基于无线通信的地铁车地通信中的干扰分析

天津地铁建设发展有限公司 韩正洲

车地无线通信是CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列车运行控制)系统的重要组成部分，系统的核心是DCS(数据传输系统) 如图1所示，DCS主要包括：骨干网地面AP(Access Point无线接入点)、车载无线设备WGB(Work Group Bridge 工作组网桥)[1]。其地面有线网络采用工业以太网技术，车地无线网络采用IEEE802.11标准的无线局域网技术实现数据的传输。因为该标准工作在开放的ISM(Industrial Scientific Medical，工业、科学、医疗)频段，车地通信过程或多或少的会受到外界无线通信的干扰，因此分析并优化CBTC系统中的无线干扰问题，对于保证整个系统的稳定运行以及地铁的安全运行都具有很高的研究意义。

图1 数据通信子系统(DCS)

1.基于无线通信的CBTC系统中无线干扰源分析

WLAN技术在地铁项目中己得到普遍应用，如CBTC与PIS等。其最通用的标准是IEEE802.11系列标准，其中包括IEEE802.11a和IEEE802.11b以及IEEE802.11g等。IEEE802.11a工作在5.8GHz频段，其速率高达54Mbps，分频采用OFDM(正交频分复用)技术，但最高速率的无障碍接入距离则为30-50m；IEEE802.11b通常也被称为Wi-Fi(Wireless-Fidelity)，工作在2.4GHz频段，可支持最高11Mbps的共享接入速率；802.11g也采用OFDM技术，与802.11a一样可支持最高54Mbps的速率，它工作在2.4GHz频段[2]。2.4GHz和5.8GHz是开放的频段，只要其AP的发射功率及带外辐射满足无线电管理机构的要求，则无需提出专门的申请就可使用。

目前CBTC系统中广泛使用的正是基于IEEE802.11g标准的WLAN，频率范围为ISM频段2412MHZ到2484MHz，共划分了14个信道，国内仅使用1-11信道，每个信道的带宽为22MHz，相邻两个信道的中心频率间隔为5MHz[3]，如图2所示。因此，不同系统之间争抢免费信道，导致频率资源急缺，增加了无线信号的传播的不确定因素，各个系统之间难免出现相互干扰的情况。CBTC 中车地无线通信系统部分就工作在此频段，与其它工作在相同频段的 WLAN 用户都存在频率重叠，这样势必将产生相互的干扰。

图2 802.11无线信道的划分

1.1 CBTC系统中的同频干扰分析

同频干扰是指有用无线电波信号与外界无线电波信号采用同一频率，外界电波会影响接收机对有用信号的接收，从而产生的干扰。IEEE802.11系列标准的MAC层引入了载波侦听多路接入/碰撞避免(Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制来解决这一问题。由CSMA/CA的特性可以知道，当多个站点同时占用相同信道工作时，信道上一次只能发送一个数据帧，这时各个站点在发送数据帧前就需要经历帧间隔时间和后退时间，有可能是经过多次的后退才能发送，这就会导致数据帧的发送具有一定的延时，另外，帧传送前虽然延迟随机时间但还是可能发生碰撞，而当冲撞发生又侦测不出来时，此时传送的帧就会漏失掉，导致丢包[4]。比如地铁中使用的PIS系统(旅客信息系统)，它是向乘客提供信息服务的系统，该系统车地通信采用无线方式，无线频段采用IEEE802.11标准中的2.4GHz或者5.8GHz，当PIS和CBTC系统占用相同信道时，会导致数据包的碰撞，CBTC工作站发送数据帧也会产生延时和丢包，影响了吞吐量。这就是PIS对CBTC系统造成同频干扰的一个重要原因。

1.2 CBTC系统中的邻道干扰分析

邻道干扰简言之就是相邻信道功率落入接收机信道频率范围内造成的干扰，在这种情况下，802.11系统的RF子系统(射频系统)与数字滤波器的设计可能对AP或基站的性能造成极大影响。如当CBTC系统的WLAN和PIS系统的WLAN使用相邻信道，或信道中心频率间隔小于5MHz的时候会有一部分信道重叠，所以信号之间会产生影响，这个就是邻道干扰对CBTC无线通信系统的影响[5]。信道越接近，重叠的部分越大，影响越严重；反之，信道越远，重叠的部分越少，影响越小。

