JP6975492B2

JP6975492B2 - 高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視装置及びその方法

Info

Publication number: JP6975492B2
Application number: JP2020542246A
Authority: JP
Inventors: 喜華 ▲ヅォゥ▼; 文林白; 氷 ▲盧▼; ▲ウェイ▼ 潘
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: CN108490271B; CN108490271A; WO2019165618A1; JP2021513064A

Description

本発明は、電磁干渉検出、マイクロ波フォトニクス、高速鉄道（または高速鉄道と略称される）の技術分野、特に高速鉄道沿線の電磁干渉のリアルタイム検出装置及び方法に関する。

現在、高速鉄道は、世界（特に中国）でこれまでにない発展を遂げており、２０１７年末まで、中国で運営している高速鉄道の走行距離は２５，０００ｋｍに達している。走行速度３００ｋｍ／ｈ以上の高速列車の制御、スケジューリング、通信が無線通信を通じて行われるので、信頼性の高い列車・地上無線通信が高速鉄道の安全な運行にとって欠かせないものである。高速鉄道用の列車・地上無線通信には、主に、中国及びヨーロッパでは現在広く使用されているＧＳＭ−Ｒシステム（ｇｌｏｂａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ−ｒａｉｌｗａｙ、鉄道デジタル移動通信システム、割り当てられた周波数範囲はアップリンク８８５〜８８９ＭＨｚ及びダウンリンク９３０〜９３４ＭＨｚである）、及び高速鉄道への適用が期待される開発中のＬＴＥ−Ｒシステム（ｌｏｎｇｔｅｒｍｅｖｏｌｕｔｉｏｎ−ｒａｉｌｗａｙ）やミリ波システムなどがある。

高速鉄道用の列車・地上無線通信では、アップリンク／ダウンリンク周波数帯域（たとえば、ＧＳＭ−Ｒシステムの８８０〜９４０ＭＨｚ）において、チャネル帯域内、隣接周波数、及び無認可の電磁干渉が発生する。電磁干渉及び電磁攻撃が発生した場合、高速鉄道の列車・地上無線通信（たとえば、ＧＳＭ−Ｒ、ＬＴＥ−Ｒシステム）が干渉又は破壊される恐れがある。列車制御システムが干渉を受けると、高速で走行している列車は減速又は停車させられ、遅延や渋滞、さらにひどい事故を引き起こす。したがって、高速鉄道沿線の電磁干渉の監視は、運行の安全性や作業効率の向上にとって非常に重要である。従来、高速鉄道の「ウィンドウ期間」において周波数をモバイル式でクリアリングするという干渉監視方法は、複雑で、リアルタイム性が欠けているので、作業効率を大幅に低下させ、リアルタイムで監視・処理することができない。

本発明は、システムが集積しやすく、コストが低く、電磁干渉耐性に優れる高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以下のように実現される。高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視装置であって、順にカスケードされるフォトニックＲＦ収集フロントエンドと、波長分割マルチプレクサと、光ファイバーリンクと、波長分割マルチプレクサと、光スイッチと、集中処理モジュールとを備え、フォトニックＲＦ収集フロントエンドは、順にカスケードされるアンテナ、低ノイズ増幅器、及び直接変調レーザーにより構成され、集中処理モジュールは、光電検出器、電気信号スペクトルアナライザー、及び高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュールにより構成され、後の両者が、それぞれ同時に光電検出器の出力信号に対して周波数領域及び時間領域の分析処理を行う。

本発明は、高速鉄道沿線の電磁信号を分散して収集し、中央局で集中して処理し、且つフォトニクスで電磁干渉監視システムを補助し、コストが低く、抗干渉能力が高く、高速鉄道沿線の電磁干渉をリアルタイムかつ効果的に監視できるように、システムが集積しやすく、コストが低く、電磁干渉耐性に優れる高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法を提供することを他の目的とする。

本発明の他の目的は、以下のように実現される。高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法であって、高速鉄道沿線の所定の位置に監視ポイントを配置して分散型収集ネットワークを構成し、それぞれの監視ポイントにフォトニックＲＦ収集フロントエンドを設置するステップと、アンテナによって電磁信号を収集し、低ノイズ増幅器で増幅させた後、直接変調レーザーに入力し、異なる波長（たとえば、λ_１、…、λｎ、ｎは、正の整数であり、波長のトータルを示す）の光キャリアに変調するステップと、その後、異なる監視ポイントで変調した後の光信号を波長分割マルチプレクサで多重化した後、光ファイバーリンクを介して中央局に遠距離転送し、光ファイバーリンクに入力して中央局に遠距離転送するステップと、次に、中央局で、受信された光信号を波長分割マルチプレクサによって異なるチャネルに分割し、すべてのチャネルを光スイッチに接続して時分割多重化し、異なるチャネルを異なる期間に分割して、１つのチャネルに多重化し、集中処理モジュールに入力するステップと、光電検出器によって、チャネル内の光信号のうなり周波数から、収集した電磁信号を回復し、スペクトルアナライザーとＧＳＭ−Ｒ復調モジュールによって、回復した電磁信号に対して時間領域及び周波数領域の情報を分析し、高速鉄道沿線の列車・地上無線通信（たとえば、ＧＳＭ−Ｒ、ＬＴＥ−Ｒシステム）が直面する干渉電磁干渉状況をリアルタイムに監視し、干渉のタイプを識別するステップとを含む。

