2.4G频段的频谱利用与地铁干扰案例分析

中国无线电协会理事 希玉久

一、引言

人类正经历着有史以来最为迅速的以信息和通信技术（ICT）为代表的科技革命。近十几年来，无线电正处于令人眩目的大变革时代，无线电业务应用越来越广泛，新技术、新制式曾出不穷，无线设备制造向智能化、移动化、宽带化、功能服务多样化发展演进，无线电在“物联网”、“泛在网络社会”（UNS）中扮演着重要角色。与此同时，无线电频谱这种宝贵且有限的自然资源异常拥挤。连过去不怎么受“待见”的工科医（ISM）频段（如2.4GHz），由于不收频占费、免发执照都成了“宝贝”频段在争相使用。

城市轨道交通是引领中国走新型城市化道路满足城镇发展需求的重要交通工具，近些年来中国各地正在大规模规划建设地铁、轻轨等基础设施，预计2020年前我国城轨交通新增营业里程将达到6560公里，将投入3万多亿元。与城市轨道交通配套的基于通信的列车控制系统CBTC（Communication Based Train Control System）也选用了与ISM“共用”的不受无线电管理“干扰保护”的2.4GHz频段，最近就多次发生无线电“干扰”甚至“逼停”地铁运营的事件。本文将就2.4GHz频段的频谱利用、管理及“逼停”地铁事件作为案例进行干扰分析，供研究参考。

二、国际国内2.4GHz频段的频率划分规定

1. 电磁频谱是宝贵的自然资源

（1）无线电磁频谱的定义。电磁频谱是指按照电磁波频率或者波长排列起来所形成的谱系。实际上“频谱”（Spectrum）的物理概念最初只限于从红色到紫色各种不同颜色的光组成的可见光，在空中以每秒钟30万公里的速度传播。电磁频谱可以从可见光向两个方向扩展，更高频率的“光”包括紫外线、X射线以及宇宙射线，较低频率的“光”就是红外光，而3000GHz以下称为无线电（radio）频谱，但3000GHz以上频率的“无线”（Wireless）通信包括红外线（波长0.7mm～1mm）、自由空间光无线通信等现也已用于从电信链路到卫星遥感等多种业务，国际电联ITU已将3000GHz以上频段及此频段上的固定业务应用纳入国际《无线电规则》及相关建议。

（2）无线电磁频谱是有限的、宝贵的自然资源。21世纪将是信息社会时代，谁掌握了信息谁就有了竞争的优势。信息时代正在改变着人们的工作方式和生活方式，而且将彻底改变世界利益的格局和竞争的态势。无线电通信是传递信息的重要手段，为全社会提供着各类信息传递服务，在社会经济发展、国防建设和人民生活中发挥着重要的作用。电磁频谱虽然很宽，但由于受到无线电波的固有传播特性和现有技术发展等因素所限，尽管采用时域、频域、空域、正交等多种技术，可用的无线电频谱资源仍然是有限的、宝贵的，必须充分有效地予以利用、保护和科学管理。

2. 频率规划与划分、分配、指配

（1）无线电业务。根据ITU《无线电规则》和《中华人民共和国无线电频率划分规定》，使用无线电频率的无线电业务基本上分为两大类，即无线电通信业务和射电天文业务。无线电通信业务又可分为地面业务及空间业务，其中包括固定业务、移动业务、广播业务、业余业务、安全业务等总共定义了43种业务。近些年来，不管是空间业务还是地面业务都取得了迅速发展，应用非常广泛。

（2）无线电频率划分。无线电频率划分即为规定某一无线电频段供一种或多种地面或空间无线电通信业务，或射电天文业务在规定的条件下使用，是无线电频率操作、使用、管理的基础和依据，不能违反。

国际频率划分表将全球分为三个区域，第一区包括欧洲、非洲和部分亚洲国家；第二区包括南、北美洲；第三区包括大部分亚洲国家和大洋洲，我国属于第三区。国际和国内的频率划分通常在一段时间内相对稳定不变，通常根据无线电技术和无线电业务发展的需要，集中进行调整和修订。我国最新修订的《中华人民共和国无线电频率划分规定》于2010年12月1日起公布实施。ITU关于2.4～2.5GHz频段三个无线电区的频率划分规定（见表1），中国关于2.4～2.5GHz频段的频率划分规定（见表2）。

