基于通信的列车控制系统车地通信抗干扰措施

杜时勇

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

基于通信的列车控制系统车地通信抗干扰措施

杜时勇

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

介绍地铁车地通信方式、主要干扰源种类，提出信号系统设计中相关抗干扰措施及工程实施中抗干扰应对措施，提出根据信号系统特点、工程特点选择适合的车地通信抗干扰措施。对信号系统设计方案、工程实施方案进行优化设计，提高信号系统的抗干扰能力和可用性。

地铁；信号系统；车地通信；抗干扰措施

1 研究背景

随着基于通信的列车信号控制系统广泛应用和无线通信技术的迅速发展，一些城市（如广州、深圳、重庆等）发生了无线信号源干扰信号系统车地通信的事件。随着无线城市建设的规划和实施以及无线通信技术日新月异的发展，信号系统车地通信受到外界干扰的问题也越来越突出。由此，需要对基于通信的列车控制系统车地通信抗干扰措施进行分析、研究，用于优化系统设计方案和指导工程实施。

2 地铁信号系统车地通信方式

基于通信的列车控制系统要求列车实时向地面ATP设备发送列车位置等信息，地面ATP设备主要向列车发送移动授权点信息，以确保授权点随着列车的移动而移动，信号车-地通信的电磁兼容性好坏直接决定了移动闭塞ATP系统能否安全和可靠地工作。

对国内目前主流的移动闭塞信号系统实施方案进行调研，信号车-地通信的传输介质主要有自由空间波（天线）、裂缝波导、漏缆等方式。漏缆、裂缝波导和自由空间波（天线）采用的频率一般选用在2.4 GHz或5.8 GHz，传输信息量较大。根据现场条件（如城市景观、隧道结构等）这3种传输媒介可单独适用，也可结合使用。

3 干扰源分析

无线系统的干扰通常包括带内干扰和带外干扰，带内干扰是指在本系统设备工作频段内工作的其他电子设备对本系统产生的干扰；带外干扰是指工作在非本系统工作频带（通常是相邻频带），但是其产生的杂散信号或交调信号落在本系统工作信道内，从而对本系统造成的干扰。带内干扰是影响无线系统工作的主要因素，带外干扰通常也折合为带内干扰来分析。

3.1 带内干扰

对WLAN系统而言，带内干扰可分为Wi-Fi干扰和非Wi-Fi干扰，Wi-Fi干扰是指采用IEEE802.11标准的其他WLAN设备对本WLAN系统的干扰，Wi-Fi是WLAN系统的主要干扰，同等干扰功率下，其影响比非Wi-Fi干扰大得多。然而，由于ISM频段被广泛使用，非Wi-Fi干扰同样不能忽视，对WLAN系统而言，常见的非Wi-Fi带内干扰源如下。

*无绳电话（2.4或5.x GHz频段)；

*蓝牙设备（2.4 GHz频段)；

*脉冲雷达（5.x GHz频段)；

*微波炉（2.4 GHz频段)；

*低能量RF光源（2.4 GHz频段)；

*微波传输：很多地方存在大量的用于传输的微波链路，这些微波传输处于比较高的频段（2 GHz左右）；

*采用包括蜂窝、蓝牙与WLAN在内的多种无线技术的集成设备、手持终端与PDA中假信号RF噪声；

*满足新兴“全频段”要求的宽频带5.x GHz设备；

*其他非Wi-Fi标准的通信设备。

如图1所示，干扰情况与干扰源（interferer）和CBTC系统之间的距离，墙壁衰减，树、栅栏和任何其他路径障碍引起的衰减具有很大的关系。

图1 干扰因素

3.2 带外干扰

干扰可能来源于相邻的信道（带外干扰）。通常由信号干扰比率(S/I或SIR)决定WLAN的性能。对于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要，如图2所示。

图2 干扰模式

从IEEE802.11射频发出的信号生成超出其许可频带范围的能量，称为边带发射。这种情况也会出现在其他无线设备上，如蓝牙、无绳电话以及其他与IEEE802.11占用相同频带的设备。虽然通过滤波可以将来自相邻信道的RF干扰降至最低，但是此干扰还会生成旁瓣能量，此能量属于IEEE802.11 WLAN信号的通频带范围内。如果ACI比IEEE802.11信号强，来自ACI的边带能量将主导信道的噪声层。如图3所示。

