CN110740007A - 一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置及其布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置及其布设方法，用于加装在地铁沿线通信系统受干扰严重的区域，当列车轨道位于地铁站台内时，所述抗干扰屏蔽装置包括屏蔽网，所述屏蔽网通过站台原有固定设备进行悬挂固定，用于将整个地铁运行系统笼罩在其中从而使得来自基站的干扰信号被隔离在外。本发明抗干扰屏蔽装置将地铁通信系统全部包在屏蔽网内部，对于从外界过来的任何电磁信号，屏蔽网都有一定的反射和吸收作用，可以极大地降低到达地铁通信系统接收机天线上的干扰信号的功率。可以十分有效地、彻底地解决地铁通信信号受到外部基站干扰的问题，不需要对现有的车载设备、固定设备及无线基站进行改装，实施起来成本相对较低。

Description

一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置及其布设方法

技术领域

本发明涉及通讯信号领域，特别涉及一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置及其布设方法。

背景技术

近十年来我国城市轨道交通迅速发展，而地铁通信系统所受到的干扰也在逐渐增加。当地铁列车运行到地面路段或者高架桥时，地铁列车上的MR(车载通信接受设备)天线与固定AP(Access Point，空间无线电台)天线组成的通信系统处于自由空间中。在室外的自由空间中，有多种通信制式的电磁波信号传播，除了地铁数字通信系统的信号以外，还有移动通信设备的信号，如移动、联通、电信公司架设在地铁轨道附近的移动通信基站，周边工厂可能还存在用于产线设备之间数据通信的小型局域网通信系统，如LoRa、Zigbee等。

基站信号对地铁通信系统的影响属于EMI电磁干扰的一种，降低EMI干扰的手段主要有三种：其一是降低干扰源干扰信号强度或者消除干扰源，其二是切断干扰路径或增大传播路径上的损耗，其三是保护敏感设备。同理，降低基站信号对AP信号的影响的方法也可从这三个角度入手。

无论是之前有人提出的基站侧加装滤波器方案、在列车通信系统中增加信号放大模块方案或者是地铁通信系统射频前端电路加滤波器方案，都有各自的局限性，甚至无法完全解决问题所在。因此提出在信号干扰较强区域建设信号屏蔽网来对所有外界信号全部削弱的方案。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置及其布设方法，有效解决现阶段地铁通讯系统在露天轨道运行时受到外界基站及其他信号干扰的问题。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明公开了一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，用于加装在地铁沿线通信系统受干扰严重的区域，当列车轨道位于地铁站台内时，所述抗干扰屏蔽装置包括屏蔽网，所述屏蔽网通过站台原有固定设备进行悬挂固定，用于将整个地铁运行系统笼罩在其中从而使得来自基站的干扰信号被隔离在外。

进一步的，当列车轨道位于地面或者高架上时，所述抗干扰屏蔽装置还包括若干第一立柱和若干第二立柱，其中：

若干所述第一立柱分别竖直设置于列车轨道左侧；

若干所述第二立柱分别竖直设置于列车轨道右侧；

若干所述第一立柱和第二立柱分别对称竖直设置于列车轨道两侧；

所述屏蔽网悬挂固定在若干所述第一立柱之间、若干所述第二立柱之间以及若干左右对称的第一立柱和第二立柱顶部之间，形成一列车轨道左侧、顶部、右侧和底部围合的屏蔽空间。

优选的，所述第一立柱和第二立柱采用可拆卸方式设置于列车轨道左右两侧。

进一步的，所述屏蔽网呈矩形网格状。

进一步的，所述屏蔽网采用金属丝制成，所述金属丝的材质为铜、铝或不锈钢。

本发明另外公开了一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法，利用上述地铁通信系统抗干扰屏蔽装置进行布设，其具体步骤包括：

步骤1：将基站发射到地铁通信系统天线处的干扰信号强度降到空气噪底以下，并计算在地铁通信系统的信号带宽为1MHz及常温条件下，真空中AP接收机接收到的信号的噪底，以及计算基站发出的无线信号在空间中传输的路损，进而计算出所需屏蔽墙直接损耗与绕射信号的损耗叠加的效果值；

