城市轨道交通CBTC信号系统无线通信抗干扰技术研究

陈浩莹

陈浩莹:厦门轨道交通集团有限公司 工程师 361007 福建厦门

目前国内城市轨道交通信号系统大多采用基于通信的列车自动控制系统 (CBTC)，其工程投资少，列车运行间隔短，轨道交通运输能力高，满足了大客流和运能的需求。但实际应用中由于CBTC车-地无线通信采用2.4 GHz公共频段，在城市无线网络覆盖日益广泛的今天，易受外界干扰，其中最突出的干扰来自同样采用2.4 GHz公共频段、应用WLAN技术的WiFi无线设备。

1 WLAN技术应用现况

WLAN是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够使用户随时、随地、随意的实现宽带网络接入。WLAN网络终端设备的接入，相对于有线网络，具有安装简单、灵活性强，可移动和可扩展等优点，受到人们广泛的喜爱，已成为几乎所有行业网络便携式、固定式终端设备接入的标杆性应用。

目前国内免费开放的2.4 GHz频段 (2.4 G～2.5 GHz)，属于无需申请的频段，其带宽83.5 MHz，共划分14个频点，WLAN频道划分和频带宽度分布如图1、表1所示。

图1 WLAN频道划分和频带宽度分布图

WLAN的2.4 GHz频段组建无线局域网，而在扩频方式上采用直序扩频技术 (DSSS)或跳频扩频技术 (FHSS)。主要供货商采用的技术及其特点见表2。国内CBTC车-地数据通信子系统大多采用DSSS直序扩频技术的车-地无线通信系统，一般都选用1#、11#(6#)为主备信道，同时将无重叠的6#(11#)信道分配给通信系统的视频。而FHSS跳频扩频技术将在全频段进行频率实时、高速跳变，可以较好地规避干扰。

表1 2.4 GHz频率划分

表2 主要供货商采用的技术及其特点

2 CBTC车-地无线通信干扰分析

随着城市信息化的高速发展，各地将陆续把WiFi无线覆盖引入地铁。由于WiFi无线同样采用2.4 GHz公共频段，使用IEEE802.11x协议，因此很可能对CBTC的车-地通信构成干扰。据悉，近期国内一些地铁线路列车车厢内出现大量手持WiFi路由器，主要用于将3G信号转换为WiFi信号，为手机或平板电脑等终端提供上网通道。如果车厢内使用WiFi设备的乘客非常多，在车厢内形成大量使用相同频道的干扰源，这就可能对车-地通信数据传输造成同频干扰，使CBTC无线传输数据的误码率倍增，进而触发列车自动防护功能，导致列车紧急制动 (EB)。车-地无线通信干扰的特点为数量多、功率小。国内地铁发生的列车正常运行过程中多次紧急制动的事件，其根本原因就是CBTC车-地无线通信受到外界干扰。技术上归属系统的可用性降低，不影响信号系统的安全性。

由于建设之初对地铁电磁环境认识不足，没能充分考虑到外界环境变化对地铁专用无线通信覆盖可能产生的影响，在电磁环境恶化或新干扰源产生后，必须采取有效措施杜绝此类故障的发生。

3 应对措施

3.1 采用2.4 GHz频段的适应性改良

802.11标准中采用CSMA/CA机制，一个信道中同时仅允许1个“通话”，其他通信设备需等待信道空闲时才能通信，而信号车-地通信是允许有数百毫秒的“及时”通信，即允许干扰造成有限度的时延。按此机制，可在车-地数据通信的系统设计上进行以下改良。

3.1.1 采用DSSS直序扩频技术

1．车-地无线通信采用双网、双频冗余设计，在一个网络受到影响时，另外一个网络仍能正常工作。特别在抗干扰和频点利用上，采用互不干扰的双频道，2种频率同时受WiFi干扰的几率可以降低。