图3 占主导地位的边带干扰

3.3 地铁车-地通信背景噪声分析

为了解地铁车地通信的干扰源，需对线路的实际运营环境进行分析和调查，主要包含对车站电磁环境、日常运营时车辆上的电磁环境，以及动车测试时电磁环境进行频谱分析。根据收集到的环境调查信息分析，若信号系统采用2.4 G频段，地下线路2.4 GHz频段的现场电磁环境中存在2个方面的干扰：非Wi-Fi设备的干扰和Wi-Fi设备的干扰。以杭州地铁为例，分析内容如下。

1）站台区域的电磁环境分析结果

*车站内可识别设备多数为蓝牙和无线耳机，少量非标准频道Wi-Fi设备，干扰量很小。

*频谱分析显示，车站内存在周期性杂波干扰，周期时间约为5～6 min，和车辆到站间隔吻合，判断为车辆的电磁干扰以及车载设备信号。

*车辆停靠站台期间，电磁环境较为复杂，但干扰量不大，为轻度干扰。

*人流量大的换乘站站台，一直存在较多无线干扰。但干扰量不大，为轻度干扰。

2）日常运营时车辆上的电磁环境分析

*车辆在库静止状态时，电磁环境干净，无杂波信号存在。

*车辆开动后有无规律电磁干扰存在。

*车辆开动后有长时间持续电磁干扰存在，判断为车载其他电子设备的电磁辐射，该电磁干扰的能量集中于Wi-Fi 2.4 GHz频段信道。

*车辆内有大量可识别的持续无线发射设备。

*类似微波炉信号等无线干扰设备。

3）动车测试时电磁环境分析

在动车测试中通过采集车载天线无线频谱的方式进行频谱勘测。

4 系统设计中相关抗干扰措施

1）减少干扰信号在CBTC系统工作信道的概率

采用变频技术。由于2.4 GHz是开放频段，在地铁环境中有大量的设备如蓝牙、开放的2.4 GHz的Wi-Fi、微波炉等设备都工作在2.4 GHz的各个信道，采用变频技术能避免窄带信号对信号信道的干扰。

降低工作信道带宽。采用5 MHz工作频宽的技术。针对窄带的干扰信号而言，相对狭窄的工作信道能有效降低干扰信号对工作信道干扰的概率。

2）冗余备份

保证系统充分的冗余备份是非常重要的抗干扰措施之一，CBTC通常采用2套完全独立的无线网络接入系统。在IEEE802.11g制式中一般选用channel 1和channel 13作为传输应用信道，CBTC控制命令在2套系统中独立传输，只要有1个系统传输成功即可保证正常的控制，由于采用了2个独立信道，同时受到干扰的概率大大降低，从而提高了通信的可靠性。

3）采用定向天线

车地通信系统采用的小角度高增益定向天线，使来自轨道方向的有用信号增强，来自干扰方向（天线旁瓣）的信号减弱，提高了载干比。

车载采用双天线的方式，即为每一个车载无线单元配置了双天线，这样的方式在一定程度上可以有效消除多径干扰的问题。

4）控制发射功率

提高系统自身的发射功率，提高发射机输出功率，保证接收信号有较高的信噪比，减弱干扰信号对系统的影响。但为了避免AP之间覆盖区域的过度重叠，可结合实际情况将AP发射功率设定在与其覆盖范围相对应的级别上，从而降低同频干扰的可能。

5）重传机制

重传机制也是车地通信抗干扰的重要措施之一。IEEE802.11是基于“自动重传”的通信协议，在发送数据包后，发送端将等待来自接收端的确认包（ACK）。如因干扰或其他原因发生数据包丢失，在指定时间内未收到ACK消息，则发送端将重新发送相同的数据包，这种重传机制称为硬件重传。WLAN系统在硬件重传的基础上增加了软件重传，即协议层的重传，在物理层重传仍然不成功的前提下，通过协议层的重传，进一步降低丢包率，提高关键数据传输可靠性。

