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地鐵中的無線電頻率干擾及其對策論文
摘 要 提出了地鐵中由于頻率配置不當(dāng)產(chǎn)生無線電頻率干擾問題。介紹了一種比較完善的無線電頻率管理程序 移動(dòng)通信頻率整理和分配程序。給出了應(yīng)用該程序解決地鐵中無線電頻率干擾的方法，并舉出了實(shí)例。
關(guān)鍵詞 地鐵，無線通信，移動(dòng)通信，無線電干擾
目前地鐵中除了原有的專用無線通信系統(tǒng)外， 還有各種各樣的城市商用移動(dòng)無線通信系統(tǒng)引入。各種各樣的無線電頻率必然相互干擾。因此，如何減少和避免這種無線電頻率干擾，不但具有理論意義，而且具有工程價(jià)值。
1 各通信系統(tǒng)的使用頻率
1. 1 專用移動(dòng)通信系統(tǒng)
地鐵專用移動(dòng)通信系統(tǒng)按工作信道的使用方式來分，可分為專用信道方案和共用信道方案(集群方案) 。專用信道方案的特點(diǎn)就是按用途配置信道，每個(gè)信道只作一種用途，即使它處于空閑狀態(tài)也不作他用;而當(dāng)某一信道被占用時(shí)，全線均不能使用，必須排隊(duì)等候。專用信道方案技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、成本較低，在子系統(tǒng)和信道數(shù)少、頻率資源不緊張的情況下，采用專用信道方案是可行的。
所謂集群，指的是不按用途配置頻道，而是信道為所有用戶共用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和信道共享，因此又稱為共用信道方案。由于集群系統(tǒng)采用信道共享及動(dòng)態(tài)分配信道的技術(shù)，使系統(tǒng)內(nèi)所有信道均忙的概率要遠(yuǎn)小于專用信道繁忙的概率。如果系統(tǒng)容納的用戶數(shù)不變，則呼損率大大減小;反之，如果用戶的呼損率不變，則系統(tǒng)容納的用戶數(shù)大大增加。這是集群方案較之專用信道方案最主要的優(yōu)點(diǎn)。另外，在可靠性、保密性、擴(kuò)容、占用無線電頻率、頻率切換和頻道轉(zhuǎn)換，以及呼叫功能和檢測功能等方面，集群方案都優(yōu)于專用信道方案。根據(jù)筆者計(jì)算，當(dāng)信道數(shù)為3 個(gè)以上時(shí)，集群方案的優(yōu)越性就表現(xiàn)出來。目前新建地鐵一般采用數(shù)字集群方案，但在特殊情況下或在已建地鐵中也采用專用信道方案。
專用移動(dòng)通信系統(tǒng)的使用頻率如下:
(1) 工作頻段
根據(jù)國家無線電管理委員會(huì)對移動(dòng)通信工作頻段的規(guī)定，系統(tǒng)工作頻段為: 160 MHz 頻段為138～ 149. 9 MHz(上行)/ 150. 05 ～ 167 MHz (下行)，專用信道方案采用; 450 MHz 頻段為403～ 420 MHz(上行) / 450～470 MHz(下行)，專用信道方案采用; 800 MHz 頻段為806 ～ 821 MHz ( 上行) / 851～866 MHz(下行)，集群方案采用。上行頻率指從移動(dòng)臺(tái)到基地臺(tái)的發(fā)射頻率，即移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射頻率，或基地臺(tái)的接收頻率，位于頻段低端。下行頻率指從基地臺(tái)到移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射頻率，即基地臺(tái)的發(fā)射頻率，或移動(dòng)臺(tái)的接收頻率，位于頻段高端。
(2) 頻道間隔和標(biāo)稱頻率
每個(gè)頻段的相鄰頻道間隔均為25 kHz 。對于160 MHz 、450 MHz 頻段，標(biāo)稱頻率的最后2 位有效數(shù)字應(yīng)為00 、25 、50 、75 kHz ; 對于800 MHz 頻段，標(biāo)稱頻率的最后3 位有效數(shù)字應(yīng)為12. 5 、37. 5 、62. 5 、87. 5 kHz 。