（3）无线电频率分配。频率分配是指批准频率（或频道）给某一个或多个国家、地区、部门在规定的条件下使用。我国主要通过下达频率分配文件的形式，为频率需求部门分配专用频率。根据我国无线电管理条例的规定，频率分配由国家无线电管理机构统一进行。

（4）无线电频率指配。无线电频率指配是国家或地方无线电管理机构根据设台（站）审批权限，批准某单位或个人的某一无线电台（站）在规定的条件下使用某一无线电频率。通信范围或服务区域涉及两个以上的省或涉及境外的无线电台（站），由国家无线电管理机构指配频率。在省、自治区、直辖市范围内通信或服务的无线电台（站），由省、自治区、直辖市无线电管理机构指配频率。

表1 ITU关于2.4～2.5GHz频段三个无线电区的频率划分规定

表2 中国关于2.4～2.5GHz频段的频率划分规定

3. 使用2.4GHz频段的相关规定

（1）频率划分规定

由以上两表的无线电频率业务划分可知，该频段内有多种无线电业务与工科医设备共用，并用脚注方式做了规定：

表1中的脚注5.150注明：下列频带：2400～2500MHz（中心频率为2450MHz）也指定给工业、科学和医疗（ISM）使用。在这些频带内工作的无线电通信业务必须承受由于这些应用可能产生的有害干扰。在这些频带内操作的ISM设备应遵守15.13款的规定（详见国家无线电规则）。

表2中的中国划分表中的脚注CHN28注明：该频段引入的有关IMT应用的国际注脚，不改变移动业务在划分表中现有业务主次地位。同时，应尽快研究该频段已划分业务的应用模式、频率使用规划、业务间的兼容共存条件及协调程序。在此之前，IMT应用不投入实际部署使用，但在2300～2400MHz频段，IMT可在室内使用（2010年）。

（2）对该频段的无线电设备管理（型号认证）规定

根据《中华人民共和国无线电管理条例》规定，无线电管理机构对无线电设

备的研制、进口、生产和销售的管理是其主要职责之一。无线电管理机构对无线电设备管理主要包括无线电发射“设备型号核准”和设备检测等，目的是从源头上减少和消除干扰源，重点审核无线电发射设备的发射技术参数。不符合无线电管理规定或相关技术标准，是扰乱无线电波秩序的主要原因之一。

用户购置设备须知：

⊙ 设置使用的这类SRD无线电设备，应当是通过设备检测经国家认可的“型号核准”的设备，用户采购设备时应确认销售单位是否持有无线电管理机构核发的《无线电发射设备型号核准证》。

⊙ 购置设备的型号、性能、制式、组网形式等是否符合组网的要求。

⊙ 应考察设备的真伪、供货期限、设备来源渠道、设备质量、价格以及设备的技术参数等。

⊙ 考察销售单位的实力信誉、技术力量、维修能力及售后服务等情况，销售单位应为用户提供可靠的质量保证和售后服务。

（3）对2.4GHz频段的操作使用等相关规定

为规范微功率、短距离设备（SRD）包括2.4GHz频段的无线电设备和业务管理，国家于1998年、2001年、2002年多次发布相关管理规定，2.4GHz频段作为无线局域网、无线接入系统、蓝牙技术设备、点对点或点对多点扩频通信系统等各类无线电台站的共用频段，符合技术要求的各类无线电通信设备在2.4～2.4835GHz频段内与无线电定位业务及工业、科学和医疗等非无线通信设备共用频率，均为主要业务。

2002年（信部无〔2002〕353号）文《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》对2.4～2.4835GHz频段无线电发射设备的主要技术指标如等效全向辐射功率（EIRP）、天线增益、最大功率谱密度做了明确规定。

2005年（信部无〔2005〕423号）文发布的“微功率（短距离）无线电设备的技术要求”中又专门把2.4GHz数字无绳电话调整作为该频段业务，平均等效全向发射功率限值为25mW，必须采用跳频工作方式，且跳频信道至少为75个。另外对其他短距离无线电设备的发射功率限值为10mW（e.i.r.p）。

