基于無線通信的地鐵車地通信中的干擾分析

天津地鐵建設(shè)發(fā)展有限公司 韓正洲

車地?zé)o線通信是CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列車運(yùn)行控制)系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的核心是DCS(數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)) 如圖1所示，DCS主要包括：骨干網(wǎng)地面AP(Access Point無線接入點(diǎn))、車載無線設(shè)備WGB(Work Group Bridge 工作組網(wǎng)橋)[1]。其地面有線網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)工作在開放的ISM(Industrial Scientific Medical，工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，車地通信過程或多或少的會受到外界無線通信的干擾，因此分析并優(yōu)化CBTC系統(tǒng)中的無線干擾問題，對于保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及地鐵的安全運(yùn)行都具有很高的研究意義。

圖1 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)(DCS)

1.基于無線通信的CBTC系統(tǒng)中無線干擾源分析

WLAN技術(shù)在地鐵項(xiàng)目中己得到普遍應(yīng)用，如CBTC與PIS等。其最通用的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，其中包括IEEE802.11a和IEEE802.11b以及IEEE802.11g等。IEEE802.11a工作在5.8GHz頻段，其速率高達(dá)54Mbps，分頻采用OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)，但最高速率的無障礙接入距離則為30-50m；IEEE802.11b通常也被稱為Wi-Fi(Wireless-Fidelity)，工作在2.4GHz頻段，可支持最高11Mbps的共享接入速率；802.11g也采用OFDM技術(shù)，與802.11a一樣可支持最高54Mbps的速率，它工作在2.4GHz頻段[2]。2.4GHz和5.8GHz是開放的頻段，只要其AP的發(fā)射功率及帶外輻射滿足無線電管理機(jī)構(gòu)的要求，則無需提出專門的申請就可使用。

目前CBTC系統(tǒng)中廣泛使用的正是基于IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN，頻率范圍為ISM頻段2412MHZ到2484MHz，共劃分了14個(gè)信道，國內(nèi)僅使用1-11信道，每個(gè)信道的帶寬為22MHz，相鄰兩個(gè)信道的中心頻率間隔為5MHz[3]，如圖2所示。因此，不同系統(tǒng)之間爭搶免費(fèi)信道，導(dǎo)致頻率資源急缺，增加了無線信號的傳播的不確定因素，各個(gè)系統(tǒng)之間難免出現(xiàn)相互干擾的情況。CBTC 中車地?zé)o線通信系統(tǒng)部分就工作在此頻段，與其它工作在相同頻段的 WLAN 用戶都存在頻率重疊，這樣勢必將產(chǎn)生相互的干擾。

圖2 802.11無線信道的劃分

1.1 CBTC系統(tǒng)中的同頻干擾分析

同頻干擾是指有用無線電波信號與外界無線電波信號采用同一頻率，外界電波會影響接收機(jī)對有用信號的接收，從而產(chǎn)生的干擾。IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的MAC層引入了載波偵聽多路接入/碰撞避免(Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)機(jī)制來解決這一問題。由CSMA/CA的特性可以知道，當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)占用相同信道工作時(shí)，信道上一次只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，這時(shí)各個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前就需要經(jīng)歷幀間隔時(shí)間和后退時(shí)間，有可能是經(jīng)過多次的后退才能發(fā)送，這就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀的發(fā)送具有一定的延時(shí)，另外，幀傳送前雖然延遲隨機(jī)時(shí)間但還是可能發(fā)生碰撞，而當(dāng)沖撞發(fā)生又偵測不出來時(shí)，此時(shí)傳送的幀就會漏失掉，導(dǎo)致丟包[4]。比如地鐵中使用的PIS系統(tǒng)(旅客信息系統(tǒng))，它是向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)車地通信采用無線方式，無線頻段采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的2.4GHz或者5.8GHz，當(dāng)PIS和CBTC系統(tǒng)占用相同信道時(shí)，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的碰撞，CBTC工作站發(fā)送數(shù)據(jù)幀也會產(chǎn)生延時(shí)和丟包，影響了吞吐量。這就是PIS對CBTC系統(tǒng)造成同頻干擾的一個(gè)重要原因。

1.2 CBTC系統(tǒng)中的鄰道干擾分析

鄰道干擾簡言之就是相鄰信道功率落入接收機(jī)信道頻率范圍內(nèi)造成的干擾，在這種情況下，802.11系統(tǒng)的RF子系統(tǒng)(射頻系統(tǒng))與數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)可能對AP或基站的性能造成極大影響。如當(dāng)CBTC系統(tǒng)的WLAN和PIS系統(tǒng)的WLAN使用相鄰信道，或信道中心頻率間隔小于5MHz的時(shí)候會有一部分信道重疊，所以信號之間會產(chǎn)生影響，這個(gè)就是鄰道干擾對CBTC無線通信系統(tǒng)的影響[5]。信道越接近，重疊的部分越大，影響越嚴(yán)重；反之，信道越遠(yuǎn)，重疊的部分越少，影響越小。

2.CBTC系統(tǒng)中無線干擾的處理辦法

針對上述理論分析的結(jié)果結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中主要的幾種干擾來源提出了以下解決方案：

