾值預(yù)設(shè)為-50 dBm,持續(xù)時間閾值預(yù)設(shè)為10 s,發(fā)生頻率閾值預(yù)設(shè)為10次/min,具體閾值大小可根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。如果外來同頻干擾的強度大于-50 dBm,則將其視為強干擾;反之,則為弱干擾。
4)根據(jù)強干擾信號的持續(xù)時間和發(fā)生頻率,判斷站場環(huán)境中是否存在強干擾源。
5)如果強干擾信號的單次持續(xù)時間大于持續(xù)時間閾值或發(fā)生頻率大于發(fā)生頻率閾值,則判斷站場附近很可能存在強干擾源,本地干擾監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出強干擾告警指示?,F(xiàn)場人員利用干擾定位測試儀復(fù)查、定位及消除強干擾源。
6)如果強干擾信號的單次持續(xù)時間小于持續(xù)時間閾值且發(fā)生頻率小于發(fā)生頻率閾值,則判斷站場附近沒有強干擾源,無需人工介入。
在不改動原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱備冗余機制的前提下,本文重新設(shè)計了車地無線通信系統(tǒng)方案,以車地無線通信系統(tǒng)的從設(shè)備為基礎(chǔ),構(gòu)建外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng),用于監(jiān)管鐵路站場環(huán)境中的外來同頻干擾。該方案在滿足車地無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求的同時,既提高了系統(tǒng)從設(shè)備的利用率,又節(jié)約了用于搭建干擾監(jiān)測系統(tǒng)的硬件成本,在軌道交通領(lǐng)域具有一定潛在應(yīng)用價值。