寧波軌道交通車載WIFI系統兼容研究

徐勁松

(寧波軌道交通運營分公司 浙江寧波315000)

1 研究背景

隨著城市軌道交通通信技術的不斷發展，基于無線通信的列車自動控制(CBTC)系統將逐漸取代基于軌道電路的列車自動控制系統，成為當前軌道交通信號系統的主流。CBTC系統采用的無線傳輸協議主要運行在2.4 GHz頻段的IEEE 802.11 g。此頻段為開放頻段，是國際規定的免費頻段，不需要向國際相關組織繳納任何費用［1-4］。

我國的2.4 GHz頻段總共劃分了13個信道，每個信道帶寬為20 MHz(見圖1)。

在多個信道同時工作的情況下，為保證信道之間不相互干擾，要求兩個信道的中心頻率間隔不能低于25 MHz。由此可以看出整個2.4 GHz頻段最多可以同時支持3組3個不重疊的信道(1/6/11、2/7/12、3/8/13)工作［5］。

圖1 2.4 GHz頻段信道分布

2 寧波軌道交通信號系統與車載WIFI

2.1 1號線CBTC系統

寧波軌道交通1號線CBTC系統采用的是信道2和信道13(中心頻點分別為2 417 MHz和2 472 MHz)，兩者是信號系統車地通信互為冗余保護的數據通道;同時，該信號系統通過選用窄帶調制方式來提高無線系統的抗干擾性能。窄帶調制方式將2.4 GHz無線頻點的頻寬由20 MHz縮小為5 MHz。窄帶調制方式在總發射功率不變的情況下，功率譜密度提高了6 dBm。因此，同等條件下窄帶調制方式比原20 MHz的調制方式信噪比提升了6 dB，顯著提高了窄帶modem抗同頻干擾的能力。經實際測試驗證，窄帶調制方式可顯著提高無線系統的抗干擾性能。窄帶modem的功率譜密度與原20 MHz的對比詳見圖2。

圖2 調制帶寬對比

寧波軌道交通1號線的CBTC系統采用波導管傳輸解決方案。車地通信是由安裝在車廂底部的波導管車載天線和安裝在軌道兩側的波導管組成，此方案與傳統的自由無線天線方式的解決方案相比有4方面優點。

1)短距離通信。波導管與車載天線之間的通信距離最長50 cm，受其他無線系統的干擾區域大大縮小。

2)使用正對波導管的車載定向天線。

3)波導管上方超過60 cm處無線信號衰落非常迅速，降低對其他無線系統的干擾影響。

4)車載天線安裝在車廂底部，波導管位于站臺下方，車站站臺對于非車載天線視域內的其他無線信號形成屏蔽效果［6-8］。

2.2 1號線車載WIFI系統

寧波軌道交通1號線車載WiFi信號通過安裝于車廂側壁上方的LTE-AP(4G轉WiFi的無線接入點)進行覆蓋，每節車廂2臺，單側暗裝，全列車總共12臺。LTE-AP通過接收軌道區間移動4G信號進行通信，車廂內轉為WiFi信號，滿足乘客無線上網需求。

LTE-AP采用2.4 GHz頻段7信道進行數據傳輸，避開信號系統使用的2和13信道，同時，為了減少LTE-AP間的相互干擾，其發送功率限制為2.512mW。

2.3 車載WIFI與CBTC兼容性測試

為了驗證寧波軌道交通1號線車載無線系統與軌道交通信號系統的兼容性，選取1號線的一列車在運營線路上進行測試。

2.3.1 無線系統設置

1)車載WiFi系統配置。WiFi配置:LTE-AP發射頻率使用2.4 GHz頻段7信道。位置:每節車廂布置2個AP點，全車共12個(見圖3)。

圖3 車載無線AP分布

2)信號系統車地通信設備配置。信號紅網:頻率使用2.4 GHz頻段2信道，位于車頭司機室。信號藍網:頻率使用2.4 GHz頻段13信道，位于車尾司機室。

2.3.2 測試方式

列車在1號線東環南站至高橋西站上下行，以正常CTBC模式運行狀態下，開啟車載WiFi系統并模擬各類實際使用情況，記錄車廂內部各處WiFi信號強度以及乘客在此期間使用車載WiFi系統的用戶感知;同時記錄信號系統無線信號場強覆蓋和車地端到端通信質量。

