地铁中的无线电频率干扰及其对策
摘 要 提出了地铁中由于频率配置不当产生无线电频率干扰问题。介绍了一种比较完善的无线电频率管理程序 移动通信频率整理和分配程序。给出了应用该程序解决地铁中无线电频率干扰的方法,并举出了实例。
关键词 地铁,无线通信,移动通信,无线电干扰
目前地铁中除了原有的专用无线通信系统外, 还有各种各样的城市商用移动无线通信系统引入。各种各样的无线电频率必然相互干扰。因此,如何减少和避免这种无线电频率干扰,不但具有理论意义,而且具有工程价值。
1 各通信系统的使用频率
1. 1 专用移动通信系统
地铁专用移动通信系统按工作信道的使用方式来分,可分为专用信道方案和共用信道方案(集群方案) 。专用信道方案的特点就是按用途配置信道,每个信道只作一种用途,即使它处于空闲状态也不作他用;而当某一信道被占用时,全线均不能使用,必须排队等候。专用信道方案技术成熟、设备简单、成本较低,在子系统和信道数少、频率资源不紧张的情况下,采用专用信道方案是可行的。
所谓集群,指的是不按用途配置频道,而是信道为所有用户共用,实现设备和信道共享,因此又称为共用信道方案。由于集群系统采用信道共享及动态分配信道的技术,使系统内所有信道均忙的概率要远小于专用信道繁忙的概率。如果系统容纳的用户数不变,则呼损率大大减小;反之,如果用户的呼损率不变,则系统容纳的用户数大大增加。这是集群方案较之专用信道方案最主要的优点。另外,在可靠性、保密性、扩容、占用无线电频率、频率切换和频道转换,以及呼叫功能和检测功能等方面,集群方案都优于专用信道方案。根据笔者计算,当信道数为3 个以上时,集群方案的优越性就表现出来。目前新建地铁一般采用数字集群方案,但在特殊情况下或在已建地铁中也采用专用信道方案。
专用移动通信系统的使用频率如下:
(1) 工作频段
根据国家无线电管理委员会对移动通信工作频段的规定,系统工作频段为: 160 MHz 频段为138～ 149. 9 MHz(上行)/ 150. 05 ～ 167 MHz (下行),专用信道方案采用; 450 MHz 频段为403～ 420 MHz(上行) / 450～470 MHz(下行),专用信道方案采用; 800 MHz 频段为806 ～ 821 MHz ( 上行) / 851～866 MHz(下行),集群方案采用。上行频率指从移动台到基地台的发射频率,即移动台的发射频率,或基地台的接收频率,位于频段低端。下行频率指从基地台到移动台的发射频率,即基地台的发射频率,或移动台的接收频率,位于频段高端。
(2) 频道间隔和标称频率
每个频段的相邻频道间隔均为25 kHz 。对于160 MHz 、450 MHz 频段,标称频率的最后2 位有效数字应为00 、25 、50 、75 kHz ; 对于800 MHz 频段,标称频率的最后3 位有效数字应为12. 5 、37. 5 、62. 5 、87. 5 kHz 。
(3) 双工间隔160 MHz 频段为5. 7 MHz ; 450 MHz 频段为10 MHz ;800 MHz 频段为45 MHz 。
地铁专用移动通信系统满足移动台“ 发低收高”、基地台“发高收低”,以及上述频段、频道间隔和标称频率的要求。
1. 2 城市商用移动通信引入系统
地铁因其采用高强度、高密度的钢筋混凝土结构,从而对外部空间电磁波产生了很强的屏蔽作用,形成城市商用移动通信的死区和盲区,在相当程度上限制了城市商用移动通信的发展和应用。
解决好地铁内城市商用移动通信的引入问题, 实现无障碍的城市商用移动通信,必将产生良好的社会效益和经济效益。根据北京地铁的情况,城市商用移动通信引入系统的频率有以下9 种:调频立体声广播,为86～108 MHz ; 宽带无线寻呼,为137 ～285 MHz ; 中国联通CDMA 移动电话, 为800 MHz 频段;中国联通GSM 移动电话,为900 MHz 频段;中国移动GSM 移动电话,为900 MHz 频段; 中国移动GPRS 移动电话,为1 800 MHz 频段;第三代移动电话,为2. 1 GHz 频段;多媒体与无线局域网通信,为2. 4 GHz 频段;公安、消防等特殊性行业需要引入的系统,频率与原系统相同。
