上海城市軌道交通無線局域網(wǎng)干擾測試分析

吳英杰 朱 俊

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥第一作者， 助理工程師)

基于5 GHz頻段的Wi-Fi(無線保真)產(chǎn)品在城市軌道交通各專業(yè)的應用越來越多。既有CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)各種應用數(shù)據(jù)間的通信是由DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))負責的。其中，車載與軌旁設備間的連接采用自由無線方式建立，該無線傳輸技術運行在IEEE 802.11 g協(xié)議標準的2.4 GHz頻段。據(jù)不完全統(tǒng)計，在北京地鐵、上海城市軌道交通、南京地鐵、深圳地鐵的部分線路中，DCS的工作頻段均為2.4 GHz。為了確保DCS通信正常，本文對現(xiàn)有的5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品進行現(xiàn)場測試，并分析城市軌道交通其他專業(yè)的5 GHz頻段 Wi-Fi產(chǎn)品是否會對DCS的正常運作造成影響。

1 Wi-Fi干擾測試的背景分析

1.1 DCS介紹

DCS作為CBTC系統(tǒng)的一部分，為ATS(列車自動監(jiān)控)、CI(計算機聯(lián)鎖)、MSS(維護支持系統(tǒng))、ATC(列車自動控制)等的應用提供2套完全冗余的通信通道，以實現(xiàn)各子系統(tǒng)設備之間端到端的連續(xù)冗余通信。如圖1所示，DCS分為3部分：有線部分、無線部分和網(wǎng)管部分。其中，無線部分位于列車和軌旁，用于實現(xiàn)車載和軌旁設備的數(shù)據(jù)通信。

注： ATC——列車自動控制。

DCS無線通信協(xié)議遵循IEEE 802.11g標準，物理層運行工作頻段為2.4 GHz。為減少其他系統(tǒng)對DCS無線通信的干擾，DCS采用了2條獨立的通信通道作為其冗余原則。這2條信道頻的頻點分別為2 477 MHz和2 417 MHz，并分別命名為紅網(wǎng)、藍網(wǎng)。

1.2 5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品在城市軌道交通行業(yè)內(nèi)應用的背景介紹

2016年11月29日，國務院印發(fā)了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，對城市軌道交通行業(yè)提出了明確的要求。其中，在設備上的要求主要包括：要強化軌道交通裝備的領先地位；突破產(chǎn)業(yè)關鍵零部件及綠色智能化集成技術；進一步研發(fā)列車牽引制動系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)、電傳動系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、車鉤緩沖系統(tǒng)、儲能與節(jié)能系統(tǒng)、高速輪對、高性能轉(zhuǎn)向架、齒輪箱、軸承、輕量化車體等關鍵系統(tǒng)和零部件，形成軌道交通裝備完整產(chǎn)業(yè)鏈；加強永磁電機驅(qū)動、全自動運行、基于4G(第4代移動通信技術)的無線綜合承載等技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化；等等。由此，各種基于5 GHz頻段的Wi-Fi產(chǎn)品應運而生。

2 5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品的應用對城市軌道交通CBTC 2.4 GHz無線通信的影響

無線傳播是指無線電波在自由空間的傳播方式，存在傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定、信號容易受干擾、保密性差和易被截獲等缺點。既有DCS無線通信負責軌旁設備與車載的數(shù)據(jù)通信，在2.4 GHz頻段上的傳輸功率為24 dBm，接收器的敏感度為-90 dBm(速率為6 Mbit/s)。 而城市軌道交通在用的5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品的使用頻段為5.150～5.350 GHz、5.725～5.850 GHz。從理論角度來看，根據(jù)傅里葉級數(shù)推斷，這2個不同頻率的函數(shù)是正交的，基本可以排除對CBTC系統(tǒng)2.4 GHz頻段造成的干擾。下文通過現(xiàn)場實際測試來驗證這一推斷。

3 CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無線通信干擾測試

根據(jù)中國交通運輸協(xié)會2013[10]號《城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)行業(yè)技術規(guī)范—需求規(guī)范》以及信號合同中的要求，CBTC車地無線通信性能須滿足丟包率小于1%，以及車地有線-無線傳輸延時小于150 ms的要求。因此，本次Wi-Fi干擾測試以這2項指標作為測試項，對城市軌道交通MMIS(移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng))項目中5 GHz頻段信號對既有CBTC無線通信產(chǎn)生的干擾進行測試。

3.1 測試準備

在實施該無線干擾測試前，需要進行的準備工作有：

1) 選擇1列完成了MMIS項目及CBTC車載無線設備調(diào)試的測試列車。

2) 車庫內(nèi)MMIS項目及CBTC軌旁AP(接入點)設備均按要求安裝調(diào)試完畢。

3) 為模擬最惡劣的測試環(huán)境，車庫內(nèi)除測試股道外，其余股道均停滿了車輛。

3.2 MMIS項目數(shù)據(jù)參數(shù)

1) 典型數(shù)據(jù)傳輸速率： 200 Mbit/s(5 GHz頻段時)。

2) 理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率： 867 Mbit/s(5 GHz頻段時)。

