城市軌道交通CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無線傳輸技術的應用研究

杜 成

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無線傳輸技術的應用研究

杜 成

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

鑒于采用IEEE802.11標準ISM2.4GHz開放頻段基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)在城市軌道交通應用中被外界采用相同標準和頻譜的WiFi信號干擾,而造成停車事故,影響列車正常運營;為此,通過對CBTC系統(tǒng)采用的無線傳輸技術分析和研究,提出目前CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術存在的問題和無線干擾處理方法及未來城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車地無線通信技術的發(fā)展方向。

CBTC;WiFi;ISM2.4GHz;無線干擾

1 概述

目前,城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)均采用IEEE802.11標準ISM2.4GHz頻段。由于2.4 GHz頻段是一個全球性免費開放頻段,使用無需審批及付費,只需遵守一定無線電規(guī)則即可?；?.4 GHz開發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性,因此,該頻段用戶量極大,在通信領域,各廠商均針對2.4 GHz開放頻段開發(fā)多種應用產(chǎn)品和技術,產(chǎn)品主要有數(shù)字無繩電話、、無線鼠標、無線鍵盤、無線耳機、微波爐等,技術主要包括無線網(wǎng)絡技術、藍牙技術、無線上網(wǎng)(WiFi)和封閉協(xié)議通信技術。目前,基于2.4 GHz的產(chǎn)品和技術的使用范圍也迅速擴大,當這些設備與CBTC系統(tǒng)處于相同的環(huán)境同時工作頻點重疊時,就不可避免地對CBTC無線傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生同頻干擾。由于ISM2.4GHz頻段內(nèi)無線電臺之間產(chǎn)生的干擾,原則上不受保護,因此,有必要對CBTC系統(tǒng)采用的無線傳輸技術進行抗干擾分析和研究,確保CBTC信號系統(tǒng)的正常運行。

2 基于2.4 GHz無線傳輸技術介紹

20世紀90年代,無線通信技術與計算機網(wǎng)絡相結合產(chǎn)生了無線局域網(wǎng)(WLAN)技術。WLAN是指采用無線介質(zhì)傳輸?shù)挠嬎銠C局域網(wǎng),采用的標準是IEEE802.11系列,可為移動用戶提供高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的寬帶接入業(yè)務。Wi-Fi為Wireless Fidelity的縮寫,意思為無線局域網(wǎng)。由于Wi-Fi產(chǎn)品遵循IEEE所制定的802.11系列標準,所以一般的802.11系列標準都屬于Wi-Fi。

2.1 2.4 GHz頻譜介紹

WLAN建設中廣泛使用的是802.11b和802.11g協(xié)議。根據(jù)IEEE 802.11b及國家相關標準的規(guī)定, WLAN工作頻段為2.4～2.483 5 GHz,可提供1、2、5.5、11 Mbit/s的自適應速率,在2.4 GHz的ISM頻段上共有14個頻寬為22 MHz的頻道可供使用,其中共有13個子信道,這13個子信道是互相重疊的,只有3個頻點是相互之間沒有重疊,可以同時使用的,就是一般的1、6、11信道。由于只有3個互不干擾的頻道可供選擇,且此頻道公開,任何運營商、企事業(yè)和個人用戶均可使用這幾個頻道,增加了WLAN無線網(wǎng)絡的干擾。802.11b/g各頻道之間的頻率劃分方式如圖1所示。

圖1 2.4 GHz頻率劃分

2.2 2.4 GHz無線技術傳輸機制

基于IEEE802.11標準的2.4 GHz無線傳輸系統(tǒng)采用載波監(jiān)聽/沖突避免(CSMA/CA)訪問機制,即采用先聽后講機制,先確定信道未被占用,再發(fā)送數(shù)據(jù),當信道被占用時,則繼續(xù)等待空閑時間發(fā)送數(shù)據(jù),即在1個信道中每時刻僅存在1個用戶在占用信道,同時每個用戶占用信道時間和機會都是公平的。如果1個終端需要使用WLAN進行通信時,首先要監(jiān)聽信道,這時就會出現(xiàn)2種情況。一是如果信道當時有人在使用,就一直監(jiān)聽下去直到信道空閑。二是如是信道空閑,就使用這個信道,此時信道被占用。由于WLAN是采用競爭的,終端競爭到就完全使用該信道,使用完后終端繼續(xù)競爭。如果2個終端使用相同信道,競爭會使接收端性能退化,吞吐性能下降。而同時,同臨頻干擾產(chǎn)生波形的疊加或者衰落,導致接收端無法準確識別、還原信號,大量數(shù)據(jù)重傳更增加了帶寬開銷,使無線網(wǎng)絡的傳送性能更加惡化。

