地铁信号系统中车-地无线通信传输的抗干扰研究

朱光文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司通信信号设计处,西安 710043)

随着国内经济建设的不断发展,各个城市地铁建设的步伐也在不断加快。信号系统作为控制列车运行的关键系统,其安全越来越被人们所高度重视。其中代表着目前信号系统发展趋势的CBTC(基于通信的移动闭塞信号控制系统)信号控制系统[1],首当其冲地成为了人们关注的重点。与传统固定闭塞、准移动闭塞相比,基于无线通信的移动闭塞CBTC信号系统通过其部署在列车以及轨旁的无线设备,有效地实现了车-地间连续的双向通信,使控制中心可以根据列车实时的速度和位置,动态计算和调整列车的最大制动距离,缩短行车间隔,从而更为有效地提高运营效率和进一步确保列车的运行安全[2-3]。

CBTC信号系统的高安全性和高可靠性,使得信号系统在任何情况下均不允许出现系统故障。作为信号关键子系统的车-地无线通信传输子系统,其安全性和可靠性同样也成为了不容忽视的内容之一。

1 车-地无线通信子系统介绍

车-地无线通信子系统是地铁CBTC信号系统中一个相对较为独立的子系统。近几年,随着信号系统技术的不断发展,子系统已由通信专业组网逐渐演变为信号独立组网。它通过轨旁的无线AP和车载的接收天线将车载与地面的信号互连了起来,使整个车与地的信号系统形成了一个有机结合体。其子系统主要由轨旁的无线AP、车载接收天线、车载路由器以及室内的无线服务器、网络交换机、环网接入交换机等组成。其中轨旁的无线AP与室内的无线服务器等通过光缆连接,简称地面有线网。车载头尾信息冗余通过光电缆连接,简称车载有线网。车与地通过自由波连接,简称无线网。有线网采用IEEE802.3以太网标准,无线通信网则采用IEEE802.11X系列标准。

由于有线网技术的成熟性和安全性,车-地无线通信子系统安全传输的问题主要集中在车地无线网上。因此,研究车-地无线通信子系统无线部分的安全性就成了本文论述的重点。

2 车-地无线通信传输的安全性需求

车-地无线通信传输的是列车状态信息及移动授权信息,对于行车安全及行车效率至关重要。 为保证整个信号系统的安全性、可靠性和可用性,车-地无线传输子系统须满足以下安全性需求。

2.1 高安全性、高可靠性和高可用性

信号系统直接控制列车的速度和移动授权, 属于安全控制系统, 任何干扰都将影响信号系统的安全性、可靠性和可用性, 进而直接影响整个地铁的安全运营。 因此, 信号系统对数据传输的安全性、可靠性和可用性要求也就极高[4]。

2.2 数据传输的高实时性

为实现地铁列车的运行追踪,前后车的位置信息需实时传递。而作为移动体列车的信息传输延迟时间,则会作为传输时差最终计算到整个信号系统的安全裕量控制中,从而导致系统效率降低。传输延迟时间越长,越影响效率,甚至在紧急情况下将会危及列车的运行安全。

2.3 高速移动中的信息传输速率需满足系统需求

目前,地铁列车的运行最高速度在80～90 km/h。在高速移动中,无线传输受到的多普勒效应、多径效应等的影响将加剧,导致实际传输速率下降。此时,车-地无线网传输设备必须能够保证一定的传输速率,以维持整个系统的正常运行。

2.4 高速移动中的无线传输丢包率不得影响系统的有效性

列车的高速移动会导致车-地无线通信更高的丢包率和更多的数据重发。数据的丢包和重发会降低系统运行效率,严重的丢包会使接收方一段时间内无法得到完整的信息,列车被迫紧急停车，从而降低了运营的效率和乘客的安全感[5]。

2.5 需有防止无线攻击及非法接入的安全措施

无线局域网的传输介质为开放空间,任何一个与CBTC系统中设备使用相同或兼容无线局域网协议的网络设备都有可能接入CBTC系统的无线传输系统,对系统安全运行构成危害。因此,无线局域网设备必须具备一定的接入控制能力或数据加密能力,为整个系统的安全运行提供一定的保障。