由于是引入系统,因此控制中心和交换机仍采用原系统,地铁只设基地台或双向光纤射频中继器,用以增加或扩大无线管区。很显然,其频道间隔、标称频率和双工间隔与原系统相同。
2 干扰定义及基本要求
长期以来,国家和各级无线电管理委员会对频率的管理,仅在于分配无线电频段和具体的频点。这种管理可以避免同频干扰(重复使用频率),但忽略了3 种干扰,即邻频干扰、三阶互调干扰和三阶准互调干扰。由于移动通信的场强波动大,加上接收机前级和发射机末级的非线性,必然产生大量交叉调制分量。其中尤以上述3 种无线电频率干扰影响最大。
2. 1 干扰定义和相容
邻频干扰,指两频道载频之差小于其频道间隔值(当两频道的频道间隔值不同时,取两种频道间隔值之和的一半表示) 所造成的干扰。三阶互调干扰,是由于非线性以及两个或三个频道载频的和差值等于另一频道的载频而造成的干扰。三阶准互调干扰,指由于非线性以及两个或三个频道载频的和差值虽不等于另一频道的载频,但其频带落到另一频道的带宽内,从而造成的干扰。在一频率序列中,如无上述3 种干扰,则称为相容,否则称为不相容。
2. 2 基本要求
地铁中无线通信系统正是要消除或减少上述3 种干扰,其基本要求如下:
① 为了使地铁专用无线通信系统本身不产生干扰,无论地铁专用无线通信系统采用何种方案, 均要求其所采用的频率序列无上述3 种干扰(即为相容频率序列) 。
② 如果把地铁专用无线通信系统所采用的频率序列作为原频率序列,把城市商用移动通信引入系统所采用的频率序列作为待加入频率序列,则要求加入频率序列与原频率序列彼此相容,即要求加入频率序列不对原频率序列产生干扰,原频率序列也不对加入频率序列产生干扰。至于加入频率序列本身是否要求相容,由引入系统单位决定。
③ 由于地铁可能有部分线路和车站位于地面或高架,并且车辆段总是在地面,这时应把城市商用移动通信以及其它移动通信所采用的频率序列作为原频率序列,而把地铁专用无线通信系统所采用的频率序列作为待加入频率序列。这时除了要求加入频率序列与原频率序列彼此相容外,还要求加入频率序列相容。
3 移动通信频率整理和分配程序简介
移动通信频率整理和分配程序是一个程序系统,它除了必要的菜单程序外,还由移动通信频率整理(包括检查、调整、选择、主加入、次加入) 和分配(独分、接分、多分) 共8 个方面的16 个应用程序(每个均包括绝对值程序和相对值程序) 组成。
所谓频率绝对值即频率真值,指的是以兆赫兹(MHz) 为单位的频率值,而频率相对值指的是以该频率序列中最小的频率为1 , 其它频率由其值与最小频率之差除以频道间隔值所得的商加1 表示; 或以某一起始频率1 而求得。
本程序系统具有以下功能特点:
(1) 关于频道间隔值
为了有效地利用无线电频率,频道间隔要求越来越小。目前,我国无线电管理委员会规定频道间隔值为25 kHz ; 国外有的国家规定为20 kHz , 并且正在进一步研究把频道间隔缩小为12. 5 kHz 。另外,多话路电台、寻呼电台与单话路电台频道间隔值也不同。因此,在同一无线管区存在多种频道间隔值的频率是完全可能的。本程序系统充分考虑这种情况,其应用程序适用于多种频道间隔值组成的频率序列,满足了实际的应用要求,优于通常仅适用于同一频道间隔值的程序。
(2) 关于检查[1 ]
本程序适用于邻频干扰、互调干扰、准互调干扰的检查,并给出定量结果。这样,优于通常仅检查互调干扰的程序。
(3) 关于调整[2 ]