2.CBTC系统中无线干扰的处理办法

针对上述理论分析的结果结合实际应用中主要的几种干扰来源提出了以下解决方案：

(1)加强对非行车用通信系统的建设管理

由于采用无线局域网技术的CBTC车地通信过程会受到其他采用相同频段无线电波的干扰。并且如果干扰源位于列车运行的切换处时，将对CBTC车地通信过程的影响远远增大。所以要加强对非行车用通信系统管理，主要是指移动、联通等手机运营商，应对其整个网络设备的布局进行合理规划，特别对在地铁隧道空间内的安置的可能出现车地漫游切换点附近设备，并应禁止架设其他任何类型的通信的发射和接收设备。

(2)合理选择无线频段

由于CBTC无线通信系统采用了IEEE802.11g系统标准中开放的2.4GHz频段，造成了或多或少的受到来自系统外的干扰，如若CBTC系统选用5.8GHz的频段的传输数据速率不仅较2.4GHz的频段快，而且可用的资源较多，仅仅是需要向国家无线电管理委员会申请有偿使用。考虑到CBTC中车地无线通信系统，传输数据少，占用无线带宽资源较少，但安全等级高，有理由投资部分成本使其应用5.8GHz频段，这样可以最大程度地解决干扰问题，保证地铁的行车安全。如若因为某些特定原因CBTC车地无线通信系统必须使用IEEE802.11g系统标准中开放的2.4GHz频段，可以建议其它使用同频段的地铁通信系统如PIS系统改为使用5.8GHz的频段。

(3)提高有用信号发射频率或降低干扰信号发射频率

在干扰源与CBTC车地无线通信系统所采用信道间隔相同，即信道重叠部分相同的条件下，CBTC车地无线通信系统受干扰的影响取决于信号发射功率。当有用信号发射功率提高时，干扰的影响逐渐减小；反之，当干扰发射功率提高时，干扰的影响逐渐增大，所以首先应在确保地铁乘客手机通话质量的前提下，降低各手机运营商信源的发射功率。以及在保证地铁运行安全的前提下降低其它相同频段通信系统的发射功率，来尽可能的减少干扰的影响。或者CBTC车地无线通信系统应该在2.4GHz频段允许的范围内，提高AP天线的发射功率。地铁中的PIS系统也采用2.4GHz，并且不间断地向旅客提供列车到达预告、换乘车次等与乘车有关的信息，对CBTC车地无线通信系统来说，PIS属于车载干扰。车载干扰的影响是比较严重的，提高CBTC车地无线通信系统信号设备的发射功率可以有效地克服这一问题。另外，采用AP定向天线、降低接收机灵敏度等方法，都可达到增强有用信号、减弱干扰信号的效果，从而提高了信噪比，最终实现抗干扰的目的。

(4)其它建议

在优化频段和提高发射功率的基础上还可以通过AP的冗余部署来防止系统的性能下降，提高传输的信噪比。任何轨旁AP故障都可能导致系统性能下降。为避免AP故障引发系统性能降级，轨旁AP的部署间距可以考虑设计小于AP的覆盖半径，这样即使单个AP(X)出现故障，相邻2个AP(X-1)和AP(X+1)的信号依然能覆盖到AP(X)的空缺范围，保障无线信号连续不中断。

3.总结

车地无线通信传输的抗干扰措施还很多，以上只是对其中的一些主要方面进行了阐述，具体在各个城市的轨道交通建设中，各个系统由于构成不同所采用的方法可能都不尽相同但作为抗干扰技术发展的一个方向，此项研究会一直继续下去，并且在不断地提出新的抗干扰措施。未来除了集中在频率的规划干扰的主动避让以及软件更新上，将大力研究发展在硬件上的器件抗干扰技术。总之安全问题永远是无线网络不可忽视的技术难点，也是地铁安全所要考虑的重大问题之一。

[1]郜春海.基于通信的轨道交通列车运行控制系统[J].现代城市轨道交通,2007:8-10.

[2]黄柏宁,戎蒙恬,刘涛.CBTC无线信道规划中信道间干扰因子的研究[J].计算机工程与应用,2009,25(45):228-230.

[3]魏克军,赵洋,侯自强.基于IEEE802.11协议的WLAN无线资源管理浅析[J].电信科学,2006(8).

[4]步兵.CBTC系统中无线通信的可用性分析[D].北京:北京交通大学,2001.

[5]孙慧,李宇东,顾晏齐.基于无线通信的列车控制系统与乘客信息系统的无线网络建设方案探讨[J].城市轨道交通研究,2010(8):113.