地鐵WLAN應(yīng)用抗干擾分析

喻瀟

【摘要】 地鐵信號(hào)系統(tǒng)和PIDS系統(tǒng)車-地通信方式普遍采用WLAN技術(shù)，但是信號(hào)傳播的開放性使WLAN系統(tǒng)容易受到來自周圍環(huán)境的各種干擾。本文分析WLAN無線傳輸網(wǎng)絡(luò)受干擾的原因，提出了無線干擾處理方法和建議。

【關(guān)鍵詞】 車-地雙向連續(xù)通信 802.11 干擾

目前，我國城市軌道交通行業(yè)中信號(hào)系統(tǒng)、PIDS系統(tǒng)（乘客信息顯示系統(tǒng)）車-地通信方式普遍采用開放式的基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN作為通信制式，工作在2.4GHz的開放頻段。由于車輛行進(jìn)中的無線信號(hào)傳播的衰落特性，以及多普勒效應(yīng)和地下隧道通信的傳播模型特點(diǎn)，都必然會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的碼間干擾，從而導(dǎo)致有效帶寬急劇下降，進(jìn)而造成無線傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。另一方面，在區(qū)間隧道中又與信號(hào)系統(tǒng)/PIDS系統(tǒng)、民用通信系統(tǒng)（手機(jī)運(yùn)營商）、公安無線通信系統(tǒng)、專用無線通信系統(tǒng)一并分布，尤其是隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)運(yùn)營商3G技術(shù)的推廣使用，干擾不可避免地存在。深圳地鐵信號(hào)系統(tǒng)曾多次因便攜式WiFi的影響造成列車緊急制動(dòng)，這種干擾已經(jīng)對(duì)軌道交通安全運(yùn)行造成了重大影響。

因此，有必要對(duì)地鐵內(nèi)WLAN應(yīng)用抗干擾問題進(jìn)行分析，避免不利情況的發(fā)生，最大程度上減小干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，更好地保障通信質(zhì)量，確保信號(hào)系統(tǒng)/PIDS系統(tǒng)的正常使用。

一、干擾分析

WLAN信號(hào)傳播的開放性使WLAN系統(tǒng)容易受到來自周圍環(huán)境的各種干擾，這些干擾會(huì)造成傳輸中的誤碼或阻塞數(shù)據(jù)的發(fā)送，使系統(tǒng)中的誤碼率和延遲增加，降低可靠性。WLAN系統(tǒng)接收無線干擾主要來源于WLAN系統(tǒng)自干擾和其它系統(tǒng)的干擾兩個(gè)方面。

1.1 自干擾

PIDS系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)的車地通信均使用WLAN技術(shù)，不同的是信號(hào)系統(tǒng)采用的802.11b/g，而PIDS系統(tǒng)可采用有802.11g和802.11a。相互干擾的主要原因有同頻干擾和鄰道干擾兩個(gè)方面。

1.1.1 同頻干擾

所謂同頻干擾，即指無用信號(hào)的載頻與有用信號(hào)的載頻相同，并對(duì)接收同頻有用信號(hào)的接收機(jī)造成的干擾。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)和PIDS系統(tǒng)共用2.4GHz頻段的相同信道時(shí)，兩者的信道中心頻點(diǎn)相同，即為同頻。列車運(yùn)行過程中，信號(hào)系統(tǒng)和PIDS系統(tǒng)的車載與地面AP會(huì)分別建立關(guān)聯(lián)，進(jìn)行無線通信。兩者都需要占用信道進(jìn)行通信，而通信鏈路只有一條，無法同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)于多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)利用相同信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀的情況，MAC層引入了載波偵聽多路接入/碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）機(jī)制來解決這一問題。

