南京地鐵機場線CBTC與PIS在2.4G無線頻段共存研究

周 鵬

南京地鐵機場線CBTC與PIS在2.4G無線頻段共存研究

周 鵬

本文重點圍繞城市軌道交通基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）技術需求，詳細描述了南京地鐵機場線CBTC與PIS系統(tǒng)在2.4GHZ無線頻段中共存的系統(tǒng)架構、無線頻段規(guī)劃情況和跳頻抗干擾措施，并結合南京機場線工程的實際情況，在實驗室數據的基礎上，對整體共存方案進行了研究和探討。

概況

基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）在城市軌道交通領域得到了越來越多的應用，它利用通信技術實現“車地通信”并實時地傳遞“列車定位”信息。旅客資訊系統(tǒng)（PIS）是依托多媒體網絡技術，以計算機系統(tǒng)為核心，以車站和車載顯示終端為乘客提供信息服務的系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)采用采用漏纜、裂縫波導管以及AP天線等方式實現車—地間雙向數據傳輸和列車位置檢測。由于CBTC模式下的AP天線車—地無線通信與PIS系統(tǒng)一并分布在區(qū)間隧道中，不可避免地形成空間無形波的多階互調干擾，這種干擾對信號系統(tǒng)CBTC模式下的運行安全造成了影響。為此，有必要針對采用無線通信技術的CBTC和PIS系統(tǒng)進行分析，合理統(tǒng)一規(guī)劃階段多階互調干擾問題，確保信號系統(tǒng)的安全運行。通過對南京地鐵機場線項目CBTC與PIS在2.4G無線頻段共存的理論分析、模擬測試，為合理選擇頻率規(guī)劃提供決策依據。

總體設計方案

南京至高淳城際快速軌道南京南站至祿口機場段工程（簡稱南京地鐵機場線）南起祿口機場，經祿口新城、東善橋-秣陵片區(qū)、東山副城西側，止于南京南站，全長約35.8km，其中高架段長約16.9km，過渡段長約0.7km，地下段長約18.2km。其中高架車站3座，地下車站5座。初期配置15列列車。在機場線項目中，CBTC網絡與PIS網絡在物理上是兩套獨立的網絡。

無線頻率規(guī)劃

南京機場線項目中，PIS與信號CBTC系統(tǒng)共同工作在2.4GHz頻段，采用這種方式的優(yōu)點是：ISM免費無線頻段，無需申請?zhí)厥庠S可，無需每年支付相關頻道費用；無線通信距離較5.8GHz頻段擴大了近一倍，在保證通信質量的前提下縮減軌旁設備數量，節(jié)省工程造價；相關產品及技術成熟可靠，擁有在眾多城市軌交項目中部署2.4G車地無線通信系統(tǒng)的成功經驗，確保系統(tǒng)順利按工程節(jié)點調試開通。

CBTC與PIS 2.4G頻段共存方案1

CBTC可在2.4G全頻段跳頻，PIS傳輸固定在通道13。由于CBTC采用了先進的跳頻擴頻FHSS技術，其可以抵御PIS及其它2.4GHz無線同頻信號的干擾，可以確保CBTC業(yè)務不受影響。

方案1： CBTC全頻段跳頻/PIS固定通道13

系統(tǒng)無線標準頻點頻率范圍（GHz）CBTC 802.11FHSS 79個跳頻點2.402-2.480 PIS 802.11n固定通道13 2.461-2.483

CBTC與PIS 2.4G頻段共存方案2

利用先進技術手段將CBTC和PIS設置在2個不同的細分頻段，可以確保兩種專業(yè)相互之間不存在任何同頻干擾。由于CBTC采用了先進的跳頻擴頻FHSS技術，其可以進一步抵御其它2.4GHz無線同頻信號的干擾，可以確保CBTC業(yè)務不受影響。

系統(tǒng)無線標準頻點頻率范圍（CBTC 802.11FHSS 60個跳頻點（澳大利亞標準）2.402-2 PIS 802.11n固定信道13 2.461-2.483

方案2： CBTC部分頻段跳頻/PIS固定通道13

跳頻抗干擾機制

由于大部分的干擾來源于符合802.11系列標準的其他設備，而802.11的無線標準中提供了一個非常有用的機制，可以讓所有用戶分享無線媒介，而帶來的時延很小，不會影響列車控制系統(tǒng)的運行。

忽略干擾：通過設定盡量高的無線信號閾值，以排除很多干擾。對無線通信而言，其效果與沒有其他信號或噪音存在時相同。

避開干擾：在2.4GHz有大量頻點可供跳頻，每次跳頻間隔為64ms，且連續(xù)兩次跳頻點頻率相差至少5MHz，在其他頻點進行信息的重發(fā)。相對于其他無線標準，以上機制使得跳頻系統(tǒng)能夠盡可能避開同頻干擾，在具體應用時，其效果非常理想。

競爭：這是利用802.11中的無線標準來自動實現的。

理論分析

CBTC與PIS在2.4GHz共存情況下，采用嚴苛的假設條件，分別計算采用兩套方案時無線報文丟包率理論值。設CBTC與PIS如頻點相互重疊時競爭勝率為50%，與其他Wi-Fi干擾源競爭勝率為70%。附加的干擾源為典型的Channel 1， 6，11強干擾源。在不考慮重傳機制前提下，列車單頭無線CBTC報文的丟包率如下表計算所得。

干擾源方案1（單頭不重傳）方案2（單頭不重傳）無附加干擾12.7% 0.0% Channel1 21.0% 8.4% Channel6 21.0% 8.4% Channel11 16.5% 4.2% Channel1+6 29.4% 16.7% Channel6+11 24.8% 12.2% Channel1+6+11 33.2% 20.5%

實驗室模擬測試

搭建的實驗環(huán)境中，CBTC信號RSSI強度為-45～-40dBm，通信速率為1Mbps，ping包數量為300個，32字節(jié)。CBTC分別工作在方案1、方案2指定的兩種頻段，PIS工作在固定的Channel13頻段。模擬的附加干擾源是通道分別為Channel1，6，11的3對802.11g無線路由器設備。

無附加干擾源，CBTC無線AP信號重傳1次機制下，CBTC單頭設備丟包率。

方案1 Max rate 1 Mbps Ping 包 300個丟包1個丟包率 0.3%方案2 Max rate 1 Mbps Ping 包 300個丟包0個丟包率 0.0%

以上實驗室模擬測試丟包率均小于理論計算值，考慮到實際CBTC運營環(huán)境下，采用車頭、車尾雙頭同時工作的冗余機制，當Channel 1，6，11的干擾源同時附加的情況下：

方案1的等效丟包率約為0.13%，方案2的等效丟包率約為0.03%

結語

南京地鐵機場線項目CBTC與PIS在2.4G無線頻段業(yè)務共存方案，經理論分析計算及實驗室模擬測試，兩套方案均可滿足CBTC運營所需的無線通信指標要求，均有優(yōu)異的抗干擾性能，均可確保CBTC與PIS業(yè)務同時正常運營。

周 鵬

南京地鐵建設有限責任公司，工程師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.015