(1)加強(qiáng)對非行車用通信系統(tǒng)的建設(shè)管理

由于采用無線局域網(wǎng)技術(shù)的CBTC車地通信過程會受到其他采用相同頻段無線電波的干擾。并且如果干擾源位于列車運(yùn)行的切換處時(shí)，將對CBTC車地通信過程的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)增大。所以要加強(qiáng)對非行車用通信系統(tǒng)管理，主要是指移動、聯(lián)通等手機(jī)運(yùn)營商，應(yīng)對其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的布局進(jìn)行合理規(guī)劃，特別對在地鐵隧道空間內(nèi)的安置的可能出現(xiàn)車地漫游切換點(diǎn)附近設(shè)備，并應(yīng)禁止架設(shè)其他任何類型的通信的發(fā)射和接收設(shè)備。

(2)合理選擇無線頻段

由于CBTC無線通信系統(tǒng)采用了IEEE802.11g系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中開放的2.4GHz頻段，造成了或多或少的受到來自系統(tǒng)外的干擾，如若CBTC系統(tǒng)選用5.8GHz的頻段的傳輸數(shù)據(jù)速率不僅較2.4GHz的頻段快，而且可用的資源較多，僅僅是需要向國家無線電管理委員會申請有償使用?？紤]到CBTC中車地?zé)o線通信系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)少，占用無線帶寬資源較少，但安全等級高，有理由投資部分成本使其應(yīng)用5.8GHz頻段，這樣可以最大程度地解決干擾問題，保證地鐵的行車安全。如若因?yàn)槟承┨囟ㄔ駽BTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)必須使用IEEE802.11g系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中開放的2.4GHz頻段，可以建議其它使用同頻段的地鐵通信系統(tǒng)如PIS系統(tǒng)改為使用5.8GHz的頻段。

(3)提高有用信號發(fā)射頻率或降低干擾信號發(fā)射頻率

在干擾源與CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)所采用信道間隔相同，即信道重疊部分相同的條件下，CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)受干擾的影響取決于信號發(fā)射功率。當(dāng)有用信號發(fā)射功率提高時(shí)，干擾的影響逐漸減小；反之，當(dāng)干擾發(fā)射功率提高時(shí)，干擾的影響逐漸增大，所以首先應(yīng)在確保地鐵乘客手機(jī)通話質(zhì)量的前提下，降低各手機(jī)運(yùn)營商信源的發(fā)射功率。以及在保證地鐵運(yùn)行安全的前提下降低其它相同頻段通信系統(tǒng)的發(fā)射功率，來盡可能的減少干擾的影響?；蛘逤BTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)應(yīng)該在2.4GHz頻段允許的范圍內(nèi)，提高AP天線的發(fā)射功率。地鐵中的PIS系統(tǒng)也采用2.4GHz，并且不間斷地向旅客提供列車到達(dá)預(yù)告、換乘車次等與乘車有關(guān)的信息，對CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)來說，PIS屬于車載干擾。車載干擾的影響是比較嚴(yán)重的，提高CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)信號設(shè)備的發(fā)射功率可以有效地克服這一問題。另外，采用AP定向天線、降低接收機(jī)靈敏度等方法，都可達(dá)到增強(qiáng)有用信號、減弱干擾信號的效果，從而提高了信噪比，最終實(shí)現(xiàn)抗干擾的目的。

(4)其它建議

在優(yōu)化頻段和提高發(fā)射功率的基礎(chǔ)上還可以通過AP的冗余部署來防止系統(tǒng)的性能下降，提高傳輸?shù)男旁氡?。任何軌旁AP故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。為避免AP故障引發(fā)系統(tǒng)性能降級，軌旁AP的部署間距可以考慮設(shè)計(jì)小于AP的覆蓋半徑，這樣即使單個(gè)AP(X)出現(xiàn)故障，相鄰2個(gè)AP(X-1)和AP(X+1)的信號依然能覆蓋到AP(X)的空缺范圍，保障無線信號連續(xù)不中斷。

3.總結(jié)

車地?zé)o線通信傳輸?shù)目垢蓴_措施還很多，以上只是對其中的一些主要方面進(jìn)行了闡述，具體在各個(gè)城市的軌道交通建設(shè)中，各個(gè)系統(tǒng)由于構(gòu)成不同所采用的方法可能都不盡相同但作為抗干擾技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，此項(xiàng)研究會一直繼續(xù)下去，并且在不斷地提出新的抗干擾措施。未來除了集中在頻率的規(guī)劃干擾的主動避讓以及軟件更新上，將大力研究發(fā)展在硬件上的器件抗干擾技術(shù)?？傊踩珕栴}永遠(yuǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)不可忽視的技術(shù)難點(diǎn)，也是地鐵安全所要考慮的重大問題之一。

[1]郜春海.基于通信的軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2007:8-10.

[2]黃柏寧,戎蒙恬,劉濤.CBTC無線信道規(guī)劃中信道間干擾因子的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,25(45):228-230.

[3]魏克軍,趙洋,侯自強(qiáng).基于IEEE802.11協(xié)議的WLAN無線資源管理淺析[J].電信科學(xué),2006(8).

[4]步兵.CBTC系統(tǒng)中無線通信的可用性分析[D].北京:北京交通大學(xué),2001.

[5]孫慧,李宇東,顧晏齊.基于無線通信的列車控制系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案探討[J].城市軌道交通研究,2010(8):113.