同时要求该频段内的无线电发射设备的射频部分与其天线必须按照一体化设计和生产；在该频段内的无线电台站之间产生干扰，原则上不受保护。另外还规定在大中城市城近郊区等人口密集地区，不得设置使用点对点扩频通信台站。

三、关于2.4GHz频段的无线电业务及频率使用现状

1. 在2.4～2.4835GHz频段操作使用的无线电业务 和设备

⊙ 多种ISM设备（微波炉等大量操作使用，中心频率为2.45GHz）。

⊙ 医用微波治疗仪（一定规模）。

⊙ WLAN（大量操作使用）。

⊙ 扩频通信系统（短距离点对点和点对多点10～20km）（发执照限制使用）。

⊙ 2.4GHz数字无绳电话（一定规模）。

⊙ 蓝牙、RFID等微功率设备（大量使用）。

⊙ 其他微功率设备等。

上述设备制式一般发射功率（ISM设备除外）均符合国家规定，天线的制式、结构及增益指标差异很大，频率配置、调制方式、信道间隔、保护带不统一。

2. 关于2.4GHz频段的无线电干扰状况

由于该频段属工科医设备与无线电业务共用频段，无需交频占费的免发电台执照的频段，设备的品种繁多，电磁环境异常复杂。在2.4GHz频段内经常有发生干扰的申诉。尽管有法制、有处罚，但仍存在有同频段电台超标或非法操作等问题。

四、关于2.4GHz频段无线电干扰及典型干扰案例分析

1. 无线电干扰

无线电通信的最大优点是设备操作使用灵活、方便，而其最大的缺点就是容易受到干扰，直接影响通信信号质量甚至会造成更为严重的后果，更可能给人民生命财产安全带来威胁或损失。如我国曾发生多次民航机场的通信导航系统受到干扰的投诉，迫使有的飞机导航受干扰只能飞到其他机场降落，有的机场不得不暂时关闭几个小时经过紧急处理干扰之后才使飞机正常起落，直接造成经济损失并影响到人们的正常生活和工作。结果发现其中有不少干扰是来自一些电台选址不当、发射频率或设备不符合国家标准、发射功率过大以及天线之间距离过近形成互调干扰等多种原因所造成的。

（1）无线电干扰。是指发生在无线电频谱内的干扰。当接收机收到无用信号时会导致有用信号的接收质量下降，出现信息差错或丢失，甚至会阻断通信，这就是通常所说的无线电干扰。无线电干扰通常有同信道干扰、邻道干扰、带外干扰、互调干扰、阻塞干扰等。

（2）来自工、科、医等非无线电设备的干扰。一些非无线电设备（如微波炉、热合机、医用微波治疗仪等）在运行时产生的无线电波辐射，对无线电台（站）会产生有害干扰，称为非无线电设备辐射干扰。

另外，从无线电管理和频率指配协调的目的出发，根据干扰的程度，一般把无线电干扰分为如下几级：

⊙ 允许干扰。在给定条件下，产生的干扰使接受质量下降，但不明显，在国际、国内相关规定的范围之内的干扰，称为允许的干扰。

⊙ 可接受干扰。在给定的条件下，产生的干扰使接收质量有中等程度的降低，由主管部门认定是可以接受的干扰，称为可接受干扰。

⊙ 有害干扰。危及无线电导航或其他安全业务的运行，或严重损害、阻碍或反复阻断正在正常运行的无线电业务的干扰，称为有害干扰。

（3）无线电干扰查处的原则。遇到干扰时，主要是根据《中华人民共和国无线电管理条例》和ITU（国际电联）的《无线电规则》相关规定，当处理无线电干扰时应遵循带外让带内、次要无线电业务让主要无线电业务、后建电台让先建电台和无规划让有规划的原则。但工作在ISM的2.4GHz频段内的系统之间、无线电台站之间产生干扰，原则上不受保护。

