地鐵中的無線電頻率干擾及其對策
摘 要 提出了地鐵中由于頻率配置不當產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 移動通信頻率整理和分配程序。給出了應用該程序解決地鐵中無線電頻率干擾的方法,并舉出了實例。
關鍵詞 地鐵,無線通信,移動通信,無線電干擾
目前地鐵中除了原有的專用無線通信系統外, 還有各種各樣的城市商用移動無線通信系統引入。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,而且具有工程價值。
1 各通信系統的使用頻率
1. 1 專用移動通信系統
地鐵專用移動通信系統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就是按用途配置信道,每個信道只作一種用途,即使它處于空閑狀態也不作他用;而當某一信道被占用時,全線均不能使用,必須排隊等候。專用信道方案技術成熟、設備簡單、成本較低,在子系統和信道數少、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,實現設備和信道共享,因此又稱為共用信道方案。由于集群系統采用信道共享及動態分配信道的技術,使系統內所有信道均忙的概率要遠小于專用信道繁忙的概率。如果系統容納的用戶數不變,則呼損率大大減小;反之,如果用戶的呼損率不變,則系統容納的用戶數大大增加。這是集群方案較之專用信道方案最主要的優點。另外,在可靠性、保密性、擴容、占用無線電頻率、頻率切換和頻道轉換,以及呼叫功能和檢測功能等方面,集群方案都優于專用信道方案。根據筆者計算,當信道數為3 個以上時,集群方案的優越性就表現出來。目前新建地鐵一般采用數字集群方案,但在特殊情況下或在已建地鐵中也采用專用信道方案。
專用移動通信系統的使用頻率如下:
(1) 工作頻段
根據國家無線電管理委員會對移動通信工作頻段的規定,系統工作頻段為: 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。上行頻率指從移動臺到基地臺的發射頻率,即移動臺的發射頻率,或基地臺的接收頻率,位于頻段低端。下行頻率指從基地臺到移動臺的發射頻率,即基地臺的發射頻率,或移動臺的接收頻率,位于頻段高端。
(2) 頻道間隔和標稱頻率
每個頻段的相鄰頻道間隔均為25 kHz 。對于160 MHz 、450 MHz 頻段,標稱頻率的最后2 位有效數字應為00 、25 、50 、75 kHz ; 對于800 MHz 頻段,標稱頻率的最后3 位有效數字應為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 。
地鐵專用移動通信系統滿足移動臺“ 發低收高”、基地臺“發高收低”,以及上述頻段、頻道間隔和標稱頻率的要求。
1. 2 城市商用移動通信引入系統
地鐵因其采用高強度、高密度的鋼筋混凝土結構,從而對外部空間電磁波產生了很強的屏蔽作用,形成城市商用移動通信的死區和盲區,在相當程度上限制了城市商用移動通信的發展和應用。
解決好地鐵內城市商用移動通信的引入問題, 實現無障礙的城市商用移動通信,必將產生良好的社會效益和經濟效益。根據北京地鐵的情況,城市商用移動通信引入系統的頻率有以下9 種:調頻立體聲廣播,為86～108 MHz ; 寬帶無線尋呼,為137 ～285 MHz ; 中國聯通CDMA 移動電話, 為800 MHz 頻段;中國聯通GSM 移動電話,為900 MHz 頻段;中國移動GSM 移動電話,為900 MHz 頻段; 中國移動GPRS 移動電話,為1 800 MHz 頻段;第三代移動電話,為2. 1 GHz 頻段;多媒體與無線局域網通信,為2. 4 GHz 頻段;公安、消防等特殊性行業需要引入的系統,頻率與原系統相同。
由于是引入系統,因此控制中心和交換機仍采用原系統,地鐵只設基地臺或雙向光纖射頻中繼器,用以增加或擴大無線管區。很顯然,其頻道間隔、標稱頻率和雙工間隔與原系統相同。
2 干擾定義及基本要求
長期以來,國家和各級無線電管理委員會對頻率的管理,僅在于分配無線電頻段和具體的頻點。這種管理可以避免同頻干擾(重復使用頻率),但忽略了3 種干擾,即鄰頻干擾、三階互調干擾和三階準互調干擾。由于移動通信的場強波動大,加上接收機前級和發射機末級的非線性,必然產生大量交叉調制分量。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(當兩頻道的頻道間隔值不同時,取兩種頻道間隔值之和的一半表示) 所造成的干擾。三階互調干擾,是由于非線性以及兩個或三個頻道載頻的和差值等于另一頻道的載頻而造成的干擾。三階準互調干擾,指由于非線性以及兩個或三個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,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正是要消除或減少上述3 種干擾,其基本要求如下:
① 為了使地鐵專用無線通信系統本身不產生干擾,無論地鐵專用無線通信系統采用何種方案, 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) 。
② 如果把地鐵專用無線通信系統所采用的頻率序列作為原頻率序列,把城市商用移動通信引入系統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生干擾,原頻率序列也不對加入頻率序列產生干擾。至于加入頻率序列本身是否要求相容,由引入系統單位決定。
③ 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,這時應把城市商用移動通信以及其它移動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所采用的頻率序列作為待加入頻率序列。這時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 移動通信頻率整理和分配程序簡介
移動通信頻率整理和分配程序是一個程序系統,它除了必要的菜單程序外,還由移動通信頻率整理(包括檢查、調整、選擇、主加入、次加入) 和分配(獨分、接分、多分) 共8 個方面的16 個應用程序(每個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。
本程序系統具有以下功能特點:
(1) 關于頻道間隔值
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規定頻道間隔值為25 kHz ; 國外有的國家規定為20 kHz , 并且正在進一步研究把頻道間隔縮小為12. 5 kHz 。另外,多話路電臺、尋呼電臺與單話路電臺頻道間隔值也不同。因此,在同一無線管區存在多種頻道間隔值的頻率是完全可能的。本程序系統充分考慮這種情況,其應用程序適用于多種頻道間隔值組成的頻率序列,滿足了實際的應用要求,優于通常僅適用于同一頻道間隔值的程序。
(2) 關于檢查[1 ]
本程序適用于鄰頻干擾、互調干擾、準互調干擾的檢查,并給出定量結果。這樣,優于通常僅檢查互調干擾的程序。
(3) 關于調整[2 ]
本程序給出各種類型和級別的調整,即鄰頻干擾、互調干擾、準互調干擾的調整,以及3 種干擾同時調整;除鄰頻干擾調整和3 種干擾同時調整給出全部最佳調整(即完全消除干擾且調整頻率最少) 外,互調干擾和準互調干擾的調整還可以給出各種級別的調整,即調整1 個干擾頻率、2 個干擾頻率直至最佳調整,每種調整的結果都有定量表示。這樣,用戶可根據需要和條件選擇調整,從而以最小代價的調整滿足使用要求。該調整程序比通常僅給出一種調整的程序更加完善和實用。
(4) 關于選擇
本程序給出最佳選擇,即滿足選擇條件(頻率個數和相容) 且選擇頻率序列最多,從而達到有效地利用無線電頻率的目的。
(5) 關于主加入[3 ] 和次加入
主加入,指待加入頻率序列為設計主要方,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、加頻率構成的整個頻率序列也相容;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,指原頻率序列為設計主要方,待加入頻率列為另一方。加入條件變為: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,都能夠實現最佳加入。即滿足加入條件且加入頻率最多,從而達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) 關于獨立分配[4 ,5 ]
獨立分配的要求是:在滿足相容的條件下,占用頻寬盡量小,從而達到有效地利用無線電頻率的目的。
本程序采用篩選法或數學方法由用戶選擇。篩選法可得到全部最佳解,當頻率數較少(3～ 11) 時,可快速獲得結果(除最佳解外,還包括全部第1 準最佳解);但當頻率數較多(大于11) 時,運算時間相當長。本程序采用接續運算法可相對克服這一缺點。無論頻率數多少,數學方法都可快速或比較快速地得到結果,但所得結果不一定最佳,也可能接近最佳。
(7) 關于接續分配[6 ]