3 地铁信号系统中车-地无线通信传输干扰源分析

CBTC信号系统中所有的列车调度、控制信息都是以无线方式在列车和轨旁网络之间传递,由于无线网络的开放性所带来的易干扰、易攻击问题,使无线信息的传输成为了CBTC信号系统的最大安全隐患。错误的控制信息可能导致危险的情况发生,降低系统的可用性,甚至危及列车运行安全。

根据目前工程中所遇到的实际情况,信号系统存在的干扰主要有:信号和乘客信息系统(PIS)的干扰、同站台换乘信号频率干扰、乘客携带电子设备对信号系统产生的干扰、列车在高速移动中带来的多普勒效应、隧道内的多径效应以及开放空间中采用相同协议或相同频段的设备造成的物理干扰等。

3.1 信号和PIS系统安全干扰

PIS系统是依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站显示终端和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。它与信号系统一样,在区间和车站的车-地传输均采用无线局域网(WLAN)技术。尤其是在列车顶部接收天线安装时,由于位置有限,往往距离很近。因此,很容易出现干扰。

3.2 同站台换乘频率干扰

对于地铁中同台换乘的车站,如2条线均采用无线电台传输方式的话,那么在这一层共用站台层的区域范围内就既存在本线的无线场强覆盖,又存在相邻线的无线场强覆盖,且还会存在本线上下行频点隔离问题。所以在这一区域内,必然会存在有2条线路以及上下行的问题。因站台区域为敞开空间,电磁波存在反射和穿透的能力,在站台区域就需要有4个无线覆盖频点,且不考虑信号系统越区频点隔离需要。而基于2.4G的IEEE802.11X系列标准仅3个独立信道,不能满足上述覆盖要求。因此,也容易出现干扰。

3.3 乘客携带电子设备对本系统产生的干扰

由于无线局域网自身的特点,使得其信号很容易被系统外的用户发现。用户只要使用带有无线天线或无线网卡的电子设备,就能很轻易地搜索到无线信号,获取SSID、信道以及是否加密等信息。甚至个别非法用户利用一些技术手段能很轻易的侵入无线网。如果被非法入侵者利用,发布错误的行车指令,将会对列车的行车安全造成极大的安全隐患。

3.4 开放空间中采用相同协议或相同频段的设备造成的物理干扰

对于采用WLAN技术的信号系统而言,在开放的露天空间中,除上述干扰外,线路周边的一些电子产品同样会对信号车-地无线传输系统造成干扰。如:轨道交通线路周边小区的家用Wi-Fi设备、周边写字楼及开发区内的Wi-Fi设备、周边各运营商的“热点”设备、无绳电话(2.4或5.xGHz频段)、蓝牙设备(2.4 GHz频段)以及脉冲雷达(5.xGHz频段)等。

3.5 列车在高速移动中带来的多普勒效应

在列车高速移动的情况下,车载天线接近信号发送端时,频率变高。远离时, 频率变低。由此造成频率发生偏移,增加了系统的误码率,也限制了系统的带宽。所以,在数据通信系统中同样要考虑多普勒效应由此而带来的信号系统安全性问题。

3.6 隧道内的多径效应

地铁隧道是典型的多径信道环境,无线信号在传播的过程中存在多个通过不同路径到达接收点。而这些信号分量所经过的路径延时不同,并且有反射过程中的信号倒相,使得到达接收点的所有信号分量在合成相位和幅度上发生变化,造成接收信号产生衰落失真。最终导致通信的不稳定。另外由于信息来自多个路径,使得原始数据的提取也变得较为麻烦。

4 车-地无线通信传输的安全防护措施

针对以上信号系统车-地无线通信传输子系统安全性需求和干扰源的分析,信号系统在设计中,首要的应选择合适的无线传输技术以及做好相应的频点规划,以避开和减弱干扰。如传输媒介、编码技术、信道容量以及频率和频点的选择等。同时,还应结合目前各系统商的产品特点和技术水平,提出切实可行的防范措施。本文如下措施的描述主要基于对目前各系统商共有的技术特点,同时结合工程实际,对上述干扰源的防范提出相应的解决措施。

