廣州地鐵引入通用移動(dòng)通信的干擾測(cè)試研究

劉軍

廣州地鐵引入通用移動(dòng)通信的干擾測(cè)試研究

劉軍

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，510710，廣州//工程師）

城市軌道交通引入通用移動(dòng)通信3G/4G信號(hào)是大勢(shì)所趨。為此，探討了地鐵線路引入通用3G/4G信號(hào)后可能會(huì)造成信號(hào)干擾等問題，并對(duì)廣州地鐵現(xiàn)有通信設(shè)備進(jìn)行了干擾測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，提出了相應(yīng)的抗干擾措施建議，以避免移動(dòng)通信信號(hào)對(duì)地鐵運(yùn)行造成干擾。

地鐵；3G/4G信號(hào)；信道搶占干擾；同頻干擾

Author′s addressGuangzhou Metro Group Co.，Ltd.，510710，Guangzhou，China

在城市軌道交通建設(shè)中，通用移動(dòng)通信定義為除專業(yè)通信外的、服務(wù)于乘客的、商業(yè)性質(zhì)的各種民用通信，主要包括3G/4G信號(hào)、車站W(wǎng)LAN、iBeacon藍(lán)牙等通信。

3G/4G信號(hào)是第三代/第四代移動(dòng)通信技術(shù)，是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)，能同時(shí)高速傳送語音及數(shù)據(jù)信息。目前，3G/4G技術(shù)已經(jīng)成熟，地鐵乘客希望隨時(shí)隨地享受3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)帶來的便利。在日益增長(zhǎng)的移動(dòng)業(yè)務(wù)市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，城市軌道交通與通用3G/4G設(shè)備設(shè)施一起建設(shè)是大勢(shì)所趨。本文主要探討地鐵線路引入3G/4G信號(hào)后的相關(guān)問題。

1 信號(hào)干擾及其原因

1.1 信道搶占

信道搶占干擾主要發(fā)生在使用了無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11協(xié)議的設(shè)備之間，如乘客的便攜式WLAN設(shè)備和基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)及乘各信息顯示系統(tǒng)（PIDS）之間的干擾。

目前，國際上絕大部分的用戶終端（如手機(jī)、筆記本電腦等）WiFi端口支持2.4 GHz頻段，少部分用戶終端支持2.4 GHz頻段和5.8 GHz頻段（如蘋果手機(jī)）。802.11b、802.11g、802.11n協(xié)議規(guī)定的工作頻段在2.4 GHz（2.410～2.483 GHz），并劃分為14個(gè)子頻道，相互不產(chǎn)生干擾的信道只有3個(gè)（見圖1）。在同一個(gè)區(qū)間或蜂窩內(nèi)可以部署的信道數(shù)量不能大于3個(gè)，否則將相互干擾。

圖1 802.11協(xié)議中2.4 GHz工作頻段信道配置

當(dāng)多個(gè)天線訪問接入點(diǎn)（AP）選擇某個(gè)相同信道傳輸信號(hào)時(shí)，彼此發(fā)送報(bào)文時(shí)極易產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致空口丟包率上升、傳輸質(zhì)量下降。為避免碰撞，802.11協(xié)議定義了帶有避免沖突的載波偵聽多路訪問協(xié)議。

WLAN無線設(shè)備是對(duì)等的，且所有站點(diǎn)共享信道，為通信需要競(jìng)爭(zhēng)信道。一旦WLAN無線設(shè)備檢測(cè)到信道內(nèi)有其他信號(hào)發(fā)送，就會(huì)隨機(jī)延遲，避免碰撞。當(dāng)有多臺(tái)設(shè)備工作在同一個(gè)基本服務(wù)集內(nèi)，信道繁忙概率提升，發(fā)送端退避時(shí)間增大，帶寬利用率下降，導(dǎo)致通信性能下降，甚至通信中斷。

1.2 同頻干擾

同頻干擾主要產(chǎn)生于使用了相同的通信信道和不同的通信協(xié)議的設(shè)備之間，如乘客使用的便攜式WLAN設(shè)備和軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)之間。因此，廣州地鐵引入3G/4G信號(hào)后，可能發(fā)生的干擾組合主要有4種（如表1所示）。

表1 廣州地鐵通信干擾組合列表

在沒有信道沖突避讓機(jī)制的設(shè)備之間，如使用了相同的無線信道，其信號(hào)載頻相同，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，會(huì)影響無線通信設(shè)備正常接收，導(dǎo)致系統(tǒng)通信性能降低。