接續分配,指原頻率序列為另一方,接續分配頻率序列為設計方。由于設計方無權改變另一方使用的頻率,只能改變本方的頻率,因此接續分配條件為:如果原頻率序列相容,則接續分配頻率序列相容,并且原、接頻率構成的整個頻率序列也相容;如果原頻率序列不相容,則接續分配頻率序列相容,并且原、接頻率序列彼此相容。
由于本程序系統適用于多種頻道間隔值組成的頻率序列,對于接續分配來講,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, 都能夠滿足接續分配的要求,求得全部最佳接續分配頻率序列。由于原頻率序列的影響,本程序采用篩選法。當接續分配頻率較多時,運算時間相當長,本程序采用接續運算法可相對克服這一缺點。
(8) 關于多序列分配[ 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學方法由用戶選擇。篩選法可得到滿足按列遞增規律的全部最佳解,但隨著頻率數或序列數的增加,運算時間迅速增加。本程序采用接續運算法可相對克服此缺點。數學方法無論頻率數或序列數多少,都可比較快速地得到結果,但所得結果不一定最佳,也可能接近最佳。
4 移動通信頻率整理和分配程序的應用
無線電頻率干擾是隨機性干擾,它和頻率配置、場強分布、電臺性能等有關,很難定量測量,也難于監督,即使發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,首先應當要求電臺的發射機和接收機性能滿足指標要求,工程設計上嚴格遵循相應的無線電設計規范。
另外,應對地鐵中各無線系統的選擇頻段、頻率配置、頻道間隔、雙工收發間隔等進行認真分析, 找出發射機和接收機帶通濾波器能夠通過的頻率, 并選擇移動通信頻率整理和分配程序系統相應的應用程序進行計算,以確保使用的頻率相容。舉例如下:
某地鐵專用移動通采用專用信道方案,工作頻段選擇在450 MHz , 雙工收發間隔10 MHz 。該市無線電管 理委員會批給該地鐵專用移動通信6 組頻率:
①F1/ 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) 采用450 MHz 頻段,需要考慮。如果地鐵專用移動通信系統采用160 MHz 頻段,則無線尋呼的干擾應當考慮;如果采用800 MHz , 則中國聯通CDMA 移動電話的干擾應當考慮。) 其工作頻率為4 組:
①f1/f1 ’為464. 825 MHz/ 454. 825 MHz ;
②f2/f2 ’為464. 875 MHz/ 454. 875 MHz ;
③f3/f3 ’為464. 975 MHz/ 454. 975 MHz ;
④f4/f4 ’為465. 000 MHz/ 455. 000 MHz 。
高端頻率用于下行,車站臺或中繼器發、移動臺收;低端頻率用于上行,移動臺發、車站臺或中繼器收。
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。但應避免高端頻率之間、低端頻率之間,以及帶通濾波器內的其它無線電頻率干擾。
(1) 該市無線電管理委員會批給該地鐵專用移動通信6 組頻率并不相容,通過檢查程序查出兩組互調干擾,而待加入頻率序列本身是相容的。
(2) 為了滿足第一個基本要求,采用選擇程序。當選擇6 個頻率時,無選擇頻率序列,和檢查結果一致;當選擇5 個頻率時,選擇頻率序列有2 個,選擇第1 個頻率序列F1F2F3F4F5 為地鐵所用。
(3) 為了滿足第2 個基本要求,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 個加入頻率序列;盡管待加入頻率序列的4 個頻率是相容的,但只能加入2 個頻率,即有2 個頻率可以引入地下。
(4) 為了滿足第3 個基本要求,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,盡管待加入頻率序列的5 個頻率是相容的,但只能加入3 個頻率,即有3 個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成的整個頻率序列并不相容,通過檢查程序查出三組互調干擾;然而,由原頻率和加入頻率構成的整個頻率序列相容,通過檢查程序得到了驗證。
參 考 文 獻
1 徐華林,王貴,任與鴻. 移動通信頻率檢查程序介紹. 移動通信,1994 , (1) :16～23
2 徐華林. 移動通信頻率檢查和調整程序. 中國無線電管理,1996 , (5) :13～17
3 徐華林. 移動通信頻率獨立分配程序. 通信技術與發展,1996 , (6) :48～53
4 徐華林. 最佳無三階互調頻率表及其在專用無線通信中的應用. 郵電設計技術,2001 , (12) :20～25
5 徐華林. 移動通令頻率接續分配程序. 無線電管理,1997 , (3) :19～28