4.1 信号和PIS系统安全干扰的防范

信号系统传输数据较少,占用无线传输带宽资源较低,但安全等级高,适用的无线通信标准为IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。而PIS系统传输数据量大,安全等级较低,可选择IEEE 802.11b、IEEE 802.11g无线通信标准。由于IEEE 802.11X系列标准采用通用的信道编号(信道编号各国有所不同，有11和13个信道2种编号方式，欧洲和中国可以采用13个信道的方式),其中只有1、6和11三个信道完全隔离。为保证无线通信的可靠性,信号系统与PIS系统均需要各采用2个信道,如果信号系统与PIS系统共用2.4 GHz频段,将会造成3个独立的信道不够用,势必带来干扰和冲突[6-7]。

为解决上述问题,通常可采用2种方式：一种方式是采用频点隔离措施,分离两者的输出频率,但会造成带宽的减少,在一定程度上影响数据的传输。如广州地铁4号线中,信号使用1、6信道,主用1信道,备用6信道,PIS系统使用8、13信道,主用13信道,备用8信道。另一种方式为PIS系统采用补空(即PIS利用信号系统的备用信道)方式。该方式理论可行，但从应用情况看,信号系统与PIS一般分属不同的供货商，工程实施难度较大。

因此,为了彻底解决干扰和冲突,信号系统与PIS系统可分别采用5.8 GHz和2.4 GHz频段。目前,802.11b/g的2.4 GHz频段是不需要申批的,可直接使用[8],5.8 GHz的频点需向无线电管理委员会申请有偿使用,国内有些城市(如北京、西安)已在审批及收费标准方面开展了工作。

4.2 同站台换乘频率干扰的安全防范

对于同站台换乘的车站,由于物理空间的相对开敞,使得对同站台换乘信号频率存在一定的干扰,通常可采取以下措施减少和防范干扰。

(1)在信号系统无线通信的频点上进行区分,即本线和相邻线使用不同频点的信号制式设备。如5GHz以上的频段。因5GHz以上的频段的独立信道数量比2.4GHz的要多很多,在频点使用上灵活性要大大的增加。

(2)如各线无线系统用户采用同频段(如ISM频段)时,亦可采取以下措施以尽量减少相互间的干扰。

①选择不同极化方向天线

垂直极化无线电波要用具有垂直极化特性的天线来接收,水平极化无线电波要用具有水平极化特性的天线来接收。当微波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,在接收过程中都要产生极化损失,通常都不能有效地通信。因此,若本线信号用垂直极化天线,其他线就用水平极化天线。

②采用带冲突避免的载波侦听多址协议

为了将相同频道和交叠频道干扰的影响降至最低,IEEE802.11标准定义并应用了带冲突避免的载波侦听多址协议(CSMA/CA),该协议为每个接入点和客户端定义了“传输前先侦听”的顺序。CSMA/CA强制规定在连续2次帧发送之间,介质上必须要有一段退避间隔。在发送数据前,应检测介质上是否有其他工作站正在发送数据。若介质空闲则工作站就可以发送数据。如果介质检测表明处于忙状态时,工作站将推迟其数据发送,直至当前帧发送完毕。这样就保证了两线信号系统数据包的有序发送和接收。

③选择不同的车地通信方式

为有效降低同站台频率干扰,也可采用不同的车地通信方式,如本线采用无线电台方式,而相邻线路采用波导管、漏缆、感应环线,或者也可以考虑两线均采用除无线电台以外的其他传输方式,如波导管、漏缆、感应环线。因漏缆和裂缝波导管在无线场强覆盖上具有很好的均匀性,其对外漏泄量不大(裂缝波导管的有效距离小于1 m,而漏缆的有效距离小于10 m),对邻线的干扰不大。因此,均可有效解决同站台换乘频率干扰的问题。

