基于無線通信的地鐵車地通信中的干擾分析

天津地鐵建設發展有限公司 韓正洲

車地無線通信是CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列車運行控制)系統的重要組成部分，系統的核心是DCS(數據傳輸系統) 如圖1所示，DCS主要包括：骨干網地面AP(Access Point無線接入點)、車載無線設備WGB(Work Group Bridge 工作組網橋)[1]。其地面有線網絡采用工業以太網技術，車地無線網絡采用IEEE802.11標準的無線局域網技術實現數據的傳輸。因為該標準工作在開放的ISM(Industrial Scientific Medical，工業、科學、醫療)頻段，車地通信過程或多或少的會受到外界無線通信的干擾，因此分析并優化CBTC系統中的無線干擾問題，對于保證整個系統的穩定運行以及地鐵的安全運行都具有很高的研究意義。

圖1 數據通信子系統(DCS)

1.基于無線通信的CBTC系統中無線干擾源分析

WLAN技術在地鐵項目中己得到普遍應用，如CBTC與PIS等。其最通用的標準是IEEE802.11系列標準，其中包括IEEE802.11a和IEEE802.11b以及IEEE802.11g等。IEEE802.11a工作在5.8GHz頻段，其速率高達54Mbps，分頻采用OFDM(正交頻分復用)技術，但最高速率的無障礙接入距離則為30-50m；IEEE802.11b通常也被稱為Wi-Fi(Wireless-Fidelity)，工作在2.4GHz頻段，可支持最高11Mbps的共享接入速率；802.11g也采用OFDM技術，與802.11a一樣可支持最高54Mbps的速率，它工作在2.4GHz頻段[2]。2.4GHz和5.8GHz是開放的頻段，只要其AP的發射功率及帶外輻射滿足無線電管理機構的要求，則無需提出專門的申請就可使用。

目前CBTC系統中廣泛使用的正是基于IEEE802.11g標準的WLAN，頻率范圍為ISM頻段2412MHZ到2484MHz，共劃分了14個信道，國內僅使用1-11信道，每個信道的帶寬為22MHz，相鄰兩個信道的中心頻率間隔為5MHz[3]，如圖2所示。因此，不同系統之間爭搶免費信道，導致頻率資源急缺，增加了無線信號的傳播的不確定因素，各個系統之間難免出現相互干擾的情況。CBTC 中車地無線通信系統部分就工作在此頻段，與其它工作在相同頻段的 WLAN 用戶都存在頻率重疊，這樣勢必將產生相互的干擾。

圖2 802.11無線信道的劃分

1.1 CBTC系統中的同頻干擾分析

同頻干擾是指有用無線電波信號與外界無線電波信號采用同一頻率，外界電波會影響接收機對有用信號的接收，從而產生的干擾。IEEE802.11系列標準的MAC層引入了載波偵聽多路接入/碰撞避免(Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)機制來解決這一問題。由CSMA/CA的特性可以知道，當多個站點同時占用相同信道工作時，信道上一次只能發送一個數據幀，這時各個站點在發送數據幀前就需要經歷幀間隔時間和后退時間，有可能是經過多次的后退才能發送，這就會導致數據幀的發送具有一定的延時，另外，幀傳送前雖然延遲隨機時間但還是可能發生碰撞，而當沖撞發生又偵測不出來時，此時傳送的幀就會漏失掉，導致丟包[4]。比如地鐵中使用的PIS系統(旅客信息系統)，它是向乘客提供信息服務的系統，該系統車地通信采用無線方式，無線頻段采用IEEE802.11標準中的2.4GHz或者5.8GHz，當PIS和CBTC系統占用相同信道時，會導致數據包的碰撞，CBTC工作站發送數據幀也會產生延時和丟包，影響了吞吐量。這就是PIS對CBTC系統造成同頻干擾的一個重要原因。

1.2 CBTC系統中的鄰道干擾分析

鄰道干擾簡言之就是相鄰信道功率落入接收機信道頻率范圍內造成的干擾，在這種情況下，802.11系統的RF子系統(射頻系統)與數字濾波器的設計可能對AP或基站的性能造成極大影響。如當CBTC系統的WLAN和PIS系統的WLAN使用相鄰信道，或信道中心頻率間隔小于5MHz的時候會有一部分信道重疊，所以信號之間會產生影響，這個就是鄰道干擾對CBTC無線通信系統的影響[5]。信道越接近，重疊的部分越大，影響越嚴重；反之，信道越遠，重疊的部分越少，影響越小。