步骤2：根据屏蔽网材质的直径以及网格中心点间距计算屏蔽网的电感L_S和单位长度上的内阻抗R_S；

步骤3：计算垂直于入射平面的电磁波和平行于入射平面的电磁波的传输函数，并计算屏蔽网的上下限损耗；

步骤4：计算基站发射的无线信号绕射屏蔽网的绕射参数，并计算出绕射产生的路径损耗，进而计算出所需屏蔽网安装长度。

进一步的，步骤1中，地铁通信系统的信号带宽为1MHz，常温条件下，真空中AP接收机接收到的信号的噪底可由下面的公式1计算得到：

Noise Floor(dBm)＝-174dBm/Hz+10logBW＝-174dBm+10log1M＝-114dBm/MHz (1)

即，设计屏蔽网的目标是需要将发送到AP接收机接收端的信号降低到-114dBm/MHz以下；

根据3GPP 36.141中对FDD/TDD E-UTRA基站的射频测试方法和一致性要求，基站ACLR绝对限制线为-13dBm/MHz，要达到将带外杂散信息降到低于噪底，传输过程中损耗需要达到-13dBm/MHz-(-114dBm/MHz)＝101dB；

无线信号在空间中传输会存在路损，路损的计算可以通过公式2完成：

假设离地铁线最近的基站为d₁＝20m，d₁为基站天线与屏蔽网之间的距离，对地铁通信系统影响最大的通信频段为2.4GHz，从上述公式2可得，空间中视距无损传输损耗FSPL＝66dB，因此，屏蔽网直接损耗与绕射信号的损耗叠加的效果应该达到101dB-66dB＝35dB。

进一步的，步骤2中，屏蔽网金属丝的电感L_S和单位长度内阻抗R_S可由公式3和4计算得出：

式中，r为金属丝的直径，a为金属孔中心的间距，μ是金属磁导率，σ是金属电导率。

进一步的，步骤3中，垂直于入射平面的电磁波和平行于入射平面的电磁波的传输函数分别为：

垂直入射时：

平行入射时：

公式5和6分别是垂直入射与平行入射的传输函数，分别对应于屏蔽网屏蔽能效的上下限，屏蔽网的上下限损耗可由公式7和8计算得到：

SE_min＝-20lg|T₁| (7)

SE_max＝-20lg|T₂| (8)

式中，SE_min为屏蔽网屏蔽最低能效，SE_max为屏蔽网屏蔽最大能效，，|T₁|为电磁波垂直入射传递值，|T₂|为电磁波水平入射传递值为了能够达到屏蔽效果，屏蔽网的实际损耗由上面计算得到的损耗的最小值决定。

进一步的，步骤4中，绕射参数υ可以通过下式求得：

式中，α为绕射夹角，λ为无线通信频段单位空间的路损率，L₁为基站天线对基准线距离，d为架设屏蔽网后基站天线绕射至地铁通信系统的最短距离；

由于绕射产生的路径损耗可由下式确定：

根据公式2中基站天线绕射损耗FSPL值等于公式10中G_d(dB)值可得，屏蔽网的架设最短长度为2L_x，L_x为屏蔽网对基准线长度。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，在地铁沿线通信系统受干扰严重的区域位置于地铁线与基站之间加装屏蔽网，使用屏蔽网将整个地铁通信系统包覆在内；屏蔽网对所有外界信号全部削弱，可以十分有效地，彻底地解决信号受到干扰的问题，并且不需要对现有的车载设备，固定设备及无线基站进行改装，与电信运营商之间的交涉成本低(甚至可以不用与之交涉)，实施起来成本相对较低；

2、本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置中的屏蔽网为矩形网格状、金属丝制成的屏蔽网，具有重量轻，易弯曲等优点，同时成本相较于金属板状屏蔽网低；

3、本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置中的屏蔽网选用铝质材料，相对于其他金属材料，屏蔽效率高，且消耗成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置中屏蔽网屏蔽外界干扰示意图；

图2是本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置中屏蔽网施工方案示意图；

图3是本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置中屏蔽网线径与金属中心间距径示意图；

图4是本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法的流程示意图；

图5是本发明一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置中基站信号干扰地铁通信系统的信号传输路径示意图。

【主要符号说明】

1-屏蔽网；

2-第一立柱；

3-第二立柱。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，本发明公开了一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，用于加装在地铁沿线通信系统受干扰严重的区域，当列车轨道位于地铁站台内时，所述抗干扰屏蔽装置包括屏蔽网1，所述屏蔽网1通过站台原有固定设备进行悬挂固定，用于将整个地铁运行系统笼罩在其中从而使得来自基站的干扰信号被隔离在外。

