淺析地鐵CBTC無線系統(tǒng)受Wi-Fi干擾帶來的啟示

李 偉，楊 淼，戴慧玲

（國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處，北京 100037）

淺析地鐵CBTC無線系統(tǒng)受Wi-Fi干擾帶來的啟示

李 偉，楊 淼，戴慧玲

（國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處，北京 100037）

在分析地鐵CBTC無線系統(tǒng)受Wi-Fi干擾事件的基礎(chǔ)上，本文簡要介紹了CBTC無線系統(tǒng)中常用的車-地?zé)o線通信傳輸方式、調(diào)制方式，以及我國對(duì)2.4GHz頻段的管理要求。最后，從無線電管理角度，深入分析得出此干擾事件的實(shí)質(zhì)就是無線電磁兼容的問題，無線電磁兼容分析的基礎(chǔ)就是無線電頻譜資源時(shí)間、空間和頻率這三要素，從而啟發(fā)我們要充分理解這三要素及它們之間的相互制約關(guān)系。

CBTC無線系統(tǒng)；頻譜資源三要素；Wi-Fi；無線干擾；2.4GHz

1 引言

2012年11月，深圳地鐵蛇口線、環(huán)中線多趟列車在運(yùn)行途中突然緊急停駛，每次暫停時(shí)間為一到兩分鐘，造成大量乘客被迫換乘數(shù)次，并滯留于沿線車站。由于類似事件發(fā)生次數(shù)頻繁，引發(fā)了公眾對(duì)軌道交通安全的擔(dān)憂。深圳地鐵集團(tuán)初步斷定故障為乘客隨身攜帶的Wi-Fi路由器干擾了地鐵信號(hào)系統(tǒng)，造成信號(hào)指令異常導(dǎo)致列車急停。

鳳凰網(wǎng)、新浪網(wǎng)、南方都市報(bào)等各大門戶網(wǎng)站及多家媒體對(duì)此事進(jìn)行了轉(zhuǎn)載或報(bào)道，Wi-Fi逼停深圳地鐵事件一時(shí)引起市民議論紛紛，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。2012年11月9日，深圳地鐵集團(tuán)通過深圳新聞網(wǎng)就深圳地鐵停運(yùn)發(fā)布通告，對(duì)因列車緊急制動(dòng)帶來的影響致歉。同時(shí)，深圳地鐵集團(tuán)立即成立了調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組、專家組和檢測工作組，對(duì)故障產(chǎn)生原因進(jìn)行全面排查、檢測和分析。為了方便開展故障排查測試工作，2012年11月15和16日，深圳地鐵集團(tuán)分別通過運(yùn)營商短信和官方微博發(fā)布通知臨時(shí)關(guān)停蛇口線和環(huán)中線手機(jī)3G信號(hào)。

2 MiFi“頭號(hào)嫌疑犯”

地鐵事故發(fā)生后，深圳地鐵集團(tuán)在當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理局的幫助下進(jìn)行了故障定位測試。在排除各種可能因素后，深圳地鐵集團(tuán)最終將原因鎖定在乘客隨身攜帶的Wi-Fi路由器（MiFi）上，并開展了便攜式Wi-Fi路由器打開、關(guān)閉狀態(tài)下的對(duì)比測試。測試表明：便攜式Wi-Fi路由器打開，地鐵信號(hào)系統(tǒng)指令異常，列車緊急制動(dòng)；便攜式Wi-Fi路由器關(guān)閉，地鐵信號(hào)系統(tǒng)指令正常，列車平穩(wěn)行駛。由此，深圳地鐵集團(tuán)認(rèn)為是乘客所使用的便攜式Wi-Fi路由器干擾了地鐵信號(hào)系統(tǒng)。

在2G時(shí)代，Wi-Fi路由器連接在室內(nèi)的ADSL或小區(qū)寬帶，將有線信號(hào)轉(zhuǎn)化為無線信號(hào)。如今的便攜式Wi-Fi路由器（MiFi）是公眾移動(dòng)通信寬帶化發(fā)展的產(chǎn)物。MiFi是一個(gè)便攜式寬帶無線裝置，大小相當(dāng)于一只手機(jī)，集調(diào)制解調(diào)器、路由器和接入點(diǎn)三者功能于一身。內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器可接入一個(gè)無線信號(hào)，內(nèi)部路由器可在多個(gè)用戶和無線設(shè)備間共享這一連接[1]。這類便攜式Wi-Fi路由器主要用于將3G信號(hào)轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號(hào)供無線終端使用，其采用的無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和無線數(shù)據(jù)傳輸頻段與地鐵信號(hào)系統(tǒng)都完全相同，分別為IEEE802.11無線協(xié)議以及公眾免費(fèi)頻段2.4GHz。