(3) 雙工間隔160 MHz 頻段為5. 7 MHz ; 450 MHz 頻段為10 MHz ;800 MHz 頻段為45 MHz 。
地鐵專用移動(dòng)通信系統(tǒng)滿足移動(dòng)臺(tái)“ 發(fā)低收高”、基地臺(tái)“發(fā)高收低”，以及上述頻段、頻道間隔和標(biāo)稱頻率的要求。
1. 2 城市商用移動(dòng)通信引入系統(tǒng)
地鐵因其采用高強(qiáng)度、高密度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從而對外部空間電磁波產(chǎn)生了很強(qiáng)的屏蔽作用，形成城市商用移動(dòng)通信的死區(qū)和盲區(qū)，在相當(dāng)程度上限制了城市商用移動(dòng)通信的發(fā)展和應(yīng)用。
解決好地鐵內(nèi)城市商用移動(dòng)通信的引入問題， 實(shí)現(xiàn)無障礙的城市商用移動(dòng)通信，必將產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)北京地鐵的情況，城市商用移動(dòng)通信引入系統(tǒng)的頻率有以下9 種:調(diào)頻立體聲廣播，為86～108 MHz ; 寬帶無線尋呼，為137 ～285 MHz ; 中國聯(lián)通CDMA 移動(dòng)電話， 為800 MHz 頻段;中國聯(lián)通GSM 移動(dòng)電話，為900 MHz 頻段;中國移動(dòng)GSM 移動(dòng)電話，為900 MHz 頻段; 中國移動(dòng)GPRS 移動(dòng)電話，為1 800 MHz 頻段;第三代移動(dòng)電話，為2. 1 GHz 頻段;多媒體與無線局域網(wǎng)通信，為2. 4 GHz 頻段;公安、消防等特殊性行業(yè)需要引入的系統(tǒng)，頻率與原系統(tǒng)相同。
由于是引入系統(tǒng)，因此控制中心和交換機(jī)仍采用原系統(tǒng)，地鐵只設(shè)基地臺(tái)或雙向光纖射頻中繼器，用以增加或擴(kuò)大無線管區(qū)。很顯然，其頻道間隔、標(biāo)稱頻率和雙工間隔與原系統(tǒng)相同。
2 干擾定義及基本要求
長期以來，國家和各級(jí)無線電管理委員會(huì)對頻率的管理，僅在于分配無線電頻段和具體的頻點(diǎn)。這種管理可以避免同頻干擾(重復(fù)使用頻率)，但忽略了3 種干擾，即鄰頻干擾、三階互調(diào)干擾和三階準(zhǔn)互調(diào)干擾。由于移動(dòng)通信的場強(qiáng)波動(dòng)大，加上接收機(jī)前級(jí)和發(fā)射機(jī)末級(jí)的非線性，必然產(chǎn)生大量交叉調(diào)制分量。其中尤以上述3 種無線電頻率干擾影響最大。
2. 1 干擾定義和相容
鄰頻干擾，指兩頻道載頻之差小于其頻道間隔值(當(dāng)兩頻道的頻道間隔值不同時(shí)，取兩種頻道間隔值之和的一半表示) 所造成的干擾。三階互調(diào)干擾，是由于非線性以及兩個(gè)或三個(gè)頻道載頻的和差值等于另一頻道的載頻而造成的干擾。三階準(zhǔn)互調(diào)干擾，指由于非線性以及兩個(gè)或三個(gè)頻道載頻的和差值雖不等于另一頻道的載頻，但其頻帶落到另一頻道的帶寬內(nèi)，從而造成的干擾。在一頻率序列中，如無上述3 種干擾，則稱為相容，否則稱為不相容。
2. 2 基本要求
地鐵中無線通信系統(tǒng)正是要消除或減少上述3 種干擾，其基本要求如下:
�、� 為了使地鐵專用無線通信系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾，無論地鐵專用無線通信系統(tǒng)采用何種方案， 均要求其所采用的頻率序列無上述3 種干擾(即為相容頻率序列) 。
�、� 如果把地鐵專用無線通信系統(tǒng)所采用的頻率序列作為原頻率序列，把城市商用移動(dòng)通信引入系統(tǒng)所采用的頻率序列作為待加入頻率序列，則要求加入頻率序列與原頻率序列彼此相容，即要求加入頻率序列不對原頻率序列產(chǎn)生干擾，原頻率序列也不對加入頻率序列產(chǎn)生干擾。至于加入頻率序列本身是否要求相容，由引入系統(tǒng)單位決定。