CSMA/CA是利用所謂的載波偵聽技術(shù)，來判斷某一信道中的信號(hào)能量是否達(dá)到一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，如果信號(hào)的強(qiáng)度在這基準(zhǔn)點(diǎn)之下，表示該信道未被占用；反之，則表示忙碌。當(dāng)工作站想要傳送幀時(shí)，先檢測(cè)信道是否繁忙。若檢測(cè)到信道空閑，則開始等待一段幀間隔時(shí)間（DIFS），在這段時(shí)間中，如果仍然沒有其他工作站傳送幀，時(shí)間到立即發(fā)送幀。若檢測(cè)到信道繁忙，或在等待幀間隔時(shí)間內(nèi)信道變忙，即有其他站點(diǎn)發(fā)送幀，則等到其他站點(diǎn)發(fā)送完成后等待一段幀間隔時(shí)間（DIFS），時(shí)間到達(dá)后進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)窗口（Contention Window，CW）。此時(shí)工作站會(huì)產(chǎn)生一段隨機(jī)時(shí)間，稱為后退時(shí)間（backoff time），此后退時(shí)間隨時(shí)間遞減，工作站必須等到其后退時(shí)間減為0才能傳送幀。值得注意的是，此后退時(shí)間不一定能順利的持續(xù)遞減。如果只有一部工作站進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)窗口，則其后退時(shí)間可以持續(xù)遞減到0。如果有許多的工作站同時(shí)進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)窗口，則在遞減過程中，只要有其他的工作站傳送幀就表示此輪的競(jìng)爭(zhēng)窗口結(jié)束，此時(shí)就必須暫停遞減的工作，待下次再進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)窗口時(shí)才繼續(xù)遞減。CSMA/CA機(jī)制的工作過程如圖1所示。

由CSMA/CA的特性可以知道，當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)占用相同信道工作時(shí)，信道上一次只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，這時(shí)各個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前就需要經(jīng)歷幀間隔時(shí)間和后退時(shí)間，有可能是經(jīng)過多次的后退才能發(fā)送，這就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀的發(fā)送具有一定的延時(shí)。另外，幀傳送前雖然延遲隨機(jī)數(shù)時(shí)間但還是可能發(fā)生碰撞，而當(dāng)沖撞發(fā)生時(shí)又偵測(cè)不出來，此時(shí)傳送的幀就會(huì)漏失掉，導(dǎo)致丟包。由此看出，多個(gè)工作站同時(shí)占用相同信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀會(huì)嚴(yán)重影響工作站的吞吐量。所以，當(dāng)PIDS系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)占用相同信道時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的碰撞產(chǎn)生延時(shí)和丟包，影響了吞吐量。這是PIDS系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)之間造成同頻干擾的一個(gè)重要原因。

1.1.2 鄰道干擾

鄰道干擾簡言之就是相鄰信道功率落入接收機(jī)信道頻率范圍內(nèi)造成的干擾。雖然理論上不同的信道或頻段是互相隔離的，通過濾波器可以使通帶外的信號(hào)降低，但由于濾波器的性能不是理想的，通帶外的信號(hào)不會(huì)完全消除，依然有很大的旁瓣能量存在，此能量依然屬于802.11WLAN信號(hào)的通頻帶范圍內(nèi)，所以會(huì)對(duì)主導(dǎo)信號(hào)造成干擾。

當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)的WLAN和PIDS系統(tǒng)的WLAN使用相鄰信道，或信道中心頻率間隔小于5MHz的時(shí)候，比如IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的1信道和3信道，分別在2412MHz和2422MHz頻率上，由于每個(gè)信道有22MHz的帶寬，會(huì)有一部分信道重疊，所以信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生影響，這個(gè)一般稱為鄰道干擾。信道越接近，重疊的部分越大，影響越嚴(yán)重；反之，信道越遠(yuǎn)，重疊的部分越少，影響越小。當(dāng)信道間隔達(dá)到5個(gè)或以上時(shí)，信道之間就沒有重疊部分，理論上不會(huì)有任何干擾。但實(shí)際上，商用無線設(shè)備生成的信號(hào)并不完美，從802.11射頻發(fā)出的信號(hào)常常生成一些超出其許可范圍的能量，稱之為邊帶發(fā)射。通過接收端的濾波器時(shí)，濾波器理論上會(huì)將所需帶寬以外的頻率都過濾掉，實(shí)際上它只是可以將來自相鄰信道的RF干擾一定程度的降低，此干擾還是會(huì)生成旁瓣能量，進(jìn)入到主導(dǎo)頻帶范圍內(nèi)，如圖2所示。旁瓣能量可能改變?cè)盘?hào)的能量大小，使有用信號(hào)部分地改變或失去原有的信號(hào)特征導(dǎo)致誤碼等。這樣原來信號(hào)就無法被接收端正確的接收而造成丟包。

所以，不僅是相鄰有重疊部分的信道之間會(huì)產(chǎn)生干擾，即使沒有重疊，如1信道和6信道之間，也是會(huì)產(chǎn)生干擾的。正因?yàn)槿绱水?dāng)信號(hào)系統(tǒng)和PIDS系統(tǒng)分別工作在802.11g的不重疊信道1和6上，甚至是分別工作在2.4GHz和5.8GHz時(shí)，PIDS系統(tǒng)依然會(huì)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)造成干擾，只是干擾的程度不一樣。