3 地鐵CBTC無線系統(tǒng)

據(jù)深圳地鐵集團(tuán)技術(shù)人員介紹，蛇口線、環(huán)中線、龍崗線三條線路的地鐵信號(hào)系統(tǒng)全部使用CBTC（Communication Based Train Control）系統(tǒng)，它是以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)，是當(dāng)前主流的地鐵信號(hào)系統(tǒng)[2]。

目前，CBTC系統(tǒng)普遍采用基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz頻段的無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)，其所使用2.4GHz頻段的頻率范圍為2.4GHz-2.4835GHz，該頻段以無線局域網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用為主，各類應(yīng)用和用戶大量集中，潛在的無線干擾普遍存在[3]。列控系統(tǒng)通過骨干網(wǎng)發(fā)送和接收信息，骨干網(wǎng)與沿軌道分布的接入點(diǎn)（AP）連接。AP通過定向天線（或泄漏電纜、裂縫波導(dǎo)管），車載天線等無線傳輸介質(zhì)建立車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備與車載設(shè)備雙向、實(shí)時(shí)的信息交互，完成對(duì)列車連續(xù)控制[4]。

深圳受干擾的蛇口線和環(huán)中線采用了定向天線實(shí)現(xiàn)與車載天線之間的通信。采用定向天線有如下特性：信號(hào)傳輸方式為自由空間傳播，衰耗相對(duì)較大并且要考慮不同電磁環(huán)境下的防干擾問題；實(shí)現(xiàn)空間的重疊覆蓋，單個(gè)接入設(shè)備故障不影響系統(tǒng)的正常工作；軌旁設(shè)備少，且安裝與鋼軌無關(guān)，安裝和維護(hù)比較簡便[5]。

CBTC無線系統(tǒng)調(diào)制方式主要有三種：跳頻擴(kuò)頻方式（FHSS）、直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、OFDM（正交頻分復(fù)用）[6]。FHSS抗干擾能力較強(qiáng)，隱蔽性好；DSSS具有較強(qiáng)的保密性、抗多徑衰落以及抗窄帶干擾能力；OFDM抗碼間干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸能力較強(qiáng)。深圳受干擾的蛇口線和環(huán)中線采用是抗干擾能力最差的調(diào)制方式OFDM。

4 國家對(duì)2.4GHz頻段的管理要求

我國關(guān)于2.4GHz頻段管理規(guī)定主要包括兩個(gè)文件：一個(gè)是《關(guān)于調(diào)整2.4GHz頻段發(fā)射功率限值及有關(guān)問題的通知》（信部無[2002]353號(hào)）[7]，另一個(gè)是《微功率（短距離）無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定》（信部[1998]178號(hào)）[8]。2.4GHz頻段為不受保護(hù)的免執(zhí)照頻段，依據(jù)國際通行做法和我國無線電管理規(guī)定，符合發(fā)射功率限制等技術(shù)要求的各類無線電通信設(shè)備及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療等非無線通信設(shè)備均可使用。便攜式Wi-Fi路由器使用該頻段頻率是合法的，使用該頻段頻率的地鐵CBTC無線系統(tǒng)如果符合國家型號(hào)核準(zhǔn)及其他相關(guān)要求也是合法的。

而對(duì)于如何處理使用2.4GHz頻段合法無線電臺(tái)之間的干擾問題，文件《關(guān)于調(diào)整2.4GHz頻段發(fā)射功率限值及有關(guān)問題的通知》規(guī)定：“在該頻段內(nèi)的無線電臺(tái)站之間產(chǎn)生干擾，原則上不受保護(hù)，應(yīng)自行解決或協(xié)商解決。為便于協(xié)調(diào)而需查找干擾源，可請(qǐng)當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理機(jī)構(gòu)協(xié)助查找”。

因此，根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，在該頻段內(nèi)的無線電臺(tái)站之間產(chǎn)生干擾，原則上不受保護(hù)，應(yīng)由被干擾方自行解決或雙方協(xié)商解決。