本発明は、従来技術に比べて、以下の特徴と利点を有する。
１）分散型収集、集中型処理を用い、高速鉄道沿線の所定の位置に監視ポイントを配置することによって、電磁干渉をリアルタイムに監視できる。
２）フォトニックＲＦ収集フロントエンドは、電磁干渉を低ノイズで増幅させて直接変調光源に入力し、光ファイバーリンクを介して中央局にリモートで転送して処理するため、光ファイバー転送リンクの損失が小さく、且つシステム全体が集積しやすく、コストが低い。
３）リモート中央局は、光スイッチモードで時分割多重化を実現し、集中処理モジュールだけによって、多点でリアルタイムに監視し、コストを削減することができる。また、時間領域、周波数領域の同時検出を用いることで、同一周波数や隣接周波数などの電磁干渉を識別しやすい。

高速鉄道沿線の電磁干渉検出は、リアルタイム及びオンラインモードを提供する必要があり、従って、フロントエンド収集・集中処理の方式を用いるべきである。本発明は、高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法を開示し、分散型収集・集中型処理の方式を活用し、高速鉄道の列車・地上無線通信（例えばＧＳＭ−Ｒ、ＬＴＥ−Ｒシステム）が直面する電磁干渉をリアルタイムに監視し、且つシステム全体は、コストが低く、集積しやすい。

本発明の方法のシステムブロック図である（図１において、波長分割マルチプレクサ２０及び波長分割マルチプレクサ４０は、同じ型番の部材であるが、インターフェース順序が同じではない）。フォトニックＲＦ収集フロントエンドである。集中処理モジュールである。異なる波長チャネルに対して光スイッチによって時分割多重化（ＴＤＭ）復調を実施する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施について更に説明する。

図１に示すように、本発明の検出装置は、フォトニックＲＦ収集フロントエンド１０と、波長分割マルチプレクサ２０と、光ファイバーリンク３０と、波長分割マルチプレクサ４０と、光スイッチ５０と、集中処理モジュール６０とを備える。フォトニックＲＦ収集フロントエンド（図２参照）１０は、アンテナ１０１と、低ノイズ増幅器１０２と、直接変調レーザー１０３とを備える。集中処理モジュール（図３参照）は、光電検出器６０１と、電気信号スペクトルアナライザー６０２と、高速鉄道の列車・地上無線通信（ＧＳＭ−Ｒ、ＬＴＥ−Ｒシステム）信号復調モジュール６０３とを備える。

請求項１に記載の高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法であって、高速鉄道沿線に監視ポイントを分散して配置し、フォトニックＲＦ収集フロントエンドを設置するステップと、アンテナによって電磁信号を収集し、低ノイズ増幅器で増幅させた後、直接変調レーザーに入力するステップと、次に、収集した電磁信号を異なる波長の光キャリアに変調するステップと、その後、異なる監視ポイントで変調した後の光信号を波長分割マルチプレクサで多重化した後、光ファイバーリンクを介して中央局に遠距離転送するステップと、次に、波長分割マルチプレクサによって光信号を異なる波長に応じて異なるチャネルに分割し、光スイッチによって時分割多重化し、異なるチャネルを異なる期間に分割して、集中処理モジュールに入力するステップと、光電検出器を用いて、各期間の光信号を変換して電磁信号に回復し、電気信号スペクトルアナライザーと高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュールによって、回復した電磁信号に対して時間領域及び周波数領域の分析を集中して分析し、高速鉄道沿線の電磁干渉をリアルタイムで監視し、干渉のタイプを識別するステップと、を含む。分散型収集と集中型処理の組み合わせ、電磁干渉が各監視ポイントにおいてリモートで収集された後、光ファイバーリンクを介して中央局まで遠距離転送されて、集中して処理される。高速鉄道沿線に分散して配置された監視ポイントが複数あり、複数の監視ポイントに設置されたフォトニックＲＦ収集フロントエンドは、異なる波長を使用し、波長分割マルチプレクサによって接続及び多重化を行うことによって、分散型マルチポイント監視がリアルタイムに行われる。光スイッチモードは時分割多重化に用いられ、集中処理モジュールは、複数の監視ポイントで収集した電磁情報を集中して分析することに使用される。高速鉄道の列車・地上無線通信システムには、ＧＳＭ−ＲシステムとＬＴＥ−Ｒシステムが含まれる。