由鄰道干擾的分析可知，相隔信道間存在不同程度的干擾。兩個(gè)信道隔得越遠(yuǎn)，它們的頻率范圍重疊的部分越少，干擾越小；反之，兩信道離得越近，頻率重疊的部分越多，干擾越大。

1.2 其他系統(tǒng)對(duì)WLAN無線網(wǎng)絡(luò)的干擾

從其他系統(tǒng)對(duì)WLAN無線網(wǎng)絡(luò)的影響來看，影響802.11b/g的2.4GHz頻段的干擾源很多。具體而言，目前對(duì)2.4GHz可能的干擾源包括無繩電話系統(tǒng)（DECT）、民用通信系統(tǒng)、藍(lán)牙設(shè)備、微波通信系統(tǒng)，以及其它FHSS跳頻通信系統(tǒng)。

二、抗干擾處理

根據(jù)以上分析，我們應(yīng)從減少干擾和抗干擾兩個(gè)方面采取技術(shù)方案消除對(duì)WLAN系統(tǒng)的無線干擾。

2.1 建設(shè)初期進(jìn)行合理的頻點(diǎn)規(guī)劃

在每條新建地鐵初期，應(yīng)對(duì)無線頻點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃。由于手機(jī)運(yùn)營商獲得國家批準(zhǔn)的無線頻段規(guī)劃，那么我們應(yīng)加強(qiáng)地鐵內(nèi)部自身系統(tǒng)的無線頻段規(guī)劃工作，合理規(guī)避信號(hào)系統(tǒng)與PIDS系統(tǒng)所可能產(chǎn)生的無線干擾。

由于2.4GHz是一個(gè)開放的頻段，只要其無線接入點(diǎn)的發(fā)射功率及帶外輻射滿足無線電管理委員會(huì)的要求，則無需提出專門的申請(qǐng)就可使用此頻段，并且相關(guān)配套設(shè)備較多，技術(shù)成熟，運(yùn)營維護(hù)成本低，同時(shí)考慮到信號(hào)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)少，占用無線傳輸帶寬資源較少，建議信號(hào)系統(tǒng)采用2.4GHz頻段的802.11g技術(shù)，采用干擾規(guī)避等措施，使用高指向性天線，或者使用漏泄電纜或波導(dǎo)管方式控制外界干擾。

PIDS系統(tǒng)是非安全系統(tǒng)，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性要求不是很高，即使信息完全中斷也不會(huì)影響地鐵系統(tǒng)的正常運(yùn)營，丟失的數(shù)據(jù)包可以通過錯(cuò)誤重傳機(jī)制來補(bǔ)齊，以保證圖像的連續(xù)性，因此建議PIDS系統(tǒng)采用5.8GHz頻段的802.11a技術(shù)，唯一的不足是需要向無線電管理委員會(huì)申請(qǐng)?jiān)S可，每年需要交納一定的頻率使用費(fèi)。

2.2 WLAN系統(tǒng)處理方案

（1）提高信噪比、降低靈敏度。WLAN系統(tǒng)若要避免無線干擾，應(yīng)在2.4GHz頻段允許的范圍內(nèi)，提高AP天線發(fā)射功率，同時(shí)降低接收靈敏度，使來自軌道方向的有用信號(hào)增強(qiáng)，來自干擾方向的信號(hào)減弱。（2）傳輸信息加密。WLAN系統(tǒng)必須采取加密措施，以保證傳輸信息的安全性、可靠性和可用性。（3）改善WLAN系統(tǒng)的同頻干擾。采用發(fā)送RTS/CTS報(bào)文，控制報(bào)文握手來解決網(wǎng)絡(luò)中的隱終端和暴露終端問題；縮短數(shù)據(jù)包長度，減少?zèng)_突和碰撞的概率，在干擾比較嚴(yán)重的區(qū)域，有利于提高總體帶寬。

三、結(jié)束語

WLAN系統(tǒng)已成為城市軌道交通車-地雙向連續(xù)通信方式的主流制式，通過采取必要的無線抗干擾技術(shù)能夠提升系統(tǒng)的抗干擾能力，但頻率干擾問題是無法徹底根除的。只有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貏澐诸l率及合理的規(guī)劃頻點(diǎn)，并不斷引入最新或更合適的抗干擾技術(shù)，才能將干擾問題縮小到最小，才能最大限度發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，提高傳輸效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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