2.CBTC系統中無線干擾的處理辦法

針對上述理論分析的結果結合實際應用中主要的幾種干擾來源提出了以下解決方案：

(1)加強對非行車用通信系統的建設管理

由于采用無線局域網技術的CBTC車地通信過程會受到其他采用相同頻段無線電波的干擾。并且如果干擾源位于列車運行的切換處時，將對CBTC車地通信過程的影響遠遠增大。所以要加強對非行車用通信系統管理，主要是指移動、聯通等手機運營商，應對其整個網絡設備的布局進行合理規劃，特別對在地鐵隧道空間內的安置的可能出現車地漫游切換點附近設備，并應禁止架設其他任何類型的通信的發射和接收設備。

(2)合理選擇無線頻段

由于CBTC無線通信系統采用了IEEE802.11g系統標準中開放的2.4GHz頻段，造成了或多或少的受到來自系統外的干擾，如若CBTC系統選用5.8GHz的頻段的傳輸數據速率不僅較2.4GHz的頻段快，而且可用的資源較多，僅僅是需要向國家無線電管理委員會申請有償使用。考慮到CBTC中車地無線通信系統，傳輸數據少，占用無線帶寬資源較少，但安全等級高，有理由投資部分成本使其應用5.8GHz頻段，這樣可以最大程度地解決干擾問題，保證地鐵的行車安全。如若因為某些特定原因CBTC車地無線通信系統必須使用IEEE802.11g系統標準中開放的2.4GHz頻段，可以建議其它使用同頻段的地鐵通信系統如PIS系統改為使用5.8GHz的頻段。

(3)提高有用信號發射頻率或降低干擾信號發射頻率

在干擾源與CBTC車地無線通信系統所采用信道間隔相同，即信道重疊部分相同的條件下，CBTC車地無線通信系統受干擾的影響取決于信號發射功率。當有用信號發射功率提高時，干擾的影響逐漸減小；反之，當干擾發射功率提高時，干擾的影響逐漸增大，所以首先應在確保地鐵乘客手機通話質量的前提下，降低各手機運營商信源的發射功率。以及在保證地鐵運行安全的前提下降低其它相同頻段通信系統的發射功率，來盡可能的減少干擾的影響。或者CBTC車地無線通信系統應該在2.4GHz頻段允許的范圍內，提高AP天線的發射功率。地鐵中的PIS系統也采用2.4GHz，并且不間斷地向旅客提供列車到達預告、換乘車次等與乘車有關的信息，對CBTC車地無線通信系統來說，PIS屬于車載干擾。車載干擾的影響是比較嚴重的，提高CBTC車地無線通信系統信號設備的發射功率可以有效地克服這一問題。另外，采用AP定向天線、降低接收機靈敏度等方法，都可達到增強有用信號、減弱干擾信號的效果，從而提高了信噪比，最終實現抗干擾的目的。

(4)其它建議

在優化頻段和提高發射功率的基礎上還可以通過AP的冗余部署來防止系統的性能下降，提高傳輸的信噪比。任何軌旁AP故障都可能導致系統性能下降。為避免AP故障引發系統性能降級，軌旁AP的部署間距可以考慮設計小于AP的覆蓋半徑，這樣即使單個AP(X)出現故障，相鄰2個AP(X-1)和AP(X+1)的信號依然能覆蓋到AP(X)的空缺范圍，保障無線信號連續不中斷。

3.總結

車地無線通信傳輸的抗干擾措施還很多，以上只是對其中的一些主要方面進行了闡述，具體在各個城市的軌道交通建設中，各個系統由于構成不同所采用的方法可能都不盡相同但作為抗干擾技術發展的一個方向，此項研究會一直繼續下去，并且在不斷地提出新的抗干擾措施。未來除了集中在頻率的規劃干擾的主動避讓以及軟件更新上，將大力研究發展在硬件上的器件抗干擾技術。總之安全問題永遠是無線網絡不可忽視的技術難點，也是地鐵安全所要考慮的重大問題之一。

[1]郜春海.基于通信的軌道交通列車運行控制系統[J].現代城市軌道交通,2007:8-10.

[2]黃柏寧,戎蒙恬,劉濤.CBTC無線信道規劃中信道間干擾因子的研究[J].計算機工程與應用,2009,25(45):228-230.

[3]魏克軍,趙洋,侯自強.基于IEEE802.11協議的WLAN無線資源管理淺析[J].電信科學,2006(8).

[4]步兵.CBTC系統中無線通信的可用性分析[D].北京:北京交通大學,2001.

[5]孫慧,李宇東,顧晏齊.基于無線通信的列車控制系統與乘客信息系統的無線網絡建設方案探討[J].城市軌道交通研究,2010(8):113.