2.3 調(diào)制方式和抗干擾措施

ISM2.4 GHz頻段是世界范圍內(nèi)的通用和開放頻段,該頻段也因此存在許多來自各種不同系統(tǒng)的干擾信號,干擾影響的大小與干擾的形式、頻率和強度等諸多因素有關,特別是ISM2.4GHz頻段的IEEE802.11b/g系統(tǒng),由于會受到許多干擾源的影響,其物理層的性能會下降。為了提高設備的抗干擾能力,增強無線網(wǎng)絡的可用性,2.4 GHz無線通信技術一般采用干擾抑制和干擾躲避的方法來實現(xiàn),通常采用的技術包括直接序列擴頻(DSSS)、跳頻擴頻(FHSS)和正交頻分復用(OFDM)技術,相關具體工作原理介紹如下。

(1)直序擴頻技術:是指把原來功率較高,而且?guī)捿^窄的原始功率頻譜分散在很寬廣的帶寬上,使得在整個發(fā)射信號利用很少的能量即可傳送出去。它直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜,而在收端,用相同的擴頻碼序列去進行解擴,把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。

直接序列擴頻的優(yōu)點為:①直擴系統(tǒng)射頻帶寬很寬,小部分頻譜衰落不會使信號頻譜嚴重的畸變;②抗干擾性強,即使以同類型信號進行干擾,在不知道信號的擴頻碼的情況下,由于不同擴頻編碼之間的不同的相關性,干擾也不起作用;③隱蔽性好,信號在很寬的頻帶上被擴展,單位帶寬上的功率很小,信號功率譜密度很低,隱蔽性好,對于其他電信設備構成干擾小;④易于實現(xiàn)碼分多址(CDMA),充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關特性,分配給不同用戶不同的擴頻編碼,可以區(qū)別不同的用戶的信號,從而實現(xiàn)了頻率復用,使擁擠的頻譜得到充分利用,實現(xiàn)多址通信;⑤抗多徑干擾,利用擴頻編碼之間的相關特性,在接收端可以用相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號,也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強,從而達到有效的抗多徑干擾;⑥通信速率高,直擴通信速率可達2,8,11 M,無須申請頻率資源,建網(wǎng)簡單,網(wǎng)絡性能好。

(2)跳頻擴頻技術:跳頻擴頻就是用擴頻的碼序列去進行移頻鍵控(FSK)調(diào)制,使載波的頻率不斷地跳變。當傳送數(shù)據(jù)時,根據(jù)收發(fā)雙方預定的協(xié)議,在一個頻道傳送一定時間后,就同步“跳”到另一個頻道上繼續(xù)通信。在接收端,用與發(fā)送端完全相同的本地發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼進行解擴,通過解調(diào)正確地恢復原有的信息。

調(diào)頻擴頻技術的優(yōu)點為:①具有抗單頻及部分帶寬干擾的能力,當跳變的頻率數(shù)目足夠多時,跳頻帶寬足夠?qū)挄r,其抗干擾能力很強;②利用載波頻率的快速跳變,具有頻率分集的作用,從而使系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力;③利用跳頻圖案的的正交性可構成跳頻碼分多址系統(tǒng),共享頻譜資源,并具有承受過載的能力;④跳頻系統(tǒng)無明顯的遠近效應,大功率信號只在某個頻率上產(chǎn)生遠近效應,當載波頻率跳變至另一個頻率時則不再受其影響。

(3)正交頻分復用技術:OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。OFDM在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸,由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交,它們的頻譜相互重疊,這樣就減小了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率。

OFDM技術優(yōu)點為:①在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù),信道利用率高,可最大的利用頻譜資源;②能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化,能動態(tài)地與之相適應,保證持續(xù)地進行成功的通信;③自動地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖,采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信;④可以有效地對抗信號波形間的干擾,適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時,只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響,其他的子載波未受損害,系統(tǒng)總的誤碼率小。