2. 使用2.4GHz频段的地铁干扰案例分析

（1）地铁通信和信号系统受干扰“逼停”地铁运营

2012年11月初短短一个星期内，深圳地铁2号线、5号线多趟列车多次发生故障，紧急停运。据了解以前也发生过类似事件，只是11月故障过于频繁，引起了人们极大关注。后经现场验证表明，当列车上带Wi-Fi无线路由器3G手机、便携机等使用达到一定数量时，就会对使用2.4GHz共用频段的CBTC地铁信号系统造成干扰。另据称采用CBTC系统的南京地铁2号线也多次因信号干扰造成列车晚点；广州地铁3号和4号线采用的CBTC信号系统也常发生一些不明原因的紧急停车。看来只要是基于2.4GHz频段的CBTC系统，都回避不了信号干扰问题。我国各地2010年后新建的40多个地铁项目大都采用CBTC系统，一旦无线信号受到干扰，都可能会造成地铁晚点或紧急制动。

（2）地铁通信和信号系统

为保证现代化大客运量城市轨道交通系统列车运行的安全、可靠、准点、高密度和高效率，实现运输的集中统一指挥，行车调度自动化和列车运行自动化，城市轨道交通系统必须配备专用的、完整的和独立的通信系统，以保证轨道交通系统的正常运行。

包括地铁、轻轨在内的轨道交通通信系统是指挥列车运行，组织运输，提高效率，保证安全，传输各种信息及公务联络的重要设施。轨道交通的信号系统设施主要用于指挥和控制列车的运行，尽管其投资在整个地铁工程中所占的比例不大（通常在3%以下），但它对提高列车通过能力、提高运能、保证行车安全有着至关重要的作用。轨道交通信号系统的发展趋势是通信技术与信号系统相结合，通信信号一体化。基于通信的列车控制系统CBTC就是我国最近几年的城市轨道交通信号系统的主流制式，CBTC系统采用独立于轨道的车-地双向通信设备，与列车的精确定位技术相结合，实现移动闭塞的功能。稳定、可靠的车-地双向通信是CBTC信号系统的关键技术，它有感应环线、无线Wi-Fi、裂缝波导管等多种传输方式，其中，无线方式从通信功能、造价和操作维护等方面均具有突出优势，但易受干扰，深圳等城市地铁采用的就是具有Wi-Fi通信方式的CBTC系统。

（3）地铁干扰分析

工作在2.4GHz频段的Wi-Fi设备电磁环境测试实验结果

Wi-Fi是IEEE（美国电气与电子工程师协会）定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE802.11）系列，是无线局域网的别称。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a，IEEE 802.11b，IEEE 802.11g，IEEE 802.11n等标准的出现，现在IEEE 802.11标准已被通称作Wi-Fi。

2.4GHz频段的短距离无线技术Wi-Fi的传输速率可达到11Mb/s，22Mb/s，54Mb/s或更高。只要在机场、车站、咖啡店、图书馆以及家庭、办公室等人员较密集的地方设置Wi-Fi网络并接入互联网，用户即可使用支持Wi-Fi的笔记本电脑、手机或PDA设备高速接入互联网。Wi-Fi采用了系列协议（见表3），其中，IEEE 802.11b/a是20世纪发布的，IEEE 802.11a使用的是5GHz频段，目前大量使用的是IEEE 802.11g，IEEE 802.11n是近两年刚发布的数据速率更高的新标准。

表3 802.11协议（摘录）

由于2.4GHz频段是多种无线电业务与ISM设备共用的频段，电磁环境异常复杂，因此各国对该频段的电磁兼容性研究非常重视，国际电联、欧盟和IEEE等国际组织还专门为此组织研究并制定了相关建议。例如，在ITU-T K.79建议中描述了工作在2.4GHz频段设备的电磁兼容测试结果。

在某机场候机楼20×30米大厅，布置3台笔记本机，2个带Wi-Fi功能的手机，一台AP接入点，测量结果见图1所示（详见ITU-T K.79建议）。类似情况，在6×10米典型咖啡厅的测试结果是：辐射功率达-27.04dBm。

