再談軌道交通2.4G和5.8G頻段與Wi-Fi干擾問題

廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營事業(yè)部 魏瑞新

1.2.4G、5.8G頻段頻道分配的基本情況

2.4G頻段和5.8G頻段均屬于ISM頻段范圍，與Wi-Fi共處于一個頻段范圍內(nèi)。ISM頻段是由ITU-R(International Telecommunications Union-Radiocommunication Sectorv，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門)定義的。此頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(Industrial、Scientific、Medical)三個主要機(jī)構(gòu)使用，簡稱ISM頻段。該頻段屬于免費(fèi)使用，無需授權(quán)許可(Free License)，只需要遵守一定的發(fā)射功率，并且不要對其它頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一，表1歸納總結(jié)了與我國密切相關(guān)的ISM頻段的信道分配情況及國家相關(guān)使用政策。

2.軌道交通行業(yè)使用2.4G和5.8G頻段的情況

眾所周知，軌道交通行業(yè)內(nèi)基于通信的列車控制系統(tǒng)(列車車-地之間的通信，簡稱CBTC-Communication-Based Train Control)和乘客信息顯示系統(tǒng)(簡稱PIDS-Passenger Information Displayed System)的車-地之間通信，還有部分城市軌道交通的屏蔽門控制系統(tǒng)均使用了基于802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)車-地通信的方式是通過在地鐵線路軌旁相隔一定距離重復(fù)建設(shè)無線AP來實(shí)施。CBTC系統(tǒng)的無線AP在軌旁的間隔距離約為300-500米，PIDS系統(tǒng)的無線AP在軌旁的間隔距離約為150-200米(以使用2.4G頻段為例)。這種建設(shè)方式的優(yōu)勢是基于802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，其技術(shù)成熟度高，而采用AP接入具有成本較低、通信帶寬高、可部分使用商用設(shè)備、安裝調(diào)試方案靈活和施工時間短等優(yōu)點(diǎn)。例如：北京地鐵4號線，10號線；深圳地鐵蛇口線、環(huán)中線和龍崗線；上海地鐵6號線到11號線；廣州地鐵4、5、6號線、廣佛線和APM線等的CBTC系統(tǒng)均使用了基于2.4G頻段802.11b/g技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；廣州地鐵所有線路的PIDS系統(tǒng)、1號線的屏蔽門系統(tǒng)也使用了相同的技術(shù)。

由于5.8G頻段開放的時間比較短，而能完善支持5.8G的協(xié)議還比較少(802.11a或私有協(xié)議)，相對2.4G頻段來說，成熟的商用設(shè)備也比較少，從而導(dǎo)致應(yīng)用在軌道交通或大型工程上的案例還較少。據(jù)了解，深圳地鐵龍華線的CBTC系統(tǒng)使用了5.8G頻段。

3.地鐵列車受到干擾的原因分析

地鐵線路在建設(shè)規(guī)劃階段，已經(jīng)按照2.4G頻段的三個互不重疊的頻點(diǎn)(1、6、11)進(jìn)行了頻率規(guī)劃，不會形成本系統(tǒng)內(nèi)的相互干擾。但是，按照IEEE802.11的規(guī)定，目前市場上大部分的無線路由器，部分醫(yī)療設(shè)備(例如微波治療儀等)均工作在ISM頻段，并且以802.11b/g為標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品占了主流，而802.11b/g均工作在2.4G頻段，一旦這些設(shè)備接近地鐵線路，必然會發(fā)生頻道的重復(fù)或交叉，同頻干擾和鄰頻干擾也就必然會發(fā)生。