3 CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術應用介紹

目前,CBTC無線傳輸系統(tǒng)均采用符合或基于IEEE802.11標準ISM2.4 GHz頻段的無線通信技術,通過在軌旁布置AP,漏纜、天線或波導、車載安裝移動電臺和天線等無線傳輸介質(zhì)建立車地冗余無線(WLAN)傳輸網(wǎng)絡,實現(xiàn)軌旁設備與車載設備雙向、實時的信息交互,完成對列車連續(xù)控制。車地無線網(wǎng)絡布置如圖2所示。

圖2 車地無線網(wǎng)絡布置示意

CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術一般采用2種傳輸制式:(1)一種為符合IEEE802.11b/g標準ISM2.4 GHz頻段的標準無線通信協(xié)議,空間傳輸?shù)男畔⒒贗P地址,無線調(diào)制方式通常采用DSSS、FHSS、OFDM以此來提高系統(tǒng)的抗干擾能力,采用的其他抗干擾措施還包括無線冗余覆蓋、編碼技術、多址技術、信號檢測技術、實時處理技術、無線鏈路預算、分級傳輸/接收等;(2)另外一種為基于IEEE802.11b/g標準ISM2.4 GHz頻段的私有協(xié)議,空間傳輸?shù)男畔⒉换贗P地址,通過對系統(tǒng)設備的物理層和MAC層進行改進,將無線信道進行特殊劃分,不同于IEEE802.11標準。無線調(diào)制方式一般采用DSSS或FHSS制式,通過增加有效傳輸時間、實時處理技術、容錯能力、無線冗余覆蓋和無線鏈路預算等技術來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術存在的問題

4.1 背景介紹

調(diào)查顯示,2012年7月以來,深圳地鐵蛇口線和環(huán)中線列車陸續(xù)因信號系統(tǒng)受干擾發(fā)生暫停故障。11月以來,由于發(fā)生次數(shù)頻繁,引發(fā)了各界對地鐵安全運行問題的普遍關注。調(diào)查的初步結論是:乘客隨身的WIFI干擾了地鐵信號系統(tǒng)的車-地通信,造成指令異常導致列車急停。

據(jù)悉,故障發(fā)生后,深圳地鐵集團在當?shù)責o線電管理局的配合下進行了故障定位測試,在排除各種可能因素后,將原因鎖定在乘客隨身攜帶的WIFI路由器(WIFI),開展了便攜式WIFI路由器打開、關閉狀態(tài)下的對比測試。測試表明:便攜式WIFI路由器打開,信號系統(tǒng)指令異常,列車急停;便攜式WIFI路由器關閉,信號系統(tǒng)正常。由此經(jīng)過故障分析確認是便攜式WIFI路由器干擾了信號系統(tǒng)。

4.2 CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無線傳輸技術干擾分析

4.2.1 無線干擾的類型

(1)按照干擾機理分類

無線干擾可以定義為影響通信的一種信號,當干擾信號進入接收機時,會影響正常的判決過程。根據(jù)其形成機理,可以分成2種類型:一種為加性干擾,一種是乘性干擾。加性干擾可以視為類噪聲源,包括來自其他相似系統(tǒng)、本系統(tǒng)內(nèi)部或者元件非線性產(chǎn)生的噪聲,主要包含同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾、碼間干擾(ISI)、遠近效應等類型;而乘性干擾是由無線系統(tǒng)中信號的反射、衍射和散射而導致的多徑效應產(chǎn)生。

(2)按干擾來源分類

系統(tǒng)外干擾:系統(tǒng)外干擾是指來自其他系統(tǒng)的干擾。例如ISM頻段存在大量無線設備,每個系統(tǒng)都可能承受來自其他系統(tǒng)的干擾。

系統(tǒng)內(nèi)干擾:系統(tǒng)內(nèi)干擾是無線通信中的另一類主要干擾,其產(chǎn)生原因是同一無線通信系統(tǒng)內(nèi),由于多個用戶要求同時通信,而又不能完全隔離彼此信號而引起的干擾。