2．采用窄带技术。将原频道占用的频宽收窄，可获得更高的功率谱密度，抬高物理层判断通道占用的强度门限，使对使用20 MHz频宽的WiFi及其他商用802.11无线设备具有更高的抗干扰能力。同时，CBTC可以选用更多的物理独立通道，降低窄带频道被占用的可能，增大设计方案的灵活性和适应能力。

3．采用无线电台车-地通信的子系统，增强车头、车尾的屏蔽功能，如加强车头驾驶室与车厢之间隔板的屏蔽措施 (如金属网格等)。

在上述改良基础上，CBTC还可改用低端“13+14”双频段，因13频道目前相对较为空闲，14频道我国尚没有应用定义 (国内目前未使用)。

3.1.2 采用FHSS跳频扩频技术

FHSS跳频技术具有带宽窄、功率谱密度高的特点，具有较强的抗干扰能力。不同于802.11b/g/n的固定频率传输技术，FHSS跳频扩频技术将数据承载在一系列动态、高速跳变的无线载波频率上，可以很好的抵御外界同频干扰。

另外，今后地铁开放WiFi网络设备后，跳频技术应利用带宽窄、单位能量密度高这一技术优势，进一步适应新的、发展的外部通信环境需求，研究是否需抬高物理层判断通道占用的门限值，以提高车-地无线通信系统在资源紧张情况下的频道占有率和抗干扰能力。

3.2 采用5.8 GHz频段

该自由频段的使用技术性能总体不如2.4 GHz频段，目前该频段的产品应用很少，电磁环境相对干净，但是也要考虑部分城市PIS系统已经采用5.8 GHz频段。由于5.8 GHz的无线覆盖距离较短，今后的工程投资和设备维护工作量也将大幅增加，应根据各地实际情况，将5.8 GHz作为一种备选方案。

3.3 申请地铁信号车-地无线通信专用频段

申请新的频点 (如1.7 GHz、5.9 GHz)替代原2.4 GHz频段，需对新频段作深入研究，同时也要对目前CBTC使用和模拟测试情况进行分析、比较和评估，需要思考如下问题。

1．相对于庞大的2.4 GHz电信和移动运营商市场，CBTC行业设备年需求量相对较小，所以愿意为CBTC行业进行专有频段产品研发的无线通信设备供应商很少，设备及相关附件在产业化和量产方面将受局限，价格势必昂贵。

2．技术专业性较强，维护较困难，一旦设备停产较难找到替代产品，整个无线系统将可能面临重新设计部署的困境。

3．专有频段的无线性能是否能够很好的适用于CBTC业务，还需要做大量的性能分析及测试，包括漫游切换、丢包率等关键技术指标的验证。

4．专用频段申请手续繁琐，流程和时间上存在不确定性。

5．专有频段需定期审核，并收取较为昂贵的授权费用，增加建设和维护成本。

随着民用通信技术的飞速发展，信号系统无线通信抗干扰将面临更大的挑战，在进行CBTC信号系统车-地无线通信抗干扰技术改进及方案选用时，应根据自身线网建设情况，采取合理解决方案。对于已经建成通车的线路，建议在原有技术上进行改造。新建线路可以考虑使用5.8 GHz或者申请专用频段，但要考虑系统厂家的技术研发进度，可适当预留改造空间，为后续的升级改造提供条件。

［1］ 曾小清，王长林，张树京．基于通信的轨道交通运行控制［M］．北京:中国铁道出版社，2007．

［2］ 刘晓娟，张雁鹏，汤自安．城市轨道交通智能控制系统［M］．北京:中国铁道出版社，2008．

［3］ 林瑜筠．城市轨道交通信号［M］．北京:中国铁道出版社，2008．

［4］ 张轮．现代交通信息网络与通信技术［M］．上海:同济大学出版社，2007．

［5］ 吴汶麒．城市轨道交通信号与通信系统［M］．北京:中国铁道出版社，1998.