3.1 地下線路受到干擾的原因分析

隨著3G的發(fā)展，為了隨時隨地享受到3G無線網(wǎng)絡(luò)帶來的便利，MiFi產(chǎn)品(簡稱“個人熱點(diǎn)”，是一個便攜式寬帶無線裝置)大量上市。通過對市場的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11b/g/n，工作在2.4G頻段和5.8G頻段。就目前市場情況看，工作在2.4G頻段的產(chǎn)品占了主流，隨著今后的發(fā)展，預(yù)計(jì)5.8G的產(chǎn)品也會越來越多。由于該產(chǎn)品的便利性，使得人們可以隨時隨地將它帶入辦公室、地鐵列車、高鐵、咖啡館等一切人類可以到達(dá)的地方。一旦將它帶入地鐵列車，它使用的頻點(diǎn)與地鐵CBTC系統(tǒng)或PIDS系統(tǒng)使用的頻點(diǎn)發(fā)生重復(fù)的可能性就不可避免，其發(fā)射出的2.4GHz頻段信號可能覆蓋該頻段的所有信道，極容易對地鐵現(xiàn)有2.4GHz無線通信網(wǎng)絡(luò)造成同頻或鄰頻干擾。這就必然會形成對地鐵CBTC系統(tǒng)、PIDS系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)的干擾。對CBTC系統(tǒng)而言，會導(dǎo)致地鐵列車信號系統(tǒng)故障，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是緊急制動或停車；對PIDS系統(tǒng)來說，會表現(xiàn)出來列車無法正常顯示PIDS視頻信息，控制中心無法觀看列車內(nèi)的視頻監(jiān)控圖像；對屏蔽門系統(tǒng)而言，屏蔽門無法正常開閉。

3.2 地面線路受到干擾的原因分析

相比于地下線路，地面線路受到的干擾因素會更多，這是由于地面線路會穿越于城市中的高樓大廈之中或郊區(qū)的空曠地域中。地面線路沿線分布著許多公辦室、住宅樓、醫(yī)院、廠房等。在這些樓宇里，會有無線AP，各種家用電器、醫(yī)療設(shè)備等存在。其中，無線AP還好，由于其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)限制了其發(fā)射功率的最大值，加之不像在地下線路車廂中的MiFi那樣距離地鐵設(shè)備那么近，因此無線AP的干擾會相對較小。但是家用電器的微波爐、醫(yī)療設(shè)備(例如微波功率治療儀)的功率卻很大(最大可到100W)，其工作頻率為2.4G頻段，它們會對地鐵線路的軌旁無線設(shè)備形成較大的干擾，這已經(jīng)是被證明的事實(shí)。

3.3 5.8G頻段受到干擾的原因分析

2012年8月至11月，深圳地鐵2號線、5號線發(fā)生多列列車因無線信號干擾而緊急制動的事件，這給地鐵運(yùn)營安全帶來極大的風(fēng)險。在經(jīng)過認(rèn)真分析和總結(jié)后，國際國內(nèi)專家一致認(rèn)為，工作于2.4G頻段的無線AP、MiFi、醫(yī)療設(shè)備微波治療儀等是造成干擾的元兇。于是，許多媒體和社會人士建議地鐵建設(shè)者不要再節(jié)約那一點(diǎn)點(diǎn)頻率使用費(fèi)，應(yīng)該避開頻率擁擠的2.4G免費(fèi)頻段，轉(zhuǎn)而去使用需要付費(fèi)的5.8G頻段。那么，5.8G頻段真的干凈嗎？是否使用了5.8G付費(fèi)頻段，就可以使地鐵列車不受干擾而一勞永逸呢？

通過表1：《ISM頻段信道分配及中國國家標(biāo)準(zhǔn)一覽表》可以看出，在我國5.8G(5.725－5.850GHz)頻段有5個信道可以使用，按照【工信部無[2002]277號】文《關(guān)于使用5.8GHz頻段頻率事宜的通知》中的相關(guān)規(guī)定，該頻段是點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、高速無線局域網(wǎng)、寬帶無線接入系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備及車輛無線自動識別系統(tǒng)等無線電臺站的共用頻段，原則上用于公眾網(wǎng)無線接入通信，運(yùn)營企業(yè)只要取得相應(yīng)的基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)經(jīng)營許可即可。