5 地鐵干擾事件的啟示

地鐵CBTC無線系統(tǒng)被便攜式Wi-Fi路由器干擾的原因是多方面的，發(fā)生此干擾問題的實(shí)質(zhì)就是無線電磁兼容的問題，無線電磁兼容分析的基礎(chǔ)就是無線電頻譜資源的三要素（時(shí)間、空間和頻率）。要解決無線電磁兼容問題，就必須充分理解三要素及它們之間的相互制約關(guān)系。

5.1 無線電頻譜資源三要素的理解

無線電頻譜資源的三要素為：時(shí)間、空間、頻率。在同一地域，要使得工作在相同頻率的無線電通信業(yè)務(wù)或系統(tǒng)相互不產(chǎn)生干擾，可以通過時(shí)間隔離實(shí)現(xiàn)，即它們?cè)诓煌瑫r(shí)間段工作。在同一時(shí)間，要使得工作在相同頻率的無線電通信業(yè)務(wù)或系統(tǒng)相互不產(chǎn)生干擾，可以通過空間隔離實(shí)現(xiàn)，即它們?cè)诓煌乩韰^(qū)域工作。在同一時(shí)間、同一地域，要使得無線電通信業(yè)務(wù)或系統(tǒng)相互不產(chǎn)生干擾，可以通過頻率隔離實(shí)現(xiàn)，即它們?cè)诓煌l率段工作。

一般而言，無線電通信業(yè)務(wù)或系統(tǒng)，在相同的時(shí)間、相同的地點(diǎn)工作在同一頻率上，勢必會(huì)相互干擾。然而，我們需要通過無線電頻譜資源的第四維特性（技術(shù)手段），解決無線電通信業(yè)務(wù)或系統(tǒng)之間的干擾問題。比如碼域，CDMA系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼分技術(shù)，通過擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)同時(shí)同地同頻用戶的隔離；功率域，通過功率控制或功率分配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同無線電通信業(yè)務(wù)或系統(tǒng)的同時(shí)同地同頻共存，UWB系統(tǒng)和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)就是一個(gè)典型的例子。

5.2 無線電頻譜資源三要素的重要意義

無線電頻譜資源的三要素，也就是通常所說的電磁環(huán)境，它們構(gòu)成了無線電磁兼容分析的基礎(chǔ)。地鐵CBTC無線系統(tǒng)與Wi-Fi之間的干擾問題，實(shí)質(zhì)上就是系統(tǒng)兼容共存的邊界條件被打破，即原本完美的空間隔離“堡壘”因MiFi的出現(xiàn)而被無情地摧毀。

5.2.1 空間隔離完美解決系統(tǒng)間干擾問題

在2G公眾移動(dòng)通信時(shí)代，基于IEEE 802.11協(xié)議的Wi-Fi技術(shù)十分成熟，廣泛應(yīng)用于大型商業(yè)中心、辦公區(qū)以及家庭環(huán)境等場所中，克服了有線網(wǎng)絡(luò)的弊端，解決了無線寬帶接入“最后一公里”的問題，實(shí)現(xiàn)了將個(gè)人電腦、手持終端（如PAD、手機(jī)）等設(shè)備以無線的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中。然而，各類無線終端的信號(hào)是由有線網(wǎng)絡(luò)提供，比如ADSL、小區(qū)寬帶等。無線終端通過無線接入點(diǎn)（AP）連接到有線網(wǎng)絡(luò)，簡單來說AP就是無線終端設(shè)備共享上網(wǎng)的無線交換機(jī)，它是移動(dòng)終端用戶進(jìn)入有線網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)。因此，要通過AP實(shí)現(xiàn)無線接入，就必須部署有線網(wǎng)絡(luò)到企業(yè)、家庭內(nèi)部。