�、� 由于地鐵可能有部分線路和車站位于地面或高架，并且車輛段總是在地面，這時(shí)應(yīng)把城市商用移動(dòng)通信以及其它移動(dòng)通信所采用的頻率序列作為原頻率序列，而把地鐵專用無線通信系統(tǒng)所采用的頻率序列作為待加入頻率序列。這時(shí)除了要求加入頻率序列與原頻率序列彼此相容外，還要求加入頻率序列相容。
3 移動(dòng)通信頻率整理和分配程序簡介
移動(dòng)通信頻率整理和分配程序是一個(gè)程序系統(tǒng)，它除了必要的菜單程序外，還由移動(dòng)通信頻率整理(包括檢查、調(diào)整、選擇、主加入、次加入) 和分配(獨(dú)分、接分、多分) 共8 個(gè)方面的16 個(gè)應(yīng)用程序(每個(gè)均包括絕對值程序和相對值程序) 組成。
所謂頻率絕對值即頻率真值，指的是以兆赫茲(MHz) 為單位的頻率值，而頻率相對值指的是以該頻率序列中最小的頻率為1 ， 其它頻率由其值與最小頻率之差除以頻道間隔值所得的商加1 表示; 或以某一起始頻率1 而求得。
本程序系統(tǒng)具有以下功能特點(diǎn):
(1) 關(guān)于頻道間隔值
為了有效地利用無線電頻率，頻道間隔要求越來越小。目前，我國無線電管理委員會(huì)規(guī)定頻道間隔值為25 kHz ; 國外有的國家規(guī)定為20 kHz ， 并且正在進(jìn)一步研究把頻道間隔縮小為12. 5 kHz 。另外，多話路電臺(tái)、尋呼電臺(tái)與單話路電臺(tái)頻道間隔值也不同。因此，在同一無線管區(qū)存在多種頻道間隔值的頻率是完全可能的。本程序系統(tǒng)充分考慮這種情況，其應(yīng)用程序適用于多種頻道間隔值組成的頻率序列，滿足了實(shí)際的應(yīng)用要求，優(yōu)于通常僅適用于同一頻道間隔值的程序。
(2) 關(guān)于檢查[1 ]
本程序適用于鄰頻干擾、互調(diào)干擾、準(zhǔn)互調(diào)干擾的檢查，并給出定量結(jié)果。這樣，優(yōu)于通常僅檢查互調(diào)干擾的程序。
(3) 關(guān)于調(diào)整[2 ]
本程序給出各種類型和級(jí)別的調(diào)整，即鄰頻干擾、互調(diào)干擾、準(zhǔn)互調(diào)干擾的調(diào)整，以及3 種干擾同時(shí)調(diào)整;除鄰頻干擾調(diào)整和3 種干擾同時(shí)調(diào)整給出全部最佳調(diào)整(即完全消除干擾且調(diào)整頻率最少) 外，互調(diào)干擾和準(zhǔn)互調(diào)干擾的調(diào)整還可以給出各種級(jí)別的調(diào)整，即調(diào)整1 個(gè)干擾頻率、2 個(gè)干擾頻率直至最佳調(diào)整，每種調(diào)整的結(jié)果都有定量表示。這樣，用戶可根據(jù)需要和條件選擇調(diào)整，從而以最小代價(jià)的調(diào)整滿足使用要求。該調(diào)整程序比通常僅給出一種調(diào)整的程序更加完善和實(shí)用。
(4) 關(guān)于選擇
本程序給出最佳選擇，即滿足選擇條件(頻率個(gè)數(shù)和相容) 且選擇頻率序列最多，從而達(dá)到有效地利用無線電頻率的目的。
(5) 關(guān)于主加入[3 ] 和次加入
主加入，指待加入頻率序列為設(shè)計(jì)主要方，原頻率序列為另一方。加入條件為:如果原頻率序列相容，則加入頻率序列相容，并且原、加頻率構(gòu)成的整個(gè)頻率序列也相容;如果原頻率序列不相容，則加入頻率序列相容，且原、加頻率序列彼此相容。次加入，指原頻率序列為設(shè)計(jì)主要方，待加入頻率列為另一方。加入條件變?yōu)?不要求加入頻率序列一定相容，但要求原、加頻率序列彼此相容。
由于本程序系統(tǒng)適用于多種頻道間隔值組成的頻率序列，無論對于主加入還是地下加入，原頻率序列既可是多種頻道間隔值組成的頻率序列，也可是同一種頻道間隔值組成的頻率序列，而待加入頻率序列既可與原頻率序列的頻道間隔值相同，也可不同，都能夠?qū)崿F(xiàn)最佳加入。即滿足加入條件且加入頻率最多，從而達(dá)到有效利用無線電頻率的目的。