2 干擾測(cè)試

針對(duì)便攜式WLAN設(shè)備（MiFi），對(duì)廣州地鐵5號(hào)線CBTC系統(tǒng)在引入3G/4G信號(hào)后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為夜間非運(yùn)營時(shí)段。

2.1 測(cè)試項(xiàng)目

采用頻譜儀測(cè)量專用通信系統(tǒng)的頻譜。測(cè)試組分為2組，測(cè)試組1負(fù)責(zé)使用頻譜儀進(jìn)行掃頻測(cè)試，測(cè)試組2使用便攜式WLAN設(shè)備（MiFi）和3G/4G手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)下載測(cè)試。分兩種測(cè)試情景對(duì)CBTC系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

（1）測(cè)試情景一：3G/4G網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉，MiFi設(shè)備關(guān)閉。列車運(yùn)行時(shí)測(cè)試組1在車頭對(duì)2.4～2.5 GHz和300～900 MHz進(jìn)行掃頻，收集底噪數(shù)據(jù)并記錄；地鐵信號(hào)專業(yè)人員記錄CBTC/PIDS相關(guān)指標(biāo)。

（2）測(cè)試情景二：3G/4G系統(tǒng)開啟，MiFi設(shè)備開啟。列車運(yùn)行時(shí)測(cè)試組1在車頭對(duì)2.4～2.5 GHz和300～900 MHz進(jìn)行掃頻，收集數(shù)據(jù)。測(cè)試組2利用開啟的MiFi設(shè)備在車頭乘客區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作（如瀏覽視頻、下載大容量文件）。

列車運(yùn)行第1圈時(shí)，同時(shí)開啟3家運(yùn)營商（各20臺(tái)）共60臺(tái)MiFi設(shè)備，測(cè)試對(duì)CBTC信號(hào)的影響，并記錄測(cè)試結(jié)果。列車運(yùn)行第2、3圈時(shí)，同時(shí)開啟三家運(yùn)營商（各10臺(tái)）共30臺(tái)MiFi設(shè)備，測(cè)試對(duì)CBTC信號(hào)的影響，并記錄測(cè)試結(jié)果。

2.2 測(cè)試結(jié)果

取列車運(yùn)行中（車陂南站—珠江新城站往返）的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中60臺(tái)MiFi設(shè)備集中在車頭的測(cè)試情況如圖2所示。

根據(jù)圖2所示測(cè)試數(shù)據(jù)，在3G/4G系統(tǒng)開啟、便攜WLAN設(shè)備未開啟狀態(tài)下，廣州地鐵5號(hào)線站臺(tái)區(qū)域CBTC系統(tǒng)的底噪都基本保持在-103 dBm左右。在3G/4G系統(tǒng)開啟、便攜WLAN設(shè)備開啟狀態(tài)下，最強(qiáng)干擾電平為-83 dBm左右，此時(shí)屏蔽門開關(guān)正常，沒有造成意外制動(dòng)或逼停。

圖2 列車運(yùn)行中信號(hào)干擾測(cè)試掃頻結(jié)果

對(duì)地鐵范圍內(nèi)其他專用設(shè)備頻段進(jìn)行掃頻，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在300～900 MHz內(nèi)掃到的信號(hào)，分別落在359、865兩個(gè)頻點(diǎn)帶寬內(nèi)。該信號(hào)為廣州地鐵5號(hào)線公安警用無線通信系統(tǒng)及專用無線通信系統(tǒng)頻點(diǎn)，其在3G/4G系統(tǒng)關(guān)閉與激活狀態(tài)下均處于正常的波動(dòng)范圍內(nèi)，在非CBTC系統(tǒng)使用的頻點(diǎn)帶寬內(nèi)，信號(hào)底噪沒有增加。由此可見，引入的3G/4G信號(hào)沒有雜散干擾信號(hào)落入300～900 MHz頻段內(nèi)，即3G/4G信號(hào)引入滿足300～900 MHz頻段內(nèi)信號(hào)隔離度要求，其所處頻段的信號(hào)不會(huì)對(duì)其他信號(hào)造成明顯的干擾。

