CN112019999A - 一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，主要用于轨道交通应用场景下的无线网络运维中，以解决无线信号干扰难以检测、长距离的轨道线中难以定位干扰源位置的问题。本发明包括以下步骤：（1）数据收集与预处理阶段，使用无线电硬件设备扫描无线信号；（2）信号特征分析与干扰信号检测；（3）结合无线信号与加速度计传感器、GPS全球定位系统信号，进行实时位置计算。本发明应用于轨道交通系统，能够以低成本的系统辅助轨道交通无线网络的运维，在有效的进行信号干扰检测的同时、提供了列车的实时位置信息，定位干扰信号的发生位置。

Description

一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法

技术领域

本发明涉及无线信号分析和列车定位技术领域，特别是一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法。

背景技术

随着我国经济建设的飞速发展，轨道交通对于各类无线电应用的需求迅猛增加，这使得轨道交通的无线电电磁环境变得日益复杂。轨道交通多种运营生产业务都依赖于无线通信，特别是CBTC基于通信的列车自动控制系统列车控制系统，无线通信系统的稳定可靠是轨道交通企业安全生产的基石。这使面向于轨道交通的无线电监测成为了业内公司关注的重点。无线通信系统面临的最严峻的挑战是同频、邻频干扰问题。

干扰信号的发生可以分为内部干扰与外部干扰。外部干扰源有学校、车站、车载通信器等其他通信设备在相同或相邻频带通信对系统内造成干扰。外部干扰源引起的干扰特征表现为：在地理分布上连续呈片，且干扰波形相似，均为整体抬升或不规则波形。内部同频干扰一般是系统通信设备发生故障，导致通信过程中信号的调制出现其他频点的“杂音”，其特征表现为信号带宽小而信号强度大。分析可知，当系统受到内部或者外部干扰时，信号频谱在局部位置会出现异常，图中红色箭头部分，信号强度值在局部位置发生了异常，其在时间上持续了15个采样周期，而在频带上仅有2MHz宽。这样的异常可以判定为窄带干扰。

由于在城市轨道交通的轨道线路延伸距离长，在检测干扰信号的同时还需要能提供其位置信息。而地铁环境复杂，并且大部分时间都处于地下，所以普通的GPS定位并不能满足定位系统的需求。车载GPS导航为人们出行提供了极大的遍历，但是这种导航方式有一个不足之处在于并不是所有地方的GPS都很好，可以提供较高的定位精确度。当汽车处于GPS信号差的地方(如，桥洞，隧道)，采用GPS的导航就无法正常工作，这个问题有两个解决方案：

(1)在GPS信号差的地方安装GPS信号转发器；

(2)由于汽车在进入这些地区之前速度已经计算出来了，那么可以假设汽车在这些地方的速度不会出现很大的变化，因此可以采用一种惯性导航的方式继续为汽车提供导航服务。这两种方案中，第一张方案可以提供更高的定位精度，但是需要花费更高的代价，第二种方案是目前工业界最常用的方式。

这种思想可以拓展到地铁的运行环境中，但是与普通的汽车的惯性导航不同的是，地铁的运行过程中可以接受到GPS信号的时间有限，并且GPS信号的校准需要一定的时间，因此大部分情况下都不能通过GPS信号来计算列车的运行速度，但是一旦可以正常接收到GPS信号，那么列车的位置便可以确定。因此本论文中采用了一个加速度计进行加速度计算，并且通过加速度计来计算列车当前的运行速度。通过列车的初始位置，计算得到的列车运行速度，GPS信号以及通信信号来确定列车的位置。

轨道交通的无线电环境监测与传统的定点测量网络信号的方式不同，需要测量人员使用频谱测量仪器搭载列车进行测量。为了达成高效率、低运算量要求，本文使用了两种频域检测算法检测干扰数据。同时，本发明以基于加速度计的惯性导航、通信信号校准以及GPS导航来实现地铁的实时定位。这种组合的定位方式能够兼顾地铁线路覆盖地面与地下的环境，提高定位的精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对轨道交通专用无线网络的信号进行干扰检测并利用信号特征实现列车定位，解决轨道交通的无线网络运维过程中干扰信号难以检测和列车位置难以计算的问题。