本程序给出各种类型和级别的调整,即邻频干扰、互调干扰、准互调干扰的调整,以及3 种干扰同时调整;除邻频干扰调整和3 种干扰同时调整给出全部最佳调整(即完全消除干扰且调整频率最少) 外,互调干扰和准互调干扰的调整还可以给出各种级别的调整,即调整1 个干扰频率、2 个干扰频率直至最佳调整,每种调整的结果都有定量表示。这样,用户可根据需要和条件选择调整,从而以最小代价的调整满足使用要求。该调整程序比通常仅给出一种调整的程序更加完善和实用。
(4) 关于选择
本程序给出最佳选择,即满足选择条件(频率个数和相容) 且选择频率序列最多,从而达到有效地利用无线电频率的目的。
(5) 关于主加入[3 ] 和次加入
主加入,指待加入频率序列为设计主要方,原频率序列为另一方。加入条件为:如果原频率序列相容,则加入频率序列相容,并且原、加频率构成的整个频率序列也相容;如果原频率序列不相容,则加入频率序列相容,且原、加频率序列彼此相容。次加入,指原频率序列为设计主要方,待加入频率列为另一方。加入条件变为:不要求加入频率序列一定相容,但要求原、加频率序列彼此相容。
由于本程序系统适用于多种频道间隔值组成的频率序列,无论对于主加入还是地下加入,原频率序列既可是多种频道间隔值组成的频率序列,也可是同一种频道间隔值组成的频率序列,而待加入频率序列既可与原频率序列的频道间隔值相同,也可不同,都能够实现最佳加入。即满足加入条件且加入频率最多,从而达到有效利用无线电频率的目的。
主加入与次加入不同的是:前者的加入条件要求加入频率序列一定相容;而后者并不要求,因此加入频率序列可能相容,也可能不相容。
(6) 关于独立分配[4 ,5 ]
独立分配的要求是:在满足相容的条件下,占用频宽尽量小,从而达到有效地利用无线电频率的目的。
本程序采用筛选法或数学方法由用户选择。筛选法可得到全部最佳解,当频率数较少(3～ 11) 时,可快速获得结果(除最佳解外,还包括全部第1 准最佳解);但当频率数较多(大于11) 时,运算时间相当长。本程序采用接续运算法可相对克服这一缺点。无论频率数多少,数学方法都可快速或比较快速地得到结果,但所得结果不一定最佳,也可能接近最佳。
(7) 关于接续分配[6 ]
接续分配,指原频率序列为另一方,接续分配频率序列为设计方。由于设计方无权改变另一方使用的频率,只能改变本方的频率,因此接续分配条件为:如果原频率序列相容,则接续分配频率序列相容,并且原、接频率构成的整个频率序列也相容;如果原频率序列不相容,则接续分配频率序列相容,并且原、接频率序列彼此相容。
由于本程序系统适用于多种频道间隔值组成的频率序列,对于接续分配来讲,原频率序列既可是由多种频道间隔值组成的频率序列,也可是同一种频道间隔值组成的频率序列,而接续分配频率序列既可与原频率序列频道间隔值相同,也可不同, 都能够满足接续分配的要求,求得全部最佳接续分配频率序列。由于原频率序列的影响,本程序采用筛选法。当接续分配频率较多时,运算时间相当长,本程序采用接续运算法可相对克服这一缺点。
(8) 关于多序列分配[ 7 ]
多序列分配的条件是:各频率序列相容,并且全部频率相异。本程序采用筛选法或数学方法由用户选择。筛选法可得到满足按列递增规律的全部最佳解,但随着频率数或序列数的增加,运算时间迅速增加。本程序采用接续运算法可相对克服此缺点。数学方法无论频率数或序列数多少,都可比较快速地得到结果,但所得结果不一定最佳,也可能接近最佳。
4 移动通信频率整理和分配程序的应用
无线电频率干扰是随机性干扰,它和频率配置、场强分布、电台性能等有关,很难定量测量,也难于监督,即使发生干扰也难于查明原因。
为了解决地铁中的无线电频率干扰,首先应当要求电台的发射机和接收机性能满足指标要求,工程设计上严格遵循相应的无线电设计规范。