表1 ISM頻段信道分配及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

由上述可見，國家對該頻段也沒有統(tǒng)一的分配，文中并沒有指定該頻段中的哪些頻點(diǎn)給軌道交通行業(yè)專用，哪些頻點(diǎn)給其它業(yè)務(wù)專用，因此各廠家之間的設(shè)備將會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的干擾，會降低系統(tǒng)的可用性。

另外，依據(jù)IEEE802.11各標(biāo)準(zhǔn)的頻段劃分可知，采用IEE802.11a和IEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品都可以工作在5.8G頻段，從目前的市場上看，各大電信運(yùn)營商為爭奪5.8G這個新的頻段均推出了不同的產(chǎn)品，中國移動利用其網(wǎng)絡(luò)無處不在的覆蓋優(yōu)勢，推出了以5.8G頻段上的WLAN技術(shù)為基礎(chǔ)的“GPRS+WLAN無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)捆綁方案”；中國聯(lián)通在博鰲亞洲論壇實(shí)現(xiàn)了3G網(wǎng)絡(luò)“HSPA+”全網(wǎng)覆蓋方案，中國電信也推出了一項(xiàng)名為“天翼通”的方案并已經(jīng)實(shí)施。

由上述可見，5.8G頻段盡管需要取得許可經(jīng)營證和付出頻率使用費(fèi)，但是，由于新頻段的產(chǎn)品具有傳輸速率快，傳輸帶寬高等的優(yōu)勢，用戶的需求會催生越來越多新產(chǎn)品的上市，例如5.8G無線網(wǎng)橋，大區(qū)域覆蓋的Wi-Fi無線基站，5.8G的數(shù)字微波設(shè)備等等。所以說，付費(fèi)的5.8G頻段并不能給地鐵的無線網(wǎng)絡(luò)帶來一片“安靜”的凈土。

4.地鐵列車避免受到干擾的建議

由上述分析可見，無論是免費(fèi)的2.4G頻段還是付費(fèi)的5.8G頻段，每個頻段內(nèi)完全不重復(fù)的頻點(diǎn)數(shù)量都是有限的。在付費(fèi)的5.8G頻段，國家又沒有統(tǒng)一分配各個行業(yè)使用的頻點(diǎn)，這兩個頻段范圍內(nèi)的產(chǎn)品會越來越豐富，各個產(chǎn)品放在一起時相互之間產(chǎn)生同頻和鄰頻干擾的可能性是非常大的，要想使得地鐵中基于IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)不受到外部和內(nèi)部的干擾，筆者認(rèn)為需要考慮以下幾方面的內(nèi)容，方可盡量減少地鐵受到干擾的可能性。

4.1 在既有的地鐵線路上引進(jìn)新的無線局域網(wǎng)設(shè)備要謹(jǐn)慎進(jìn)行

在既有的地鐵線路上，有兩種情況會遇到，一是向乘客開放3G網(wǎng)絡(luò)，這會導(dǎo)致MiFi進(jìn)入地鐵列車，前面已經(jīng)分析過，MiFi對地鐵的CBTC和PIDS系統(tǒng)使用的無線局域網(wǎng)會形成干擾，但是否會導(dǎo)致列車產(chǎn)生緊急制動，影響到乘客的安全，這要看MiFi產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)是否符合國家規(guī)范，如果遇到以增加發(fā)射功率，達(dá)到以覆蓋距離遠(yuǎn)為賣點(diǎn)的產(chǎn)品，這種可能性就會非常大。所以建議在地鐵線路內(nèi)，要謹(jǐn)慎開放電信運(yùn)營商的3G或4G網(wǎng)絡(luò)。第二種情況是地鐵內(nèi)部自建新的基于IEEE802.11/b/g/n的無線網(wǎng)絡(luò)時，必須對原有的無線局域網(wǎng)絡(luò)的頻點(diǎn)規(guī)劃非常清楚，新增加的無線網(wǎng)絡(luò)使用的頻點(diǎn)不能與原有的頻點(diǎn)重復(fù)，并且一定要做好預(yù)建頻點(diǎn)的干擾測試，以免干擾情況的發(fā)生。