为实现上述目的本发明采用了如下技术方案：

一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，具体包括以下步骤：

步骤1：数据收集与预处理阶段；

步骤1.1，利用无线电硬件设备扫描无线信号；

步骤1.2，输入一个新的采样信号时，通过FFT(快速傅里叶变换)将时域信号转换到频域；计算频域信号的功率谱；分析无线信号的物理层指标，具体包括RSRP(接收信号强度)，RSRQ(接收信号质量)，CINR(信号干扰比)；

步骤2：信号特征分析与干扰检测；

步骤2.1：判断输入数据的信噪比，若信号比小于预设的阈值，则判定信号质量较差，进入干扰数据检测步骤2-3，否则判定信号质量高，无干扰存在；

步骤2.2：通过CME连续均值消除即连续均值消除算法进行干扰信号检测；

步骤3：结合无线信号与加速度计传感器、GPS全球定位系统信号，进行实时位置计算；

步骤3.1：使用加速度计获取列车加速度，并进行滤波处理；

步骤3.2：根据无线信号特征对列车位置进行校准；

步骤3.3：使用GPS全球卫星定位系统信号对列车位置进行校准。

优选的，所述步骤1中利用无线电硬件设备扫描无线信号，具体为使用USRP硬件搭建SDR LTE平台并进行下行链路解码，利用解码获得的信息获取某一特定用户的上行发送信号时间，进而捕获上行链路信号，解码得到每个用户发送的上行链路信号，进行分析处理并且计算接收信号强度；在无线电设备扫描时，设定扫描在1785MHz～1805MHz频段。

优选的，所述步骤2中的信号特征分析与干扰检测，具体为参考测量仪器提供的CINR值，判断在一定程度上系统的干扰信号是否存在；当CINR达到一定阈值，则无需进行干扰检测，否则进入干扰信号检测，将信号进行中值滤波处理使信号平滑。

优选的，所述步骤2中的CME连续均值消除算法，具体步骤如下：

(1)输入一个新的采样信号，将信号分为等时间长度的段；通过快速傅里叶变换将每一块的时域信号转换到频域；计算频域信号的功率谱；

(2)利用无干扰条件下的信号生成一个频谱模板；将每一段待分析信号与频谱模板进行比对，通过两者的差异性来判别干扰的存在；每一个功率谱的值与一个阈值进行比较，这个阈值T与无干扰条件下信号功率谱的均值μ_PSD以及方差σ_PSD有关，初始时可设为，T＝μ_PSD+3σ_PSD；

(3)建立一个增量向量用于记录干扰信号的频率与带宽以及强度，当PSD的值超过了这个阈值T，那么对应增量向量的位置记录为1，反之记录为0；

(4)根据增量向量来判断干扰的中心频率以及带宽；

(5)将干扰数据的特征存储进数据库中，便于之后的回放分析。

5、根据权利要求1所述的一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，其特征在于，所述步骤3中进行实时位置计算，具体步骤如下：

(1)对于测得的加速度值进行指数平滑滤波，具体表达式如下：

a_t＝βa_t+(1-β)*a_t-1

其中，a_t表示当前加速度计直接测量得到的加速度值，a_t-1表示上一个时刻计算得到的加速度值，β代表了加权系数；

(2)使用获取到的无线信号对列车位置进行校准；

(3)使用GPS信号对列车位置进行校准。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于采用基于信号特征的干扰检测与列车定位技术，起到了实时高效的干扰检测、高精度的定位作用，从而产生了降低轨道交通无线网络运维难度与成本。

附图说明

图1为本发明方法的系统构成图；

图2为无线电频谱与干扰信号示意图；

图3为干扰信号检测流程图；

图4为干扰检测算法示意图；

图5为定位系统框架；

图6为信号分布示意图；

图7为加速度计测量到的列车加速度值；

图8为根据加速度计算的列车运行速度结果；

图9为干扰检测算法实验结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，基于图1所示系统，具体包括以下步骤：

步骤1：数据收集与预处理阶段；

步骤1.1，利用无线电硬件设备扫描无线信号；

步骤1.2，输入一个新的采样信号时，通过FFT(快速傅里叶变换)将时域信号转换到频域；计算频域信号的功率谱；分析无线信号的物理层指标，具体包括RSRP(接收信号强度)，RSRQ(接收信号质量)，CINR(信号干扰比)；