在另一实施例中，由于金属屏蔽网具有易折叠的特点，因此只需在列车轨道两侧的站台上建立柱，然后通过绳索将屏蔽网1挂起来，使得屏蔽网1将整个地铁运行系统笼罩在其中，使得来自基站的干扰信号被隔离在外。具体的，如图2所示，当列车轨道位于地面或者高架上时，所述抗干扰屏蔽装置还包括若干第一立柱2和若干第二立柱3，其中：

若干所述第一立柱2分别竖直设置于列车轨道左侧；

若干所述第二立柱3分别竖直设置于列车轨道右侧；

若干所述第一立柱2和第二立柱3分别对称竖直设置于列车轨道两侧；

所述屏蔽网1悬挂固定在若干所述第一立柱2之间、若干所述第二立柱3之间以及若干左右对称的第一立柱2和第二立柱3顶部之间，形成一列车轨道左侧、顶部、右侧和底部围合的屏蔽空间。

优选的，所述第一立柱2和第二立柱3采用可拆卸方式设置于列车轨道左右两侧。

进一步如图3所示，所述屏蔽网1呈矩形网格状，且采用金属丝制成，具有重量轻，易弯曲等优点，同时成本相较金属板低。本实施例中，所述金属丝的材质为铜、铝或不锈钢。下表是采用铜、铝及不锈钢的屏蔽网的尺寸参数及屏蔽效率计算结果：

材料	磁导率(H/m)	电导率(s/m)	r(mm)	a(mm)	屏蔽效率(dB)
						铜	1.25×10<sup>-6</sup>	5.8×10<sup>7</sup>	0.5	2	42.5
铝	1.25×10<sup>-6</sup>	3.65×10<sup>7</sup>	0.5	2	42.5
						不锈钢(单层)	2.26×10<sup>-4</sup>	9.85×10<sup>6</sup>	0.5	2	20

表1几种屏蔽网材料尺寸的屏蔽能效

由于市面上的屏蔽网材料、尺寸各有不同，具体屏蔽材料的屏蔽效能也不同，根据上表，铜材质的屏蔽网与铝材质的屏蔽网屏蔽效率基本相同，而不锈钢(单层)材质的屏蔽网屏蔽效率最差。而铝相对铜而言价格相对较低，因此在不考虑其他问题的情况下，优先选择铝材质的屏蔽网1，相对于其他金属材料，屏蔽效率高，且消耗成本较低。

实施例二

如图4所示，本发明另外公开了一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法，利用上述地铁通信系统抗干扰屏蔽装置进行布设，其具体步骤包括：

步骤1：将基站发射到地铁通信系统天线处的干扰信号强度降到空气噪底以下，并计算在地铁通信系统的信号带宽为1MHz及常温条件下，真空中AP接收机接收到的信号的噪底，以及计算基站发出的无线信号在空间中传输的路损，进而计算出所需屏蔽墙直接损耗与绕射信号的损耗叠加的效果值；

步骤2：根据屏蔽网材质的直径以及网格中心点间距计算屏蔽网的电感L_S和单位长度上的内阻抗R_S；

步骤3：计算垂直于入射平面的电磁波和平行于入射平面的电磁波的传输函数，并计算屏蔽网的上下限损耗；

步骤4：计算基站发射的无线信号绕射屏蔽网的绕射参数，并计算出绕射产生的路径损耗，进而计算出所需屏蔽网安装长度。

进一步的，步骤1中，地铁通信系统的信号带宽为1MHz，常温条件下，真空中AP接收机接收到的信号噪底Noise Floor(dBm)可由下面的公式1计算得到：

Noise Floor(dBm)＝-174dBm/Hz+10logBW＝-174dBm+10log1M＝-114dBm/MHz (1)

即，设计屏蔽网的目标是需要将发送到AP接收机接收端的信号降低到-114dBm/MHz以下；

根据3GPP 36.141中对FDD/TDD E-UTRA基站的射频测试方法和一致性要求，基站ACLR(相邻信道泄漏比)绝对限制线为-13dBm/MHz，要达到将带外杂散信息降到低于噪底，传输过程中损耗需要达到-13dBm/MHz-(-114dBm/MHz)＝101dB；