2.3.3 測試結果

1)車載WiFi系統。測試人員在總計6節車廂中選取18處點位進行覆蓋強度測試(每節車廂選取3處)，記錄結果見表1。

表1 信號場強記錄

車廂內各處的WiFi信號強度基本控制在－40～－60 dBm，能滿足正常無線通信需求。

2)覆蓋區域認證測試。測試人員在列車車廂內進行10次的用戶上/下線測試，記錄結果見表2。

表2 認證測試記錄

3)覆蓋區域業務測試。測試人員在列車上對各個AP進行AP信道、上傳/下載、Ping包測試，記錄結果見表3。

表3 業務測試記錄

在列車運行期間，20人在首節車廂自由使用WiFi，網頁打開速率平均3 s，下載速率穩定在200 KB/s，Ping包延時低于50 ms，丟包率小于3%，全程網絡使用感知較為理想。

2.3.4 CBTC信號系統

1)無線覆蓋場強。全線信號網信道2(信號藍網)如圖4所示，全線信號網信道13(信號紅網)如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，全線信號網信道2和信道13無線信號場強基本保持在－40～－60 dBm，滿足信號系統車地通信的要求。

2)丟包率。信道2(信號藍網)如圖6所示。信道13(信號紅網)如圖7所示。

圖4 信號藍網

圖5 信號紅網

圖6 信號藍網丟包測試記錄

測試結果表明，當車載WiFi系統運行在2.4 GHz頻段7頻點的狀態下，且AP發射功率在2.512 mW時，信號系統無線覆蓋信號場強分布不受影響，車地端到端通信的丟包率小于0.1%，可滿足信號車地通信質量要求［9-10］。

圖7 信號紅網丟包測試記錄

3 總結

綜上所述，為了加強乘客出行便捷以及乘客對無線上網需求的迫切性，同時考慮到地鐵CBTC系統運營的安全、可靠性，地鐵項目在設計初期，運營商各方就應加強重視，同時考慮各方對WLAN(無線局域網)信道的需求，合理規劃頻點的使用。筆者提出3點建議供參考。

1)首先確定地鐵信號系統對信道的使用需求，盡量將信號系統兩個冗余保護通道頻點安排在2.4 GHz頻段的兩端，即分別靠近信道1和信道13，做到盡量大的信道隔離度。

2)車載WiFi系統信道采用信道7/8/9中一個或組合，緊鄰司機室車廂內AP的布置應避開靠近司機室區域;控制車載WiFi AP的發射功率，將其無線覆蓋區域控制在本車廂區域內，減少車載WiFi AP自身系統間的互相干擾。

3)對于其他WLAN的應用系統，如PIS(乘客信息系統)建議采用5.8 GHz頻段，可以與信號系統、車載WiFi系統做到完全的信道隔離，互不干擾。

［1］Theodore S.Rappaport.無線通信原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2009:30-34.

［2］Andrea Goldsmith.無線通信［M］.北京:人民郵電出版社，2007:22-24.

［3］高峰.無線城市電信級WiFi網絡建設與運營［M］.北京:人民郵電出版社，2011:87-89.

［4］GB 50157―2013地鐵設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2014:171-185.

［5］林瑜筠，譚麗，涂序躍，等.高速鐵路信號技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2012:75-80.

［6］蔡昌俊.城市軌道交通CBTC系統無線同頻干擾應對策略［J］.鐵路通信信號，2013，49(7):74-76.

［7］郭陽.地鐵移動新媒體現狀研究［J］.信息通信，2014(10):263.

［8］張健.無線傳輸技術在地鐵車輛中的應用探究［J］.中國新通信，2015(5):77.

［9］竇立星.地鐵CBTC系統干擾原因及干擾預測［J］.信息技術與信息化，2014(4):222-224.

［10］崔鵬.地鐵CBTC信號系統的WiFi風險防范建議［J］.中國鐵路，2014(4):73-75.