另外,应对地铁中各无线系统的选择频段、频率配置、频道间隔、双工收发间隔等进行认真分析, 找出发射机和接收机带通滤波器能够通过的频率, 并选择移动通信频率整理和分配程序系统相应的应用程序进行计算,以确保使用的频率相容。举例如下:
某地铁专用移动通采用专用信道方案,工作频段选择在450 MHz , 双工收发间隔10 MHz 。该市无线电管 理委员会批给该地铁专用移动通信6 组频率:
①F1/ F1 ’为460. 500 MHz/ 450. 500 MHz ; ②F2/ F2 ’为460. 675 MHz/ 450. 675 MHz ; ③F3/ F3 ’为460. 875 MHz/ 450. 875 MHz ; ④F4/ F4 ’为460. 925 MHz/ 450. 925 MHz ; ⑤F5/ F5 ’为460. 950 MHz/ 450. 950 MHz ; ⑥F6/ F6 ’为461. 125 MHz/ 451. 125 MHz 。
引入系统虽有9 种,但前8 种都不是450 MHz 频段,因此可不加考虑;只有第9 种(特殊性行业) 采用450 MHz 频段,需要考虑。如果地铁专用移动通信系统采用160 MHz 频段,则无线寻呼的干扰应当考虑;如果采用800 MHz , 则中国联通CDMA 移动电话的干扰应当考虑。) 其工作频率为4 组:
①f1/f1 ’为464. 825 MHz/ 454. 825 MHz ;
②f2/f2 ’为464. 875 MHz/ 454. 875 MHz ;
③f3/f3 ’为464. 975 MHz/ 454. 975 MHz ;
④f4/f4 ’为465. 000 MHz/ 455. 000 MHz 。
高端频率用于下行,车站台或中继器发、移动台收;低端频率用于上行,移动台发、车站台或中继器收。
由于高低端频率之间有足够的间隔,带通滤波器可把干扰信号滤掉,因此可以不考虑高-低端频率之间的无线电频率干扰。但应避免高端频率之间、低端频率之间,以及带通滤波器内的其它无线电频率干扰。
(1) 该市无线电管理委员会批给该地铁专用移动通信6 组频率并不相容,通过检查程序查出两组互调干扰,而待加入频率序列本身是相容的。
(2) 为了满足第一个基本要求,采用选择程序。当选择6 个频率时,无选择频率序列,和检查结果一致;当选择5 个频率时,选择频率序列有2 个,选择第1 个频率序列F1F2F3F4F5 为地铁所用。
(3) 为了满足第2 个基本要求,采用次加入程序,把F1F2F3F4F5 作为原频率序列,把f1f2f3f4 作为待加入频率序列,求得2 个加入频率序列;尽管待加入频率序列的4 个频率是相容的,但只能加入2 个频率,即有2 个频率可以引入地下。
(4) 为了满足第3 个基本要求,采用主加入程序,把f1f2f3f4 作为原频率序列,把F1F2F3F4F5 作为待加入频率序列,求得加入频率序列2 个,尽管待加入频率序列的5 个频率是相容的,但只能加入3 个频率,即有3 个频率可以在地上使用。
(5) 虽然原频率序列相容,待加入频率序列也相容,但由原频率和待加入频率构成的整个频率序列并不相容,通过检查程序查出三组互调干扰;然而,由原频率和加入频率构成的整个频率序列相容,通过检查程序得到了验证。
参 考 文 献
1 徐华林,王贵,任与鸿. 移动通信频率检查程序介绍. 移动通信,1994 , (1) :16～23
2 徐华林. 移动通信频率检查和调整程序. 中国无线电管理,1996 , (5) :13～17
3 徐华林. 移动通信频率独立分配程序. 通信技术与发展,1996 , (6) :48～53
4 徐华林. 最佳无三阶互调频率表及其在专用无线通信中的应用. 邮电设计技术,2001 , (12) :20～25
5 徐华林. 移动通令频率接续分配程序. 无线电管理,1997 , (3) :19～28