步骤2：信号特征分析与干扰检测；

步骤2.1：判断输入数据的信噪比，若信号比小于预设的阈值，则判定信号质量较差，进入干扰数据检测步骤2-3，否则判定信号质量高，无干扰存在；

步骤2.2：通过CME连续均值消除即连续均值消除算法进行干扰信号检测；

步骤3：结合无线信号与加速度计传感器、GPS全球定位系统信号，进行实时位置计算；

步骤3.1：使用加速度计获取列车加速度，并进行滤波处理；

步骤3.2：根据无线信号特征对列车位置进行校准；

步骤3.3：使用GPS全球卫星定位系统信号对列车位置进行校准。

本发明使用USRP(通用软件无线电外设)来采集轨道交通网络频段的无线电信号，通过蓝牙将无线电设备的数据传输到安卓平板，并在安卓平台中开发应用，进行无线电数据干扰检测与实时定位。

使用无线电平台扫描无线信号：

本发明搭建了SDR LTE平台，所使用的硬件是USRP。USRP是一款可以让计算机像无线电设备一样接收和发送信号的外设，其能实现无线电通讯系统的数字基带和中频的功能。在LTE系统中，用户要发送数据需要经过基站的预先控制信息，基站的控制信息会指定用户发送数据的时隙位置以及频率位置。因此，为了获取LTE的上行信号，需要先对LTE的下行链路进行解码。LTE协议中，基站对与用户的资源分配的控制信息是在控制信道发送的，这个控制信道信息并未加密，因而观测者可以利用无线电设备分析基站的控制信息，进而根据解析得到的控制信息来捕获用户的上行信号。无线电频谱与干扰信号示意图如图2所示。首先使用USRP进行下行链路解码，可以获得C-RNTI(用户物理层临时标识)和DCI(下行控制信息)以及SFN(子帧号)，利用这些信息可以获取某一特定用户的上行发送信号时间，进而捕获上行链路信号，解码得到每个用户发送的上行链路信号，然后对信号进行分析处理并且计算接收信号强度。

轨道交通的通信网络使用特定的频段(1785MHz～1805MHz)。在无线电设备扫描时，设定扫描在这一频段即可。

本系统的干扰检测是从干扰发生干扰时是通过无线信号强度迭代计算出一个阈值，进而判断频带是否受到了干扰。这样的频域检测方法能够有效的检测到上述的单音干扰，多音干扰，宽带干扰(仿真结果表明，对干扰带宽小于总带宽百分之五十的干扰有较好的检测效果)。

首先参考测量仪器提供的CINR值，判断在一定程度上系统的干扰信号是否存在。当CINR达到一定阈值，则无需进行干扰检测，否则进入干扰信号检测，运行流程如图3所示。

干扰检测采用的是一种能量检测方法，信号的能量检测含义是从信号功率值大小来判断干扰信号是否存在，从时域或频域进行数据分析，其中频域能量将信号通过快速傅里叶变换(FFT)之后计算信号功率进而实现能量检测，主要流程如图3所示。相较于时域的能量检测，频域检测能在检测到干扰信号时提供信号的频率点位置，应用起来更加方便。

首先将信号进行中值滤波处理，中值滤波使信号平滑，对于一些信号的抖动体现出较好的噪声回避效果。针对于干扰信号与噪声信号，二者都是未知的元素，并且都给信号带来幅度抖动。而不同的是，为零均值高斯分布表示信号中的噪声，那么噪声信号出现一些极度异常值出现概率极低，即噪声带来的大幅度抖动持续是将将会很短，可以通过均值化将噪声的影响效果消去。而干扰信号由一些异常因素导致，例如互调干扰，这种异常一般出现的持续时间会更长，段序列的均值处理不会把它消除，因而均值处理不会导致干扰漏检测。

CME算法在频域进行干扰信号的检测,在检测之前，系统需要存储该频段信号在无干扰状态下的特征，这将帮助识别干扰信号。干扰信号的出现将会导致接收信号的功率谱改变，检测这些改变就能够识别到干扰信号的存在。通过CME算法进行干扰检测时流程如图4所示。包括：