まず、高速鉄道の所定の位置に監視ポイントを配置し、フォトニックＲＦ収集フロントエンド１０を設置し、アンテナ１０１によって電磁信号を収集し、低ノイズ増幅器１０２によって増幅させた後、直接変調レーザー１０３に入力し、さまざまな波長（たとえば、λ_１、．．．、λ_ｎ）に変調する。次に、波長分割マルチプレクサ２０を使用して、異なる監視ポイントでの光キャリアを接続して多重化し、複数の監視ポイントでの電磁信号を分散して収集し、多重化した光信号を光ファイバーリンク３０に入力して、中央局まで遠距離転送する。

中央局では、受信した光信号は波長分割マルチプレクサ４０によって異なるチャネルに分割され、図４に示すように、すべてのチャネルは光スイッチ５０に接続されて時分割多重化し、異なるチャネルは異なる期間に分割され、１つのチャネルに多重化する。次に、集中処理モジュール６０は、高速鉄道沿線における複数の監視ポイントを集中して処理する。集中処理モジュール６０では、光電検出器６０１によって、チャネル内の光信号のうなり周波数から、収集した電磁信号を回復する。次に、電気信号スペクトルアナライザー６０２と高速鉄道の列車・地上無線通信（たとえば、ＧＳＭ−Ｒ、ＬＴＥ−Ｒシステム）復調モジュール６０３によって、回復した電磁信号に対して時間領域及び周波数領域の情報を分析する。ＧＳＭ−Ｒ、ＬＴＥ−Ｒシステムの例では、無線信号のスペクトル情報及びパワーピークは周波数領域で取得でき、各ピークはセルグローバル識別子（ＣＧＩ）で識別可能である。ＧＳＭシステムの場合、ＣＧＩは、モバイル国コード（ＭＣＣ）、モバイルネットワークコード（ＭＮＣ）、ロケーションエリアコード（ＬＡＣ）、及びセル識別コード（ＣＩ）からなり、ＬＴＥ−Ｒシステムの場合、ＣＧＩは、モバイル国コード（ＭＣＣ）、モバイルネットワークコード（ＭＮＣ）、ｅＮｏｄｅＢ識別コード（ＥＮＯＤＥＢ＿ＩＤ）及びセル識別コード（ＣＩ）からなる。高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュール６０３は、各正当な周波数帯域の情報を識別することができる。正当なＣＧＩコードを識別されることのできない周波数帯域は、疑わしい隣接周波数又は帯域外干渉としてマークされる。また、高速鉄道の列車・地上無線通信への電磁干渉も時間領域で監視することもできる。具体的には、電気信号スペクトルアナライザー６０２と高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュール６０３を組み合わせると、ＧＳＭ−ＲシステムとＬＴＥ−Ｒシステムにおける信号のコンスタレーションダイアグラムとアイダイアグラムを取得することができ、周波数帯域のノイズと電磁干渉は、アイダイアグラム、コンスタレーションダイアグラムの品質に応じて効果的に監視できる。ＬＴＥ−Ｒシステムの電磁干渉の監視プロセス及びステップは、信号の周波数帯域と変調標準が異なる以外、ＧＳＭ−Ｒシステムとまったく同じである。

直接変調光源ベースのフォトニックＲＦ収集フロントエンドを高速鉄道沿線に複数の監視ポイントとして設け、電磁信号を収集して増幅させた後、異なる波長の光キャリアに変調し、波長分割マルチプレクサモードと組み合わせて光ファイバーリンクを介して中央局に送信し、波長分割を波長分割マルチプレクサによって異なるチャネルに多重化させ、光スイッチによって時分割多重化し、各チャネルを異なるタイムスロットで集中処理モジュールに入力して、時間領域及び周波数領域の分析及び情報抽出を行い、それによって、高速鉄道沿線の電磁干渉の監視と分類を実現する。

以上述べたのは、本発明の好適な実施形態に過ぎず、なお、本発明の方法及びコア装置の実質から逸脱することなく、実際の実施では、いくつかの変更や修飾も、本発明の特許請求の範囲に含まれる。