4.2.2 2.4 GHz無線干擾分析

臨床療效：參照AB Miller WTO 《癌癥療效判定》[3]進行療效判斷：分別為完全緩解(CR)、部分緩解(PR)、穩(wěn)定(SD)以及病情進展(PD)，治療有效率為(CR+PR)/總人數(shù)×100%。跟蹤隨訪：隨訪2年，無進展生存時間指治療有效后未發(fā)展至病情進展時間。不良反應：參照美國國立癌癥研究所制定的通用藥物不良反應標準[4]，劃分為Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ 、Ⅳ、Ⅴ級，按由輕到重評定。

由于CBTC無線傳輸系統(tǒng)采用IEEE 802.11標準ISM2.4 GHz頻段的無線局域網(wǎng)工作在無線開放空間,信號傳播具有不確定因素;而且ISM頻段的頻率資源使用不需要牌照。因此其無線傳輸信道與其他采用同頻段設備的信道重疊時,信號必然會受到干擾,并以帶內(nèi)干擾為主。

目前在2.4 G頻段內(nèi)的設備主要有:Bluetooth、ZigBee、Wifi、WirelessUSB、無繩電話、微波爐等。Bluetooth的工作范圍一般在幾米到十幾米,物理層采用跳頻,跳頻范圍大,傳輸功率小,零星使用不會形成大的干擾;ZigBee(2.4 G)面向短距離、低速率、低功耗的應用,一般傳輸功率不大,也很少民用,形成干擾的可能性不大;WirelessUSB和無繩電話一般是近距離和低發(fā)射功率的應用,該類產(chǎn)品的管理不大嚴格,大功率的產(chǎn)品流入市場的可能性存在,但目前尚未發(fā)現(xiàn)大的影響。應該說,目前最主要的影響因素還是采用802.11標準系列的Wifi無線設備自身,一方面設備數(shù)量龐大,另一方面設備的發(fā)射功率還可能比較高(可至500 mW或更高)。隨著技術的發(fā)展,社會對于無線資源的利用會越來越廣泛,在公開頻段下的干擾是很難預測和回避的。

Wifi設備之間形成的干擾還可以分為非協(xié)議干擾和協(xié)議干擾。非協(xié)議干擾主要以不能識別的信號來呈現(xiàn),可通過信噪比來衡量信號干擾的強度。協(xié)議干擾則有所不同,協(xié)議規(guī)定了無線信道的訪問方式,一方占用時,另一方只能等待,與信噪比并不關聯(lián)。

CBTC車地無線傳輸系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)(PIS)為工作在在同一頻段內(nèi)的兼容性系統(tǒng),如果管理不好或者系統(tǒng)本身的性能或者質(zhì)量不好,也可能會產(chǎn)生嚴重干擾。

由于基于IEEE802.11標準的ISM2.4 GHz頻段的無線傳輸技術采用CSMA-CA機制,在同一區(qū)域內(nèi),同信道設備越多,競爭就越激烈,競爭開銷就越大,而系統(tǒng)實際可享用的傳輸帶寬就越小。具體說來,多輛列車都要與地面通信,就會爭搶信道資源,而同一時刻地面只能與一輛列車通信,其他的只能延后,這就造成系統(tǒng)內(nèi)的延時干擾。軌道線路附近其他的ISM頻段的無線網(wǎng)絡,也會對車地通信產(chǎn)生干擾。比如其他WLAN、藍牙用戶,甚至微波爐的使用,由于它們的工作頻率都有重疊,所以會對CBTC無線傳輸系統(tǒng)造成干擾導致無線通信中斷,而發(fā)生列車非預期停車的事故。

5 2.4 GHz無線傳輸技術抗干擾解決方案

(1)方案1:采用基于IEEE802.11標準的私有協(xié)議

從技術上來說,802.11協(xié)議由物理層和MAC層組成。物理層可以采用抗干擾能力強的調(diào)制解調(diào)技術(如DSSS、FHSS等),MAC層可以通過修改媒體訪問協(xié)議以提高無線信道的使用優(yōu)先級等方法來優(yōu)化2.4G的數(shù)據(jù)傳輸,可以通過增強編解碼的方式來取得額外的處理增益。也可以采用綜合的方法來提高抗干擾的能力,包括采用特殊分頻、增強系統(tǒng)容錯能力、實時傳輸能力、增加無線鏈路冗余預算等,以盡可能降低或抑制同頻內(nèi)其他設備無線干擾帶來的影響。