④采用方向角合适的定向天线

开放空间的轨道交通系统现场环境复杂,周边的带内干扰不可控制。为了保证通信质量,可根据线路情况采用相应角度的定向天线[9],使来自轨道方向的有用信号增强,来自干扰方向的信号减弱,提高载干比。在特别复杂的环境中也可采用分集天线来增加车地通信的可靠性。

4.3 无线攻击及非法接入的防御

虽然由于无线局域网采用公共的电磁波作为载体,任何人都有条件窃听或干扰信息,但通过以下相应手段,依然可以减弱或是消除非法的接入和攻击。

(1)采用禁用服务集标志(SSID)广播功能,这样客户端SSID就必须与AP设置一样才能接入网络。以此可减小恶意用户侵入AP的可能性。

(2)设置媒体接入子层(MAC)的允许接入用户列表以防止非法用户接入网络。

(3)使用2层或更高层的交换机,把网络分成小的区段来减少恶意用户通过连接上集线器而侵入网络并监测网络数据的可能性。

(4)采用动态刷新密码,减少密码被破获的可能性。

(5)在无线网络部分设置入侵检测系统来检测可疑情况和非法侵入等行为。

(6) 设置防火墙以阻止非法用户接入网络。

4.4 开放空间中采用相同协议或相同频段设备造成的物理干扰的安全防范

对于线路周边的开放空间中采用相同协议或相同频段设备造成的物理干扰[10],由于不是主动攻击和侵入, 抗干扰措施主要从先进的编码调制技术来提高信噪比、保证系统充分的冗余备份、采用方向角合适的定向天线、控制发射功率、降低占空比、采用合理的重传机制等多方面考虑。另外还可以利用二层接入控制技术。如IEEE802.1X/LEAP协议,对连接到接入设备上的通信终端进行验证。对于不能通过验证的终端,接入设备会拒绝为其提供访问。

4.5 多普勒效应的安全防范

由于地铁列车的高速运行,使得车地信息发送和接收端的相对位移发生快速的变化。位移的快速变化引起信道参数快速变化,增加了系统的误码率,也限制了系统的带宽。按地铁运行最高速度80 km/h计算,多普勒效应在2.4～2.5 GHz的IEEE 802.11g应用频段所引起的频偏在将在±250 Hz以内。因此,极易引起信号无线传输的中断。在通信系统中加入纠错编码,通过编码的方式降低数据传输的误码率,以克服多普勒效应对系统带来的影响。该方式是通信系统发展的新方向,可以明显增加通信系统的鲁棒性,减少危害。

4.6 多径效应的安全防范

多径效应使得车-地信息传输的信号产生衰落失真,最终造成通信的不稳定。采用正交频分复用等技术,利用多子载波交织冗余同时传递数据。在传输的过程中,即使某个子载波出现频率偏移或者干扰,甚至丢失此载波所有数据。但接收端通过子载波的联合编码,可恢复出丢失子载波数据,达到子信道间的频率分集的作用,OFDM技术增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力,因此具有良好抗多径效应能力[11]。

5 结语

综上所述,地铁车-地无线通信传输担负着提高地铁运营效率、保障行车安全的重要使命。为此,各系统供货商都在积极寻求最优的解决办法。但由于各系统供货商核心技术的差异及各地铁线路的特点不同,所采取的措施也各有不同。在工程实际中,如西安地铁2号线对于PIS和信号系统的干扰,采取了信号系统与PIS系统分用2.4 G和5.8 G频段的方法。北京地铁9号线和房山线在郭公庄的同站台换乘以及广州地铁3号线和北延段在体育西同站台换乘,信号系统均采用同一系统商的车地通信方式。经实践表明,整体来说各自效果都较为不错。

当然,车-地无线通信传输的安全防护措施还很多,以上只是对其中的一些方面进行了简单的阐述,具体在各个城市的轨道交通建设中,各个系统商所采用的方法可能都不尽相同。但作为信号系统发展的一个方向,该项技术的研究一直在继续,并且在不断地提出新的抗干扰措施。除了硬件设备的提升,更多的集中在频率的规划、干扰的主动避让以及软件更新上。总之,安全问题永远是无线网络不可忽视的技术难点,也是信号系统安全所要考虑的重大议题之一。

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