Claims

順にカスケードされるフォトニックＲＦ収集フロントエンド（１０）と、波長分割マルチプレクサ（２０）と、光ファイバーリンク（３０）と、波長分割マルチプレクサ（４０）と、光スイッチ（５０）と、集中処理モジュール（６０）とを備え、フォトニックＲＦ収集フロントエンドは、順にカスケードされるアンテナ（１０１）、低ノイズ増幅器（１０２）、及び直接変調レーザー（１０３）により構成され、集中処理モジュールは、光電検出器（６０１）、電気信号スペクトルアナライザー（６０２）、及び高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュール（６０３）により構成され、電気信号スペクトルアナライザー（６０２）と高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュール（６０３）が、それぞれ光電検出器（６０１）の出力信号に対して周波数領域及び時間領域の分析処理を行う、ことを特徴とする高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視装置。
高速鉄道沿線に監視ポイントを分散して配置し、フォトニックＲＦ収集フロントエンドを設置するステップと、アンテナによって電磁信号を収集し、低ノイズ増幅器で増幅させた後、直接変調レーザーに入力するステップと、次に、収集した電磁信号を異なる波長の光キャリアに変調するステップと、その後、異なる監視ポイントで変調した後の光信号を波長分割マルチプレクサで多重化した後、光ファイバーリンクを介して中央局に遠距離転送するステップと、次に、波長分割マルチプレクサによって光信号を異なる波長に応じて異なるチャネルに分割し、光スイッチによって時分割多重化し、異なるチャネルを異なる期間に分割して、集中処理モジュールに入力するステップと、光電検出器を用いて、各期間の光信号を変換して電磁信号に回復し、電気信号スペクトルアナライザーと高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュールによって、回復した電磁信号に対して時間領域及び周波数領域の分析を集中して分析し、高速鉄道沿線の電磁干渉をリアルタイムで監視し、干渉のタイプを識別するステップと、を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の装置の高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法。
分散型収集と集中型処理の組み合わせ、磁干渉が各監視ポイントにおいてリモートで収集された後、光ファイバーリンクを介して中央局まで遠距離転送されて、集中して処理される、ことを特徴とする請求項２に記載の高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法。
高速鉄道沿線に分散して配置された監視ポイントが複数あり、複数の監視ポイントに設置されたフォトニックＲＦ収集フロントエンドは、異なる波長を使用し、波長分割マルチプレクサによって接続及び多重化を行うことによって、分散型マルチポイント監視がリアルタイムに行われる、ことを特徴とする請求項２に記載の高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法。
光スイッチモードは時分割多重化に用いられ、集中処理モジュールは、複数の監視ポイントで収集した電磁情報を集中して分析することに使用される、ことを特徴とする請求項２に記載の高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法。
前記高速鉄道の列車・地上無線通信は、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ−レールウェイ（ｇｌｏｂａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ−ｒａｉｌｗａｙ）システム及びロング・ターム・エボリューション−レールウェイ（ｌｏｎｇｔｅｒｍｅｖｏｌｕｔｉｏｎ−ｒａｉｌｗａｙ）システムを含む、ことを特徴とする請求項２に記載の高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法。
前記高速鉄道の列車・地上無線通信システムでは、スペクトルアナライザー（６０２）及び高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュール（６０３）は、光電検出器（６０１）で回復した該電磁信号に対して、周波数領域で該電磁信号のスペクトル情報及び電力ピークを取得し、各ピークがセルグローバル識別子で識別され、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ−レールウェイ（ｇｌｏｂａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ−ｒａｉｌｗａｙ）システムの場合は、セルグローバル識別子は、モバイル国コード、モバイルネットワークコード、ロケーションエリアコード、及びセル識別コードからなり、ロング・ターム・エボリューション−レールウェイ（ｌｏｎｇｔｅｒｍｅｖｏｌｕｔｉｏｎ−ｒａｉｌｗａｙ）システムの場合は、セルグローバル識別子は、モバイル国コード、モバイルネットワークコード、ｅＮｏｄｅＢ識別コード、及びセル識別コードからなり、高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュール（６０３）は、各正当な周波数帯域情報を識別することができ、正当なセルグローバル識別子を識別されることのできない周波数帯域は、疑わしい隣接周波数又は帯域外干渉としてマークされ、また、高速鉄道の列車・地上無線通信への電磁干渉も時間領域で監視することもでき、電気信号スペクトルアナライザー（６０２）と高速鉄道の列車・地上無線通信信号復調モジュール（６０３）を組み合わせると、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ−レールウェイ（ｇｌｏｂａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ−ｒａｉｌｗａｙ）システムとロング・ターム・エボリューション−レールウェイ（ｌｏｎｇｔｅｒｍｅｖｏｌｕｔｉｏｎ−ｒａｉｌｗａｙ）システムにおける信号のコンスタレーションダイアグラムとアイダイアグラムを取得することができ、周波数帯域のノイズと電磁干渉はアイダイアグラム、コンスタレーションダイアグラムの品質に応じて効果的に監視できる、ことを特徴とする請求項２に記載の高速鉄道沿線の電磁干渉の分散型リアルタイム監視方法。