當(dāng)時(shí)，CBTC無線系統(tǒng)以國內(nèi)外通行的2.4GHz頻段進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，雖然與Wi-Fi使用的頻率一致。但是，一方面2G公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)屬窄帶系統(tǒng)，不能支持移動(dòng)AP節(jié)點(diǎn)，也就沒有MiFi這種無線設(shè)備的出現(xiàn)。另一方面，地鐵運(yùn)營部門根本不會(huì)考慮在地鐵空間內(nèi)部署有線網(wǎng)絡(luò)，安裝AP節(jié)點(diǎn)，為乘客提供無線服務(wù)。因此，CBTC無線系統(tǒng)完全不會(huì)遭受Wi-Fi信號(hào)的干擾，即：從空間上對(duì)Wi-Fi和CBTC無線系統(tǒng)進(jìn)行隔離，那么Wi-Fi和CBTC系統(tǒng)在同一時(shí)間可以互不干擾地使用開放的2.4GHz頻段。此外，城市地鐵隧道基坑深度一般為15米至30米，在如此深的地下封閉環(huán)境，隔絕了自由空間存在的諸多無線電干擾，使地鐵的電磁環(huán)境基本可知可控，幾乎不存在其他無線電系統(tǒng)的干擾，即使在地鐵中可能有與Wi-Fi共用頻率的少量藍(lán)牙設(shè)備，但因出現(xiàn)幾率低以及符合微功率限值，尚不能構(gòu)成較大的干擾。

5.2.2 空間隔離被無情打破

斗轉(zhuǎn)星移，隨著公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，公眾移動(dòng)通信逐步走向?qū)拵Щ?，無線移動(dòng)終端逐步走向智能化。3G，4G新型寬帶移動(dòng)通信技術(shù)相繼誕生，基于IOS系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)、Android系統(tǒng)的智能終端完全占領(lǐng)了手機(jī)市場，類似平板電腦、藍(lán)牙、ZigBee等各式各樣具有Wi-Fi功能的無線移動(dòng)設(shè)備廣泛被公眾接受，正大規(guī)模使用。隨之，出現(xiàn)一種新的無線終端接入網(wǎng)絡(luò)方式。即：無線終端通過MiFi直接接入到公眾陸地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。這樣，現(xiàn)在的無線終端通過AP不僅能接入到有線網(wǎng)絡(luò)，還能接入到3G、4G網(wǎng)絡(luò)之中。

MiFi便捷攜帶的特性，正好契合人們隨時(shí)隨地能上網(wǎng)的需求。尤其是長時(shí)間乘坐公共交通，靠上網(wǎng)聊天看視頻等娛樂打發(fā)時(shí)間。因此，大量MiFi設(shè)備被廣大市民帶入地鐵里。此時(shí)，運(yùn)營商的Wi-Fi和地鐵CBTC無線系統(tǒng)工作在相同時(shí)間、相同地點(diǎn)、相同頻率，運(yùn)營商的Wi-Fi不言而喻地成為了CBTC無線系統(tǒng)不可回避的強(qiáng)干擾源，使地鐵內(nèi)電磁環(huán)境限值超出了CBTC系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)。

地鐵中的Wi-Fi干擾可分為同頻干擾和鄰頻干擾。這兩類干擾會(huì)導(dǎo)致CBTC無線系統(tǒng)的信號(hào)丟包、誤碼率增加、降低CBTC無線系統(tǒng)的抗干擾能力，從而引發(fā)地鐵列車控制故障。所以，探究深圳地鐵發(fā)生列車暫停故障事件的深層原因是，地鐵空間的電磁環(huán)境超出了當(dāng)初CBTC無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)環(huán)境的安全限值，而且電磁環(huán)境隨著乘客使用便攜式Wi-Fi路由器功率的大小以及頻繁程度而隨機(jī)變化。可以說，目前地鐵CBTC無線系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)日益增高。

5.2.3 再次實(shí)現(xiàn)空間隔離

地鐵被Wi-Fi逼停的事件，可以說是公眾移動(dòng)通信高速發(fā)展帶來的新問題。AP接入有線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到AP可以接入無線網(wǎng)絡(luò)，引發(fā)原本在空間隔離的Wi-Fi和地鐵CBTC無線系統(tǒng)，又回到了同一空間區(qū)域，干擾必將發(fā)生。如何降低干擾確保Wi-Fi和地鐵CBTC無線系統(tǒng)共存，出發(fā)點(diǎn)還是以無線電頻譜資源的三個(gè)基本要素為總指導(dǎo)原則。