(1)输入一个新的采样信号，将信号分为等时间长度的段；通过FFT(快速傅里叶变换)将每一块的时域信号转换到频域；计算频域信号的功率谱；

(2)利用无干扰条件下的信号生成一个频谱模板；将每一段待分析信号与频谱模板进行比对，通过两者的差异性来判别干扰的存在。每一个功率谱的值与一个阈值进行比较，这个阈值T与无干扰条件下信号功率谱的均值μ_PSD以及方差σ_PSD有关，初始时可设为，T＝μ_PSD+3σ_PSD。

(3)建立一个增量向量用于记录干扰信号的频率与带宽(以及强度)，当PSD的值超过了这个阈值T，那么对应增量向量的位置记录为1，反之记录为0

(4)根据增量向量来判断干扰的中心频率以及带宽

(5)将干扰数据的特征存储进数据库中，便于之后的回放分析。

利用信号特征进行实时位置计算：

定位系统的框架如图5所示。在城市轨道列车的行驶过程中，会跨越地表与地下，城轨有弯曲，导致我们无法通过单一的方式实现高精度的定位，因此，本方法融合列车加速度、无线信号的分布特征以及GPS信号，来实现定位。

(1)列车加速度值的计算与滤波。加速度计可以获得列车当前的加速度，但是由于加速度计自身存在一定的偏差，为了可以尽可能减少加速度计自身的误差导致较大的速度计算误差。为此，本文中对于测得的加速度值进行了指数平滑滤波，具体的表达式如下：

a_t＝βa_t+(1-β)*a_t-1

其中a_t表示当前加速度计直接测量得到的加速度值，a_t-1表示上一个时刻计算得到的加速度值，β代表了加权系数。经过指数平滑滤波之后的加速度值比原始的值更加平滑，并且误差更小。

(2)使用获取到的无线信号对列车位置进行校准。地铁通信系统中为了保证地铁与控制中心通信的信号质量，采用泄露同轴电缆的方式进行天线的部署，这种电缆兼顾信号传输和天线的作用。通过泄露同轴电缆的方式，地铁上的通信设备可以接收到更加稳定的电平信号。虽然泄露电缆的方式可以让信号更加平稳，但是在距离合路器较远的地方，整体信号质量依然比距离合路器较近的地方弱。一个合路器左右两边泄露同轴电缆的信号质量分布示意如图6所示。

在距离合路器很近的地方，信号的接收质量更好，当接收机持续一段时间接收到的信号质量都大于一个阈值，就可以确定当前列车位置合路器附近。这样就可以通过通信信号的质量来判断列车所处的位置，通过该位置可以对列车的位置进行校准。

(3)使用GPS信号对列车位置进行校准。当GPS信号较好的时候直接使用GPS计算得到的位置作为列车的当前位置，并且反馈给加速度计。由于GPS信号存在一定的误差，从而导致GPS所得到的位置并不在列车运行的地铁线路上，为了降低误差，将GPS计算得到的位置拟合到具体的运行线路上。为了保证定位的精确度，我们将地图上的点以5m的粒度进行采样，从而得到一批可以拟合地铁线路的点。之后根据GPS确定的位置在地图上的所有采样点中查找一个距离最近的点作为真实的列车位置。由于地图的采样点数量巨大，为了降低计算的复杂度，根据加速度计的经验误差选择出当前加速度计计算得到的列车位置所对应采样点的前N个和后N个采样点，并且在这2N个点中查找距离最近的采样点，从而大大降低了查找空间。

实施例1

实验过程中，在真实的地铁线路上以0.1s的时间间隔采集了一整躺地铁运行过程中加速度计测量得到的加速度，如图7所示。从图中可以明显看出，列车在开始运行的时候会产生一个很大的正向加速度，在即将停止的时候会产生一个很大的反向加速度，其余时间列车基本保持平稳运行，加速度计测量得到的加速度值很小。但是测量过程中发现列车在平稳运行的过程中也并非一直保持着匀速行驶，在进入隧道或者转弯的时候有明显的减速，但是相对于即将到站，测量得到的加速度值较小。之后根据加速度计算列车的运行速度，如图8所示。由于列车平稳行驶过程中，加速度计测量得到的加速度并不总为0，因此对速度计算产生了影响。为了尽可能消除这些误差，考虑到地铁列车行驶过程中列车的速度有上限以及下限，因此在速度计算过程中对加速度计的计算结果进行了限制。这个实验结果说明了通过通信信号质量对列车位置进行校准的可行性。