无线信号在空间中传输会存在路损，路损的计算可以通过公式2完成：

假设离地铁线最近的基站为d₁＝20m，d₁为基站天线与屏蔽网之间的距离，对地铁通信系统影响最大的通信频段为2.4GHz，从上述公式2可得，空间中视距无损传输损耗FSPL＝66dB，因此，屏蔽网直接损耗与绕射信号的损耗叠加的效果应该达到101dB-66dB＝35dB。本实施例中，采用屏蔽网，将整个地铁运行系统全部罩住，基站干扰信号达到地铁通信系统的路径只有一条，即直接穿过屏蔽网到达。因此要想达到屏蔽基站干扰信号的目的，只需要屏蔽网对无线信号的信号屏蔽能效数值达到真空中AP接收机接收到的信号的噪底减去无线信号在空间中传输的路损的数值即可。本方案采用的屏蔽网方案如图1所示，信号经第一路径达到屏蔽网，穿过屏蔽网后沿着第二路径达到地铁通信系统的天线。由于基站天线到经过d1的距离到达屏蔽网，中间会有路径损耗，根据前文的估计，约为66dB，屏蔽网能效需要35dB。

进一步的，步骤2中，屏蔽网金属丝的电感L_S和单位长度内阻抗R_S可由公式3和4计算得出：

式中，μ是金属磁导率，σ是金属电导率，r为金属丝的直径，a为金属孔中心的间距，如图3所示。

进一步的，目前3GPP移动通信信号采用的电磁波多为平面波(TEM)。步骤3中，垂直于入射平面的电磁波和平行于入射平面的电磁波的传输函数分别为：

垂直入射时：

平行入射时：

公式5和6分别是垂直入射与平行入射的传输函数，分别对应于屏蔽网屏蔽能效的上下限，屏蔽网的上下限损耗可由公式7和8计算得到：

SE_min＝-20lg|T₁| (7)

SE_max＝-20lg|T₂| (8)

式中，SE_min为屏蔽网屏蔽最低能效，SE_max为屏蔽网屏蔽最大能效，|T₁|为电磁波垂直入射传递值，|T₂|为电磁波水平入射传递值，为了能够达到屏蔽效果，屏蔽网的实际损耗由上面计算得到的损耗的最小值决定。

实际操作中，屏蔽网不能铺设无限长，原因有二：其一过长的屏蔽网铺设虽然有利于屏蔽外界干扰信号，但是干扰并非存在于所有路段，或者并非所有路段的干扰信号都会影响地铁通信系统的通信质量下降，因此铺设无限长的屏蔽网从技术上是没有必要的；其二，成本限制，屏蔽网长度的增加，势必会带来成本的增加。由于电磁波信号在遇到障碍物的情况下会绕过障碍物的边缘到达直线视距不能到达的接收机位置。在这一传输过程中，由于绕射达到接收机，会带来额外的损耗。因此，如果屏蔽网铺设距离过短，则无法满足屏蔽网的屏蔽效率需求。基站信号干扰地铁无线通信系统的信号传输路径如图5所示：

表2基站及地铁AP相关参数表

具体的，步骤4中，绕射参数υ可以通过下式求得：

式中，α为绕射夹角，λ为无线通信频段单位空间的路损率，L₁为基站天线对基准线距离，d为架设屏蔽网后基站天线绕射至地铁通信系统的最短距离；

由于绕射产生的路径损耗可由下式确定：

根据公式2中基站天线绕射损耗FSPL值等于公式10中G_d(dB)值可得，屏蔽网的架设最短长度为2L_x，L_x为屏蔽网对基准线长度。而屏蔽网的架设高度应以不影响地铁轨道上方接触网正常工作为佳，在接触网上方两米的高度架设屏蔽网，不仅可以保证接触网的正常工作，也可以在之后的接触网维修工作中预留出足够的空间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，用于加装在地铁沿线通信系统受干扰严重的区域，其特征在于，当列车轨道位于地铁站台内时，所述抗干扰屏蔽装置包括屏蔽网，所述屏蔽网通过站台原有固定设备进行悬挂固定，用于将整个地铁运行系统笼罩在其中从而使得来自基站的干扰信号被隔离在外。

2.根据权利要求1所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，其特征在于，当列车轨道位于地面或者高架上时，所述抗干扰屏蔽装置还包括若干第一立柱和若干第二立柱，其中：