(2)方案2:采用專用無線頻譜和專網(wǎng)技術

第2種解決方案為城市軌道交通CBTC系統(tǒng)采用專用的無線頻譜和專網(wǎng)技術,以此來徹底解決CBTC無線干擾問題,保障列車的正常運行。

6 CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術應用的前景分析

6.1 既有無線傳輸技術的局限性

由于目前CBTC系統(tǒng)車地無線傳輸系統(tǒng)均采用2.4 GHz公用頻段,雖然可通過采用基于IEEE802.11標準的私有協(xié)議來改善或降低2.4 GHz頻段內(nèi)其他無線信號對CBTC系統(tǒng)的干擾,但僅在一定程度上“抑制”了干擾,還不能徹底規(guī)避無線干擾,因此并不能從根本上解決實際上存在的干擾問題,還需對應用在地鐵環(huán)境中其他采用ISM頻段的設備采取必要限制措施,以保證CBTC系統(tǒng)的正常運行。

6.2 未來無線傳輸技術應用分析

隨著時代的進步,科學技術的發(fā)展,人們對網(wǎng)絡需求的飛速增長,移動互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)催生了3G+Wi-Fi大規(guī)模進入地鐵,運營商Wi-Fi成為CBTC系統(tǒng)不可回避的強干擾源,使地鐵內(nèi)電磁環(huán)境限值超出CBTC系統(tǒng)安全標準,同頻干擾將不可避免,這樣會導致CBTC系統(tǒng)車地無線傳輸發(fā)生丟包、誤碼率增加、降低CBTC系統(tǒng)的抗干擾能力,導致車地無線通信中斷,從而造成非預期性停車的事故。隨著將來各種基于WiFi技術的產(chǎn)品在地鐵領域中大量的應用,使得基于IEEE802.11標準ISM2.4 GHz頻段的CBTC無線傳輸系統(tǒng)受到干擾的可能日益增加,將不能滿足CBTC系統(tǒng)正常運行的需求。

另外,將來城市軌道交通CBTC系統(tǒng)將向高速化、大密度和低成本的方向發(fā)展,這就要求車地無線傳輸系統(tǒng)具有大容量、高吞吐率、快速移動切換和多業(yè)務統(tǒng)一承載的能力,以滿足車地無線通信的更高需求。現(xiàn)有的基于2.4 GHz無線傳輸技術由于其本身的性能限制將不能滿足未來城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車地無線通信業(yè)務的需求。因此,為了保證CBTC系統(tǒng)的正常運行,避免無線傳輸系統(tǒng)受到干擾,將來的CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術將采用專用的授權頻段和專網(wǎng)技術,是CBTC系統(tǒng)日后發(fā)展的必然結果和趨勢。

7 結論

隨著無線技術的迅猛發(fā)展,越來越多采用ISM頻段的無線產(chǎn)品的應用領域會進一步擴大而變得不可控,將不可避免地增加無線彼此干擾的可能性,對傳統(tǒng)采用ISM2.4GHz頻段的CBTC車地無線通信的安全帶來越來越大的危害。因此,城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)亟待采用必要的無線抗干擾技術、合理的頻點規(guī)劃、無線設備限制使用等措施來減輕或抑制無線干擾;或采用新的無線頻譜和無線傳輸技術來徹底解決無線干擾造成的危害,這樣才能最大限度地發(fā)揮CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢,提高運營效率。

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Application Research on 2.4 GHz Wireless Transmission Technology of CBTC System used in Urban Rail Transit

DU Cheng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Communication-Based Train Control System(CBTC)with IEEE802.11 standard ISM2.4GHz opening frequency band in urban rail transit system is often interfered by WiFi signal with the same standard and same spectrum used in the outside,then the shutdown accident may be caused by this interference and the normal operation of the train will be influenced.To solve this problem,through analysis and research on wireless transmission technology adopted in CBTC system,the author points out the existing problems in wireless transmission technology and the solutions for the wireless interference, also proposes the development direction of the train-ground wireless communication technology of CBTC system used in urban rail transit system in future.

CBTC;WiFi;ISM2.4GHz;Wireless interference

U231+.7

A

1004-2954(2013)03-0129-04

2013-01-10

杜 成(1970—),男,高級工程師,2003年畢業(yè)于蘭州交通大學自動化專業(yè),工學學士,E-mail:dc3559@126.com。