在頻率使用上，2.4GHz是非牌照頻段，符合發(fā)射功率限制等技術(shù)要求的各類無線電通信設(shè)備及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療等非無線通信設(shè)備均可使用。便攜式Wi-Fi路由器和地鐵CBTC無線系統(tǒng)使用該頻段頻率都是合法的。此外，對(duì)于已建好的系統(tǒng)，更換頻率需要付出沉重的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，臨時(shí)更換頻率這條路走不通。在時(shí)間使用上，乘客Wi-Fi和地鐵CBTC無線系統(tǒng)同時(shí)工作，限制市民在地鐵上使用MiFi也是不太現(xiàn)實(shí)的。

因此，解鈴還須系鈴人，解決Wi-Fi對(duì)地鐵CBTC無線系統(tǒng)干擾問題還是得從空間的維度考慮，即又回到空間隔離上，從源頭解決干擾問題。由于車廂頂部兩側(cè)、車窗位置區(qū)域干擾信號(hào)泄露功率較大，因此將車載天線部署于車頭正前方，實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)與有用信號(hào)空間上的隔離，減小干擾源的影響。

此外，根據(jù)無線電頻譜資源的第四維特性，我們通過技術(shù)手段解決地鐵CBTC無線系統(tǒng)遭受Wi-Fi干擾的問題。在調(diào)制方式方面，采用OFDM技術(shù)存在較大的干擾隱患，跳擴(kuò)頻技術(shù)由于具有較高的擴(kuò)頻增益，在抗干擾性上具有明顯的優(yōu)勢，我們可采用跳擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)。

6 結(jié)束語

地鐵CBTC無線系統(tǒng)被Wi-Fi信號(hào)干擾，造成列車緊急制動(dòng)。造成該事件發(fā)生的原因是多方面的，它們之間的干擾問題，除了均采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz公用頻段外，從無線電管理的角度看，實(shí)質(zhì)上就是系統(tǒng)兼容共存的邊界條件被打破，即原本的空間隔離不復(fù)存在。通過此事告訴我們，不管電磁環(huán)境多么復(fù)雜，解決干擾問題（電磁兼容問題）的根本還是從無線電頻譜資源三要素（時(shí)間、空間、頻率）出發(fā)，充分理解三要素及相互關(guān)系。

[1] Citing Song, Bingjun Han, Hai Yu, et al., Study On Coexistence and Anti-Interference Solution For Subway CBTC System and MIFI Devices, Proceedings of IEEE IC-BNMT, 174-180, 2013.

[2] 鄭瑩．基于無線通信的CBTC研究綜述[J]．通信技術(shù)，2011,4(12):137-141.

[3] 蔡昌?。鞘熊壍澜煌–BTC系統(tǒng)無線同頻干擾應(yīng)對(duì)策略[J]．鐵路通信信號(hào)，2013, 49(7):74-76.

[4] 劉曉娟．城市軌道交通CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]．蘭州交通大學(xué)，2009.

[5] 楊安玉．地鐵CBTC無線通信傳輸方式的工程應(yīng)用[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)（RSCE)，2012, 9(4):51-53.

[6] 杜成．城市軌道交通CBTC系統(tǒng)2.4GHz無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用研究[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013, 3(5):129-133.

[7] 信息產(chǎn)業(yè)部．關(guān)于調(diào)整2.4GHz頻段發(fā)射功率限值及有關(guān)問題的通知[EB/OL], http://www.srrc.org.cn/NewsShow1363.aspx,2002-08-23.

[8] 信息產(chǎn)業(yè)部, 微功率（短距離）無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定[EB/OL], http://wxd.shaanxi.gov.cn/flfg/glgd6.htm,1998-5.

An Analysis of the Enlightenment from CBTC Wireless System in Urban Subway Interfered by Wi-Fi

Li Wei, Yang Sen, Dai Huiling
(Spectrum Management Research Division, The State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

Based on comprehensive analyzing the event of CBTC Wireless System in Urban Subway Interfered by Wi-Fi, train-wayside wireless communication transmission modes, modulation mode, and national regulatory requirements for the 2.4GHz band are introduced. Finally, from radio regulation aspect, the essence of this interference event is wireless electromagnetic compatibility problem. The basis of wireless electromagnetic compatibility analysis is three elements of radio spectrum resources, time, space and frequency, so as to inspire us to fully understand three elements, and the mutual restriction relation between them.

CBTC wireless system; three elements of spectrum resource; Wi-Fi; wireless interference; 2.4GHz

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.08.016

TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2014）08-0060-04

李 偉，男，博士，湖北人，工程師，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)。