若干所述第一立柱分别竖直设置于列车轨道左侧；

若干所述第二立柱分别竖直设置于列车轨道右侧；

若干所述第一立柱和第二立柱分别对称竖直设置于列车轨道两侧；

所述屏蔽网悬挂固定在若干所述第一立柱之间、若干所述第二立柱之间以及若干左右对称的第一立柱和第二立柱顶部之间，形成一列车轨道左侧、顶部、右侧和底部围合的屏蔽空间。

3.根据权利要求2所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，其特征在于，所述第一立柱和第二立柱采用可拆卸方式设置于列车轨道左右两侧。

4.根据权利要求1所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽网呈矩形网格状。

5.根据权利要求1所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽网采用金属丝制成，所述金属丝的材质为铜、铝或不锈钢。

6.一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法，其特征在于，利用上述权利要求1-5中任意一项所述的地铁通信系统抗干扰屏蔽装置进行布设，其具体步骤包括：

步骤1：将基站发射到地铁通信系统天线处的干扰信号强度降到空气噪底以下，并计算在地铁通信系统的信号带宽为1MHz及常温条件下，真空中AP接收机接收到的信号的噪底，以及计算基站发出的无线信号在空间中传输的路损，进而计算出所需屏蔽墙直接损耗与绕射信号的损耗叠加的效果值；

步骤2：根据屏蔽网材质的直径以及网格中心点间距计算屏蔽网的电感L_S和单位长度上的内阻抗R_S；

步骤3：计算垂直于入射平面的电磁波和平行于入射平面的电磁波的传输函数，并计算屏蔽网的上下限损耗；

步骤4：计算基站发射的无线信号绕射屏蔽网的绕射参数，并计算出绕射产生的路径损耗，进而计算出所需屏蔽网安装长度。

7.根据权利要求6所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法，其特征在于，步骤1中，地铁通信系统的信号带宽为1MHz，常温条件下，真空中AP接收机接收到的信号的噪底可由下面的公式1计算得到：

Noise Floor(dBm)＝-174dBm/Hz+10logBW＝-174dBm+101log1M＝-114dBmMHz (1)

即，设计屏蔽网的目标是需要将发送到AP接收机接收端的信号降低到-114dBm/MHz以下；

根据3GPP 36.141中对FDD/TDD E-UTRA基站的射频测试方法和一致性要求，基站ACLR绝对限制线为-13dBm/MHz，要达到将带外杂散信息降到低于噪底，传输过程中损耗需要达到-13dBm/MHz-(-114dBm/MHz)＝101dB；

无线信号在空间中传输会存在路损，路损的计算可以通过公式2完成：

假设离地铁线最近的基站为d₁＝20m，d₁为基站天线与屏蔽网之间的距离，对地铁通信系统影响最大的通信频段为2.4GHz，从上述公式2可得，空间中视距无损传输损耗FSPL＝66dB，因此，屏蔽网直接损耗与绕射信号的损耗叠加的效果应该达到101dB-66dB＝35dB。

8.根据权利要求7所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法，其特征在于，步骤2中，屏蔽网金属丝的电感L_S和单位长度内阻抗R_S可由公式3和4计算得出：

式中，r为金属丝的直径，a为金属孔中心的间距，μ是金属磁导率，σ是金属电导率。

9.根据权利要求8所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法，其特征在于，步骤3中，垂直于入射平面的电磁波和平行于入射平面的电磁波的传输函数分别为：

垂直入射时：

平行入射时：

公式5和6分别是垂直入射与平行入射的传输函数，分别对应于屏蔽网屏蔽能效的上下限，屏蔽网的上下限损耗可由公式7和8计算得到：

SE_min＝-20lg|T₁| (7)

SE_max＝-20lg|T₂| (8)

式中，SE_min为屏蔽网屏蔽最低能效，SE_max为屏蔽网屏蔽最大能效，|T₁|为电磁波垂直入射传递值，|T₂|为电磁波水平入射传递值，为了能够达到屏蔽效果，屏蔽网的实际损耗由上面计算得到的损耗的最小值决定。

10.根据权利要求9所述的一种地铁通信系统抗干扰屏蔽装置的布设方法，其特征在于，步骤4中，绕射参数υ可以通过下式求得：

式中，α为绕射夹角，λ为无线通信频段单位空间的路损率，L₁为基站天线对基准线距离，d为架设屏蔽网后基站天线绕射至地铁通信系统的最短距离；

由于绕射产生的路径损耗可由下式确定：

根据公式2中基站天线绕射损耗FSPL值等于公式10中G_d(dB)值可得，屏蔽网的架设最短长度为2L_x，L_x为屏蔽网对基准线长度。

Images