地鐵CBTC系統(tǒng)無線通信技術(shù)抗干擾方案

張 磊

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073）

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地鐵CBTC系統(tǒng)無線通信技術(shù)抗干擾方案

張 磊

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073）

摘要：介紹在地鐵環(huán)境中WLAN應(yīng)用對地鐵系統(tǒng)運(yùn)營的影響，做出相關(guān)分析，并提出解決的措施。

關(guān)鍵詞：CBTC；WLAN；干擾；解決措施

Abstract:The paper introduces the influence of WLAN used in metro environment on metro system operation, presents the relevant analysis and puts forward the solution to the in fl uence.

Keywords:CBTC; WLAN; interference; solution

1　概述

在城市軌道交通系統(tǒng)中，基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)應(yīng)用廣泛，此系統(tǒng)采用IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)ISM 2.4 GHz頻段，使用WLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車控制信息的傳輸，完成列車與軌旁設(shè)備的通信功能。

ISM頻段被稱為ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）頻段，在這一頻段內(nèi)，存在著大量的工業(yè)、民用設(shè)備，包括例如大功率醫(yī)療設(shè)備、家用Wi-Fi設(shè)備、移動(dòng)熱點(diǎn)、工業(yè)WLAN設(shè)備等。由于是開放頻段，存在著大量的免費(fèi)用戶，包括例如大功率醫(yī)療設(shè)備、家用Wi-Fi設(shè)備、移動(dòng)熱點(diǎn)、工業(yè)WLAN設(shè)備等。

地鐵線路主要包括高架和隧道環(huán)境，在隧道環(huán)境內(nèi)，WLAN干擾主要來源于乘客攜帶的移動(dòng)熱點(diǎn)、藍(lán)牙設(shè)備等移動(dòng)Wi-Fi設(shè)備；在高架露天環(huán)境，還包括附近醫(yī)院、工廠、民房內(nèi)存在的設(shè)備/設(shè)施等，在地鐵運(yùn)行中，容易受到外界信號(hào)的干擾。因此，需要CBTC系統(tǒng)的無線傳輸應(yīng)用進(jìn)行抗干擾分析和研究，確保地鐵CBTC系統(tǒng)正常、高效運(yùn)營。

2　CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)應(yīng)用介紹

2.1數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)介紹

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（Data Communications Subsystem，DCS）是一個(gè)封閉通信網(wǎng)絡(luò)，為CBTC系統(tǒng)中的ATP/ATO、聯(lián)鎖、ATS、維護(hù)監(jiān)測等子系統(tǒng)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通道。

數(shù)據(jù)通信DCS系統(tǒng)，在各設(shè)備之間通過有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向通信，用以提供各子系統(tǒng)設(shè)備之間的有線信息傳輸以及地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的無線信息傳輸。數(shù)據(jù)通信DCS系統(tǒng)由3部分組成，分為有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和DCS維護(hù)管理設(shè)備，其無線網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示。

DCS系統(tǒng)使用2.4 GHz（2.4～2.4 835 GHz）標(biāo)準(zhǔn)開放頻段。2.4 GHz頻段只有3個(gè)不重疊的頻點(diǎn)，即1（中心頻率為2 412 MHz）、6（中心頻率為2 437 MHz）和11（中心頻率為2 462 MHz）信道。車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用冗余雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，冗余雙網(wǎng)分別工作在“1”信道和“11”信道，雙網(wǎng)分別對應(yīng)有線網(wǎng)絡(luò)的冗余網(wǎng)絡(luò)。

軌旁設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信通過有線網(wǎng)絡(luò)提供透明傳輸通道，車載設(shè)備與軌旁設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信通過車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)提供的透明傳輸通道。

2.2應(yīng)用環(huán)境分析

地鐵線路主要包括高架和隧道環(huán)境，在隧道環(huán)境內(nèi)，WLAN干擾主要來源于乘客攜帶的移動(dòng)熱點(diǎn)、藍(lán)牙設(shè)備等移動(dòng)Wi-Fi設(shè)備；在高架露天環(huán)境，還包括附近醫(yī)院、工廠、民房內(nèi)存在的設(shè)備/設(shè)施等。因此在高架環(huán)境下，更容易受到外界影響。

為應(yīng)對這些無處不在的干擾，DCS系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，就考慮了抗干擾方案，包括產(chǎn)品的適應(yīng)性算法，系統(tǒng)的抗干擾機(jī)制等。

3　CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無線傳輸技術(shù)干擾分析

由于無線通信的空間特性，容易受到空間中各種因素的干擾。從干擾分析的角度看，向空間輻射信號(hào)的發(fā)信機(jī)是干擾源，獲取并處理空間信號(hào)的接收機(jī)是被干擾對象，這些對IEEE802.11g系統(tǒng)的干擾也稱為諧波干擾，如表1所示。

表1　CBTC系統(tǒng)無線干擾源分析

4　CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無線抗干擾解決方案

4.1抗干擾措施

1）頻率分集

頻率分集是指使用多個(gè)不同的頻率來傳輸數(shù)據(jù)，以減少所有使用中的信號(hào)路徑以同樣方式失真的可能性。

DCS系統(tǒng)使用雙頻覆蓋設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)頻率分集，任何時(shí)候?qū)π盘?hào)系統(tǒng)中的每一輛列車來說，至少兩個(gè)冗余頻率是可用的。

在地鐵應(yīng)用中，使用2 412 MHz和2 462 MHz。

2）空間分集

采用兩個(gè)或兩個(gè)以上天線同時(shí)發(fā)送或接收同一信息，分為空間分集發(fā)信和空間分集接收，特點(diǎn)是克服了多徑衰落，需要多個(gè)天線。