主加入與次加入不同的是:前者的加入條件要求加入頻率序列一定相容;而后者并不要求，因此加入頻率序列可能相容，也可能不相容。
(6) 關(guān)于獨(dú)立分配[4 ，5 ]
獨(dú)立分配的要求是:在滿足相容的條件下，占用頻寬盡量小，從而達(dá)到有效地利用無線電頻率的目的。
本程序采用篩選法或數(shù)學(xué)方法由用戶選擇。篩選法可得到全部最佳解，當(dāng)頻率數(shù)較少(3～ 11) 時(shí)，可快速獲得結(jié)果(除最佳解外，還包括全部第1 準(zhǔn)最佳解);但當(dāng)頻率數(shù)較多(大于11) 時(shí)，運(yùn)算時(shí)間相當(dāng)長。本程序采用接續(xù)運(yùn)算法可相對克服這一缺點(diǎn)。無論頻率數(shù)多少，數(shù)學(xué)方法都可快速或比較快速地得到結(jié)果，但所得結(jié)果不一定最佳，也可能接近最佳。
(7) 關(guān)于接續(xù)分配[6 ]
接續(xù)分配，指原頻率序列為另一方，接續(xù)分配頻率序列為設(shè)計(jì)方。由于設(shè)計(jì)方無權(quán)改變另一方使用的頻率，只能改變本方的頻率，因此接續(xù)分配條件為:如果原頻率序列相容，則接續(xù)分配頻率序列相容，并且原、接頻率構(gòu)成的整個(gè)頻率序列也相容;如果原頻率序列不相容，則接續(xù)分配頻率序列相容，并且原、接頻率序列彼此相容。
由于本程序系統(tǒng)適用于多種頻道間隔值組成的頻率序列，對于接續(xù)分配來講，原頻率序列既可是由多種頻道間隔值組成的頻率序列，也可是同一種頻道間隔值組成的頻率序列，而接續(xù)分配頻率序列既可與原頻率序列頻道間隔值相同，也可不同， 都能夠滿足接續(xù)分配的要求，求得全部最佳接續(xù)分配頻率序列。由于原頻率序列的影響，本程序采用篩選法。當(dāng)接續(xù)分配頻率較多時(shí)，運(yùn)算時(shí)間相當(dāng)長，本程序采用接續(xù)運(yùn)算法可相對克服這一缺點(diǎn)。
(8) 關(guān)于多序列分配[ 7 ]
多序列分配的條件是:各頻率序列相容，并且全部頻率相異。本程序采用篩選法或數(shù)學(xué)方法由用戶選擇。篩選法可得到滿足按列遞增規(guī)律的全部最佳解，但隨著頻率數(shù)或序列數(shù)的增加，運(yùn)算時(shí)間迅速增加。本程序采用接續(xù)運(yùn)算法可相對克服此缺點(diǎn)。數(shù)學(xué)方法無論頻率數(shù)或序列數(shù)多少，都可比較快速地得到結(jié)果，但所得結(jié)果不一定最佳，也可能接近最佳。
4 移動(dòng)通信頻率整理和分配程序的應(yīng)用
無線電頻率干擾是隨機(jī)性干擾，它和頻率配置、場強(qiáng)分布、電臺(tái)性能等有關(guān)，很難定量測量，也難于監(jiān)督，即使發(fā)生干擾也難于查明原因。
為了解決地鐵中的無線電頻率干擾，首先應(yīng)當(dāng)要求電臺(tái)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)性能滿足指標(biāo)要求，工程設(shè)計(jì)上嚴(yán)格遵循相應(yīng)的無線電設(shè)計(jì)規(guī)范。
另外，應(yīng)對地鐵中各無線系統(tǒng)的選擇頻段、頻率配置、頻道間隔、雙工收發(fā)間隔等進(jìn)行認(rèn)真分析， 找出發(fā)射機(jī)和接收機(jī)帶通濾波器能夠通過的頻率， 并選擇移動(dòng)通信頻率整理和分配程序系統(tǒng)相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算，以確保使用的頻率相容。舉例如下:
某地鐵專用移動(dòng)通采用專用信道方案，工作頻段選擇在450 MHz ， 雙工收發(fā)間隔10 MHz 。該市無線電管 理委員會(huì)批給該地鐵專用移動(dòng)通信6 組頻率:
�、貴1/ F1 ’為460. 500 MHz/ 450. 500 MHz ; ②F2/ F2 ’為460. 675 MHz/ 450. 675 MHz ; ③F3/ F3 ’為460. 875 MHz/ 450. 875 MHz ; ④F4/ F4 ’為460. 925 MHz/ 450. 925 MHz ; ⑤F5/ F5 ’為460. 950 MHz/ 450. 950 MHz ; ⑥F6/ F6 ’為461. 125 MHz/ 451. 125 MHz 。
引入系統(tǒng)雖有9 種，但前8 種都不是450 MHz 頻段，因此可不加考慮;只有第9 種(特殊性行業(yè)) 采用450 MHz 頻段，需要考慮。如果地鐵專用移動(dòng)通信系統(tǒng)采用160 MHz 頻段，則無線尋呼的干擾應(yīng)當(dāng)考慮;如果采用800 MHz ， 則中國聯(lián)通CDMA 移動(dòng)電話的干擾應(yīng)當(dāng)考慮。) 其工作頻率為4 組:
�、賔1/f1 ’為464. 825 MHz/ 454. 825 MHz ;
�、趂2/f2 ’為464. 875 MHz/ 454. 875 MHz ;
③f3/f3 ’為464. 975 MHz/ 454. 975 MHz ;
�、躥4/f4 ’為465. 000 MHz/ 455. 000 MHz 。
高端頻率用于下行，車站臺(tái)或中繼器發(fā)、移動(dòng)臺(tái)收;低端頻率用于上行，移動(dòng)臺(tái)發(fā)、車站臺(tái)或中繼器收。
由于高低端頻率之間有足夠的間隔，帶通濾波器可把干擾信號(hào)濾掉，因此可以不考慮高-低端頻率之間的無線電頻率干擾。但應(yīng)避免高端頻率之間、低端頻率之間，以及帶通濾波器內(nèi)的其它無線電頻率干擾。
(1) 該市無線電管理委員會(huì)批給該地鐵專用移動(dòng)通信6 組頻率并不相容，通過檢查程序查出兩組互調(diào)干擾，而待加入頻率序列本身是相容的。
(2) 為了滿足第一個(gè)基本要求，采用選擇程序。當(dāng)選擇6 個(gè)頻率時(shí)，無選擇頻率序列，和檢查結(jié)果一致;當(dāng)選擇5 個(gè)頻率時(shí)，選擇頻率序列有2 個(gè)，選擇第1 個(gè)頻率序列F1F2F3F4F5 為地鐵所用。
(3) 為了滿足第2 個(gè)基本要求，采用次加入程序，把F1F2F3F4F5 作為原頻率序列，把f1f2f3f4 作為待加入頻率序列，求得2 個(gè)加入頻率序列;盡管待加入頻率序列的4 個(gè)頻率是相容的，但只能加入2 個(gè)頻率，即有2 個(gè)頻率可以引入地下。
(4) 為了滿足第3 個(gè)基本要求，采用主加入程序，把f1f2f3f4 作為原頻率序列，把F1F2F3F4F5 作為待加入頻率序列，求得加入頻率序列2 個(gè)，盡管待加入頻率序列的5 個(gè)頻率是相容的，但只能加入3 個(gè)頻率，即有3 個(gè)頻率可以在地上使用。
(5) 雖然原頻率序列相容，待加入頻率序列也相容，但由原頻率和待加入頻率構(gòu)成的整個(gè)頻率序列并不相容，通過檢查程序查出三組互調(diào)干擾;然而，由原頻率和加入頻率構(gòu)成的整個(gè)頻率序列相容，通過檢查程序得到了驗(yàn)證。
參 考 文 獻(xiàn)
1 徐華林，王貴，任與鴻. 移動(dòng)通信頻率檢查程序介紹. 移動(dòng)通信，1994 ， (1) :16～23
2 徐華林. 移動(dòng)通信頻率檢查和調(diào)整程序. 中國無線電管理，1996 ， (5) :13～17
3 徐華林. 移動(dòng)通信頻率獨(dú)立分配程序. 通信技術(shù)與發(fā)展，1996 ， (6) :48～53
4 徐華林. 最佳無三階互調(diào)頻率表及其在專用無線通信中的應(yīng)用. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2001 ， (12) :20～25
5 徐華林. 移動(dòng)通令頻率接續(xù)分配程序. 無線電管理，1997 ， (3) :19～28
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