4.2 呼吁國家無線電管理部門盡快出臺軌道交通行業(yè)車地通信(CBTC)系統(tǒng)的專用無線頻點(diǎn)

正如前面所分析的結(jié)果，2.4G頻段一直是免費(fèi)開放的，該頻段有13個頻點(diǎn)，其中只有三個頻點(diǎn)是互不重復(fù)的頻道。5.8G頻段也只有5個頻點(diǎn)可以使用，雖然需要付費(fèi)和取得經(jīng)營許可，但是【工信部無[2002]277號】文中并沒有指定該頻段中的哪些頻點(diǎn)給地鐵建設(shè)專用，哪些頻點(diǎn)給其它業(yè)務(wù)專用，因此，無論采用那個頻段作為軌道交通行業(yè)的CBTC系統(tǒng)或PIDS使用，同頻干擾的可能性都是存在的。因此，建議軌道交通建設(shè)部門和政府相關(guān)職能管理部門呼吁國家無線電管理部門盡快出臺軌道交通行業(yè)無線局域網(wǎng)接入系統(tǒng)的專用無線頻點(diǎn)是唯一避免地鐵列車受到干擾的簡潔途徑。

4.3 在新建地鐵線路上，需要做好頻率規(guī)劃，合理布局和規(guī)劃地鐵線路上的無線網(wǎng)絡(luò)

在國家沒有指定分配給軌道交通行業(yè)使用的專用頻點(diǎn)前，新建的地鐵線路需要做好頻率規(guī)劃，合理布局和規(guī)劃地鐵線路上的無線網(wǎng)絡(luò)，使得本系統(tǒng)之間不會產(chǎn)生干擾。

例如：在地鐵隧道中，使用1、6、11頻道做成鏈型小區(qū)，依次重復(fù)這樣的鏈型小區(qū)實(shí)現(xiàn)整個隧道區(qū)間的覆蓋。

4.4 在新建地鐵線路上，地鐵建設(shè)者應(yīng)在無線接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)選型上多下功夫，大膽創(chuàng)新

一是從技術(shù)上直接避開2.4G及5.8G這兩個擁擠的頻段，選用其它的車地?zé)o線通信接入方案。例如，鄭州地鐵采用的華為eLTE技術(shù)，具有Wi-Fi無線接入系統(tǒng)無法比擬的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了150兆帶寬的語音、圖像、數(shù)據(jù)同步通信調(diào)度系統(tǒng)，允許列車速度從80公里到200公里運(yùn)行，使得調(diào)度更具有準(zhǔn)確性、快捷性。在建設(shè)上，原來的站點(diǎn)基本上200米一個，現(xiàn)在可以支持到一到兩公里之間，降低了建設(shè)成本。二是即使采用了5.8G付費(fèi)頻段的頻點(diǎn)，也要從其協(xié)議的抗干擾技術(shù)上多加考察和試驗(yàn)，以實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的好壞作為是否采用的準(zhǔn)則。據(jù)了解，盡管目前能完善支持5.8G的協(xié)議還比較少，但是許多技術(shù)先進(jìn)的公司在5.8G頻段上，使用了自己開發(fā)的私有協(xié)議，以提高系統(tǒng)性能。某些公司的系統(tǒng)，已做到在120km/h的速度上仍能夠獲得10M以上的帶寬。

[1]謝凡,李開成.無線局域網(wǎng)在DEFD系統(tǒng)中可用性及測試方案研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2006,8:102-105.

[2]馬麗英.廣州地鐵二八號線延長線車輛乘客信息系統(tǒng)[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2009,7:23-25.

[3]蔣秋華.2005.12博士后研究報告《鐵路無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的研究》[D].北京郵電大學(xué),2005.

[4]北京交通大學(xué).北京和利時公司.基于通信的城軌CBTC系統(tǒng)的研究報告階段成果報告[R].北京和利時公司,2007.