3) 輸出功率：以現(xiàn)場調(diào)試優(yōu)化后的數(shù)值為準。

4) 最大數(shù)據(jù)輸出功率：27 dBm(5 GHz頻段時)。

5) 無線工作頻段：5.150～5.350 GHz、5.725～5.850 GHz。

6) 無線通信協(xié)議標準：IEEE 802.11n。

3.3 測試步驟及結果

如圖2所示，在停車庫內(nèi)選取MMIS項目和CBTC設備直線安裝距離最遠的1條停車列檢線，其股道的A端和B端在同一直線上，分別可以放置1列電客列車。首先將測試列車停放在靠近停車庫庫門的股道A端進行測試；測試完成后再通過調(diào)車作業(yè)，將測試列車調(diào)至離庫門較遠的股道B端進行測試。測試全過程使用同1列車，以避免不同列車工況不同而造成參數(shù)差異。由現(xiàn)場驗證是否滿足DCS的無線通信需求：時延小于150 ms；丟包率小于1%。

圖2 調(diào)試股道示意圖

3.3.1 基準測試

在5 GHz頻段Wi-Fi無線設備斷電條件下，測試列車在股道A端和B端DCS車地通信的端到端性能，測試時間為10 min。此測試的目的在于給出CBTC無線通信的基準通信性能。在股道B端列車靜止狀態(tài)的情況下，得到的測試結果為：在2.4～2.5 Ghz頻段內(nèi)掃頻2 417 MHz、2 427 MHz、2 467 MHz、2 477 MHz等4個頻點，測試得到的功率分別為-88 dBm、-87.5 dBm、-86.5 dBm、-88.6 dBm;紅網(wǎng)的丟包率為0.024%，車地通信延時為53 ms；藍網(wǎng)的丟包率為0.036%，車地通信延時為53 ms。基準測試的項目均符合要求。

3.3.2 干擾測試項目1

將5 GHz頻段Wi-Fi設備上電，同時5 GHz頻段Wi-Fi無線設備以典型數(shù)據(jù)傳輸速率進行車地無線業(yè)務傳輸。如圖5所示，在2.4～2.5 Ghz頻段內(nèi)掃頻2 417 MHz、2 427 MHz、2 467 MHz、2 477 MHz等4個頻點，得到的測試功率分別為-85.2 dBm、-77.3 dBm、-70.2 dBm、-79.5 dBm。

然后，列車在股道A端進行CBTC端到端測試，測試時間為15 min。測試結果為:紅網(wǎng)的丟包率為0.021%，車地通信延時為14 ms；藍網(wǎng)的丟包率為0.023%，車地通信延時為15 ms。測試結果符合要求。

3.3.3 干擾測試項目2

將5 GHz Wi-Fi設備上電，同時5 GHz頻段Wi-Fi設備按典型數(shù)據(jù)傳輸速率進行車地無線業(yè)務傳輸。然后列車在股道B端進行CBTC的端到端測試，測試時間為15 min。測試結果為:紅網(wǎng)的丟包率為0.036%，車地通信延時為55 ms；藍網(wǎng)的丟包率為0.010%，車地通信延時為16 ms。測試結果符合要求。

3.4 測試結果分析

將正線上使用頻點的測試結果進行匯總，如表1所示。由表1可知，各測試結果的時延均小于150 ms，丟包率均小于1%，現(xiàn)場測試結果滿足DCS 無線通信需求。

表1 Wi-Fi干擾測試結果匯總

4 結語

本文的Wi-Fi干擾測試，僅僅針對城市軌道交通內(nèi)部其他專業(yè)對信號專業(yè)的干擾進行了測試。與上文的無線測試環(huán)境相比，城市軌道交通線路沿線的實際無線環(huán)境更為復雜。特別是高架線路區(qū)段所處環(huán)境更為開放，所受到的干擾更多。隨著無線技術的發(fā)展，將來會有更多的新型無線技術應用于城市軌道交通領域。對于如何進一步降低外界環(huán)境對DCS無線通信的干擾，本文建議如下：① 增加外部網(wǎng)絡環(huán)境的監(jiān)控，最好能做到實時監(jiān)測，監(jiān)測時若發(fā)現(xiàn)所處環(huán)境電波干擾超出平時正常參數(shù)，應及時預警；② 優(yōu)化設備內(nèi)部參數(shù)，進一步提高設備的濾波效率和抗干擾能力，進而降低通信丟包率與延時，以保障城市軌道交通的正常運營。