圖3 車陂南站—珠江新城站各站臺(tái)300～900 MHz掃頻圖

3 抗干擾措施建議

就廣州地鐵現(xiàn)階段頻點(diǎn)分布而言，為減少地鐵受到信號(hào)干擾，新頻段引入需要考慮以下幾點(diǎn)。

（1）在既有地鐵線路上制定通信防護(hù)方案。為了降低3G/4G信號(hào)引入后對(duì)既有通信設(shè)備的干擾，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，對(duì)干擾源、干擾機(jī)制進(jìn)行定位和評(píng)估。制定降低干擾強(qiáng)度的措施，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證實(shí)施效果。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無線環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)現(xiàn)有的無線系統(tǒng)（含新增的3G/4G信號(hào)）進(jìn)行檢測(cè)定標(biāo)，作為日常維護(hù)的監(jiān)測(cè)依據(jù)，防止新增干擾源使無線環(huán)境惡化。通信防護(hù)措施包括：①現(xiàn)場(chǎng)清頻，對(duì)所有的無線信號(hào)（含3G/4G信號(hào)）進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)是否含有雜散影響；②壓制干擾源，在合適地點(diǎn)（如車廂、站臺(tái)）部署專用的壓制設(shè)備。

（2）實(shí)施干擾隔離工作。為保證地鐵各通信系統(tǒng)之間相互不干擾，各個(gè)系統(tǒng)之間必須存在一定的隔離度。新頻段引入時(shí)，需在工程設(shè)計(jì)階段作好各設(shè)備之間干擾分析工作，計(jì)算各關(guān)鍵設(shè)備規(guī)避干擾的隔離度?？刹扇∨c天線保持一定距離（空間隔離法）或者在天線之間增加隔離物（硬件隔離法）等，通過對(duì)車廂、站臺(tái)等干擾源密集區(qū)域和設(shè)備工作區(qū)域（司機(jī)室、隧道等）的屏蔽隔離，降低干擾信號(hào)的強(qiáng)度。

（3）使用付費(fèi)專用頻點(diǎn)。工信部已經(jīng)規(guī)定在城市軌道交通中采用1.8 GHz頻段，該頻段多為運(yùn)營商手機(jī)信號(hào)使用，且與既有2.4 GHz頻段保持足夠隔離度。2.4 GHz頻段屬于免費(fèi)開放的，眾多設(shè)備使用該頻段，且面對(duì)日益增多的無線設(shè)備，使用2.4 GHz頻段的設(shè)備勢(shì)必日益密集。建議城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)使用付費(fèi)頻點(diǎn)，或者無線電管理部門出臺(tái)相關(guān)政策來保證地鐵信號(hào)系統(tǒng)頻點(diǎn)的唯一性。

4 結(jié)語

廣州地鐵5號(hào)線引入3家運(yùn)營商3G/4G信號(hào)對(duì)既有通信設(shè)備的干擾測(cè)試結(jié)果顯示，干擾主要存在于便攜WLAN設(shè)備對(duì)2.4 GHz信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生的同頻與鄰頻干擾。因客觀條件所限，本次測(cè)試場(chǎng)景還有進(jìn)一步提升的空間，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)度和次數(shù)也有待加強(qiáng)，測(cè)試方法應(yīng)包括動(dòng)態(tài)、靜態(tài)等多項(xiàng)測(cè)試。本次廣州地鐵5號(hào)線同時(shí)開啟60臺(tái)便攜式WLAN設(shè)備的極限測(cè)試表明，暫未出現(xiàn)明顯引起列車緊急停車的情況。

目前，國內(nèi)城市軌道交通主流信號(hào)設(shè)備均采用2.4 GHz頻段，若引入新頻段設(shè)備，需統(tǒng)籌規(guī)劃現(xiàn)有設(shè)備的頻段資源，做好技術(shù)分析工作，在未能采取有效安全保障措施前，應(yīng)慎重引入新的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

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Introduction of Mobile Communications Interference Test in Guangzhou Metro

LIU Jun

The introduction of mobile communication 3G/4G signal in urban rail transit represents the general trend of development.In this paper，issues of 3G/4G general signal introduction in Guangzhou subway network are addressed，their interferences over the existing devices in Guangzhou metro are discussed，corresponding suggestion are proposed based on field testing results.The purpose is to reduce the losses caused by the signal interference over metro devices.

metro；3G/4G signal；preemptive interference；same frequency interference

U285.7；TN929.5

10.16037/j.1007-869x.2017.08.036

2015-12-25）