图1 候机大厅距AP点6米的测试结果

工作在2.4GHz频段的微波炉电磁环境测试实验结果

图2为5个Wi-Fi设备工作在信道6，微波炉中心频率工作在2459MHz时的测量结果，辐射电平最高达-25.96dBm。

图2 IEEE802.11 AP信道与微波炉为不同频率时的测试结果

图3为5个Wi-Fi设备工作在信道10，微波炉中心频率工作在2459MHz时的测量结果，辐射电平最高达-25.96dBm。

图3 IEEE802.11 AP信道与微波炉为频率重叠时的测试结果

发生干扰原因

有上述实验测量结果可知，采用Wi-Fi技术多个设备同时工作在同一地域空间会受到干扰，随着用户数增加会降低灵敏度、降低数据速率；遇到有微波炉、微波治疗仪等ISM设备会受到干扰甚至不能正常工作。

地铁信号系统主要受来自工作在2.4GHz同频段、同制式的Wi-Fi系统的（相互）干扰。当地中国电信、中国联通两大运营商的带Wi-Fi功能的3G目前正在大规模建网运营，该制式可提供的信道资源最多为3个，通常建设一个AP点同时能承载二三十个用户。由于几大运营商加上地铁系统在同一个地域空间（如地铁站大厅）、同时共同“抢用”这3个信道，极易发生“同信道干扰”或“邻信道干扰”，用户达到一定数量后很难做到不互相“干扰”，轻者造成误码率增大、数据包延迟、数据速率大大降低及通信性能变差，重者造成信道“阻塞”，会直接导致地铁信号系统“误动作”致使机车紧急制动。

根据Wi-Fi的标准，在2.4～2.4835GHz频段内共配置了14个信道（后两个信道在中国不能用），采用直序扩频技术DSSS，由表1可见，每个信道带宽为20MHz，实际发射的“必要带宽”为22MHz。说明这些信道是互相重叠的，在同一个地理空间最多只能使用三个信道如第1，6，11，若选用其他编号的信道，最多只能有2个互不干扰的信道。因此，信道资源不足是地铁通信与信号系统的直接原因；另外，2.4GHz频段是ISM和多种无线电业务“共用”频段，电磁环境复杂难管控，作为“安全度”要求很高的“地铁信号系统”把这段“免费”的无线电频率资源用于地铁信号的数据传输不是好的选择。因为除了来自大量使用的带Wi-Fi的3G手机、笔记本机、无线城市的Wi-Fi等系统干扰外，城市轨道交通包括地铁和城郊轻轨在内还可能会受到“医用微波治疗仪”、“微波炉”、“2.4G无绳电话”、“塑料热合机”等其他系统和设备的干扰，通信很不安全。

五、几点建议

（1）地铁部门应该尽快研究提出《地铁通信与信号系统使用频率需求规划》并申请“地铁专用频率”。对这种直接涉及“人身安全”的地铁信号系统应该申请分配“专用频点”。但据了解目前即缺乏一套较完整的地铁系统的行业规范、标准，又缺少一个全国性的“权威”性行业主管部门。全国各地大中城市的地铁基建和投资规模如此之大，对无线通信频率资源需求如此迫切，实际上只要行业提出需求，尽管频率资源紧张，国家都会尽量想办法予以保障。如近几年审批的交通部的5.8G专用系统，铁道部的800M数字集群系统和900M的GSM-R专用系统，以及最近两年北京、天津等地试用的1.4GHz宽带政务专用系统等，目前都运行良好。

（2）应鼓励地铁通信和信号系统科技创新。国外近些年地铁建设很少，可借鉴的新技术和成熟经验不多，我国也是随着城市轨道交通大发展于近两三年才开始采用CBTC技术，应尽快地完善地铁建设与维护的相应标准。必须采取措施进一步提高地铁系统的稳定性、可靠性和智能化程度，确保快速、准确和人身设备安全。

（3）地铁系统的信息化建设应纳入各地“智慧城市”、“平安城市”的统一规划。地铁系统是城市基础设施的重要组成部分，应把它的运营管理纳入到地方政府信息化的“统一平台”，实现“资源共享”，便于城市地上、地下交通资源协同调度，便于应对突发事件、抢险救灾和实施紧急预警，实现城市高效管理。