为了验证干扰检测算法的性能，在实际通信网络测验地点，使用无线端射频仪器USRP(通用无线电外设)发射干扰数据，然后使用本算法进行实时干扰检测。在干扰检测中，有两个性能指标：干扰信号检测率(能将存在干扰的频点位置检测出来的比例)；虚警率(错误的将无干扰信号的频点位置检测为存在干扰信号的比例)。图9展示了100次实验的结果，可见，干扰信号检测率高于95％以上，虚警率低于3％。这反应出本方法具有良好的干扰检测性能，能够满足轨道交通网络日常运营的需求。

Claims (5)

1.一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：数据收集与预处理阶段；

步骤1-1，利用无线电硬件设备扫描无线信号；

步骤1-2，输入一个新的采样信号时，通过FFT，即快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域；计算频域信号的功率谱；分析无线信号的物理层指标，具体包括RSRP，即接收信号强度；RSRQ，即接收信号质量；CINR，信号干扰比；

步骤2：信号特征分析与干扰检测；

步骤2-1：判断输入数据的信噪比，若信号比小于预设的阈值，则判定信号质量较差，进入干扰数据检测步骤2-3，否则判定信号质量高，无干扰存在；

步骤2-2：通过CME连续均值消除算法进行干扰信号检测；

步骤3：结合无线信号与加速度计传感器、GPS全球卫星定位系统信号，进行实时位置计算；

步骤3-1：使用加速度计获取列车加速度，并进行滤波处理；

步骤3-2：根据无线信号特征对列车位置进行校准；

步骤3-3：使用GPS信号对列车位置进行校准。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，其特征在于，所述步骤1中利用无线电硬件设备扫描无线信号，具体为使用USRP硬件搭建SDR LTE平台并进行下行链路解码，利用解码获得的信息获取某一特定用户的上行发送信号时间，进而捕获上行链路信号，解码得到每个用户发送的上行链路信号，进行分析处理并且计算接收信号强度；在无线电设备扫描时，设定扫描在1785MHz～1805MHz频段。

3.根据权利要求1所述的一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，其特征在于，所述步骤2中的信号特征分析与干扰检测，具体为参考测量仪器提供的CINR值，判断在一定程度上系统的干扰信号是否存在；当CINR达到一定阈值，则无需进行干扰检测，否则进入干扰信号检测，将信号进行中值滤波处理使信号平滑。

4.根据权利要求1所述的一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，其特征在于，所述步骤2中的CME连续均值消除算法，具体步骤如下：

(1)输入一个新的采样信号，将信号分为等时间长度的段；通过快速傅里叶变换将每一块的时域信号转换到频域；计算频域信号的功率谱；

(2)利用无干扰条件下的信号生成一个频谱模板；将每一段待分析信号与频谱模板进行比对，通过两者的差异性来判别干扰的存在；每一个功率谱的值与一个阈值进行比较，这个阈值T与无干扰条件下信号功率谱的均值μ_PSD以及方差σ_PSD有关，初始时可设为，T＝μ_PSD+3σ_PSD；

(3)建立一个增量向量用于记录干扰信号的频率与带宽以及强度，当PSD的值超过了这个阈值T，那么对应增量向量的位置记录为1，反之记录为0；

(4)根据增量向量来判断干扰的中心频率以及带宽；

(5)将干扰数据的特征存储进数据库中，便于之后的回放分析。

5.根据权利要求1所述的一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法，其特征在于，所述步骤3中进行实时位置计算，具体步骤如下：

(1)对于测得的加速度值进行指数平滑滤波，具体表达式如下：

a_t＝βa_t+(1-β)*a_t-1

其中，a_t表示当前加速度计直接测量得到的加速度值，a_t-1表示上一个时刻计算得到的加速度值，β代表了加权系数；

(2)使用获取到的无线信号对列车位置进行校准；

(3)使用GPS信号对列车位置进行校准。

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