兩個(gè)車載無線單元分別位于列車兩端，列車長度導(dǎo)致了無線信號(hào)傳播路徑的多樣性，從而極大降低了信號(hào)干擾的影響。

空間分集接收技術(shù)是指在空間不同的位置設(shè)置幾副天線（或幾套接收設(shè)備），同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的無線信號(hào)，然后合成或選擇其中一個(gè)較強(qiáng)信號(hào)來達(dá)到抗干擾的目的。

DCS車載設(shè)備在每個(gè)方向具有兩個(gè)定向天線通過設(shè)置使這兩個(gè)天線工作在分集模式下，且兩個(gè)天線相距一定距離，實(shí)現(xiàn)空間分集來有效抵抗多徑干擾。

3）定向天線

采用小角度定向天線，一方面提高傳輸性能，避免信號(hào)的無效泄漏；另一方面由于天線的發(fā)射角度小，為特定區(qū)域即所謂的覆蓋區(qū)域提供無線服務(wù)，其他區(qū)域不能收到信息，增強(qiáng)來自軌道方向的有用信號(hào)，降低來自干擾方向（天線旁瓣）的信號(hào)，提高信號(hào)的載干比。

4）帶通濾波器

使用帶通濾波器，對DCS系統(tǒng)使用的1和11信道進(jìn)行濾波處理，將不同頻點(diǎn)的信號(hào)隔離，消除其他頻段信號(hào)對本信道產(chǎn)生干擾。

5）無線調(diào)優(yōu)

通過在軌旁合理布置AP位置，并且對線路上的AP進(jìn)行調(diào)優(yōu)，對其發(fā)射功率、天線方向角度進(jìn)行優(yōu)化，防止AP之間覆蓋區(qū)域的過度重疊，從而大大降低同頻干擾的影響，并且使得車載無線設(shè)備能夠在合理的閾值進(jìn)行切換。

6）低占空比

使用高速率和短數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)受到干擾影響的幾率。CBTC系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)包大小和發(fā)送速率如表2所示。

表2　CBTC無線通信數(shù)據(jù)包參數(shù)

CBTC業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包都為短數(shù)據(jù)包，發(fā)送速率很低，帶寬要求低，因此CBTC系統(tǒng)通道具有低占空比的特性。

7）OFDM技術(shù)

OFDM技術(shù)是一種多載波系統(tǒng)，每個(gè)載波分解為52個(gè)子載波，每個(gè)大約是300 kHz寬，其中48個(gè)傳輸數(shù)據(jù)，其余的4個(gè)用于糾錯(cuò)。OFDM把一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流分解成許多低速率的子數(shù)據(jù)流，以并行的方式在多個(gè)子信道上傳輸，受到干擾時(shí)，只有一小部分子載波會(huì)被影響，然后通過糾錯(cuò)編碼來解決。OFDM的編碼方案和糾錯(cuò)技術(shù)可以有效的對抗各種干擾，如圖2所示。

8）重傳協(xié)議

數(shù)據(jù)源在數(shù)據(jù)包發(fā)出后要等待接收確認(rèn)數(shù)據(jù)包（ACK），如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到ACK數(shù)據(jù)包，發(fā)送端將重新發(fā)送一個(gè)相同的數(shù)據(jù)包，直到接收端收到數(shù)據(jù)包為止。在一般情況下，重傳次數(shù)為64次，但是在CBTC系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)丟包，則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)包已經(jīng)超出應(yīng)用允許范圍，但無線設(shè)備還在嘗試重傳情況，因此需要對重傳機(jī)制進(jìn)行調(diào)整。

在DCS系統(tǒng)中，對無線設(shè)備減小重傳的嘗試次數(shù)，并且設(shè)定當(dāng)重傳到一定數(shù)量時(shí)，拋棄相關(guān)數(shù)據(jù)包，以便引發(fā)切換機(jī)制，達(dá)到快速漫游的目的，車載客戶端減小在信號(hào)強(qiáng)度差的AP下的駐留時(shí)間，保持業(yè)務(wù)的正常傳輸。

4.2抗干擾效果

通過DCS系統(tǒng)產(chǎn)品級和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，信號(hào)DCS系統(tǒng)能夠有效的降低外界因素的影響，保證系統(tǒng)的高效運(yùn)營。

但是ISM頻段作為公用頻段，開放性是其最大的特點(diǎn)，而地鐵信號(hào)系統(tǒng)使用這一頻段傳輸安全信息，雖然使用技術(shù)手段能夠最大程度的克服外界干擾，但仍存在一定的不合理性。

4.3專用頻點(diǎn)

針對ISM頻段的開放性問題，需要地鐵行業(yè)申請專用頻點(diǎn)，使得CBTC系統(tǒng)的通信信道在一個(gè)純凈的環(huán)境下，徹底解決安全信息在開放頻段傳輸?shù)牟焕置妗Ｄ壳翱捎玫念l點(diǎn)如5.9 GHz，可以作為地鐵CBTC系統(tǒng)專用頻段使用。

5　結(jié)論

地鐵中WLAN設(shè)備的應(yīng)用范圍將持續(xù)增多，而隨著基于2.4G產(chǎn)品應(yīng)用的進(jìn)一步增加，采用WLAN技術(shù)的CBTC車地?zé)o線通信將遇到更多的干擾因素，對地鐵系統(tǒng)運(yùn)營造成影響。

因此，在地鐵設(shè)計(jì)中，需要合理的使用無線抗干擾技術(shù)來減輕或抑制無線干擾；并且在未來，能夠使用地鐵信號(hào)系統(tǒng)專用頻點(diǎn)徹底解決信號(hào)的干擾性問題，這樣才能最大限度地發(fā)揮CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高運(yùn)營效率。

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收稿日期：（2014-08-10）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.018