6）降低占空因数

降低传输占空因数也是一个抗干扰的有效措施，在空中接口使用高速率和短数据包，CBTC最常见的是100 Byte以内的控制命令。采用IEEE802.11g标准的系统在地铁环境下可达到2 Mbit/s（100 Byte包）的传输速率，而CBTC仅需要较小的带宽，带宽空闲较大，有较大的冗余量，在干扰情况下，虽然速率降低，但通过重传机制，可以保证可靠传输。

7）采用专用频段

根据上述分析，在设备及协议侧等方面采取一定的抗干扰措施，可在一定程度上规避干扰信号对车地通信的影响，但要彻底地规避民用设备的干扰，可采用专用频段。目前，从深圳地铁受民用设备干扰事件的影响，国家工业和信息产业部已高度重视，并发文至各省无委调查信号系统车地通信的使用状况，经业内深入研讨，信号采用专用频段是彻底解决民用干扰的方案。

5 工程实施中抗干扰应对措施

1）开放区段

开放路段的障碍物、周围的企业或者家用WLAN设备都可能对地铁CBTC车地通信系统产生干扰，主要产生干扰的原因是一些广告牌和灯箱会出现在天线信号覆盖的第一菲涅耳区域内，从而降低了信号的可用度。对于这样的开放路段无线干扰，除了以上介绍的措施外，AP的布点也很重要，需要结合现场电磁环境，仔细考虑天线布点位置（尤其是弯道处），有效利用天线主瓣功率，抑制天线旁瓣信号的泄漏；对于天线安装高度问题，确保轨旁天线和车载天线通信的第一菲涅耳区域内避免此类障碍物干扰。

2）同站台换乘

对于同台换乘车站，两线路间会产生无线干扰。为避免线路间车地通信的相互干扰，可采用以下措施加以避免。

a.频率规划

两条线路分别采用不同频段（例如：A号线采用2.4 GHz，B号线采用5.8 GHz）。2.4 GHz和5.8 GHz都是开放频段（5.8 GHz的专用频段是禁用的），2.4 GHz有3个完全不重叠的信道可用，5.8 GHz有5个完全不重叠的信道可用。在城市轨道交通相对封闭的隧道空间内频率经过严格的规划，各个系统采用的频段都会有邻频或其他频段的谐波干扰（比如2.4 GHz频段可能会有800 M频率的谐波干扰，5.8 GHz频段则会有GSM 1900或3 GHz频率的谐波干扰），但不同线路采用的2频段之间都有足够的频率间隔，可以有效的防止相互间的无线干扰，达到完全隔离和冗余。

b.采用不同传输介质

减少无线干扰，也可以从传输介质上进行考虑。比如地铁A号线选择天线，地铁B号线可选择泄漏电缆或波导管。

采用泄漏电缆或波导管，可通过控制轨旁无线接入点的发射功率，进行信号的均匀覆盖，可以使信号波动范围减少，进而降低或避免线间无线相互干扰。

c.极化天线

两条线路分别采用不同天线极化方式（即地铁A号线采用垂直极化，地铁B号线采用水平极化）。所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。无论哪种极化方式，其电波都是在一个平面内传播的。

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，天线就接收不到来波的能量，这种情况下极化损失最大，极化完全隔离。这样能有效防止2线路间的无线干扰问题。

d.工程安装

为更好解决同站换乘问题，在站台区间段内的AP应尽量往隧道里布点，从而保证天线的主瓣发射电磁波覆盖整个隧道空间，不覆盖到站台区另外一线的隧道，同时这样的“深入布点”方法也能很好的利用隧道的内壁屏蔽天线旁瓣的发射功率。项目中采用的小角度高增益定向天线，波瓣宽度窄，方向性好，作用距离远，抗干扰能力强。工程安装示意如图4所示。

图4 同站台换乘车站AP天线布点图

3）平行线路

对于平行线路，为避免存在平行线路的信号车地通信相互影响，可采用以下措施加以避免。

a.频率规划

合理进行频率选择和频率规划（2.4 GHz、5.8 GHz、LTE或专用频段），是有效的解决两线间无线干扰的手段。

b.两线路间增加隔离

在两线间增加隔离（如：铁丝网、墙等）。在其无线传输链路上增加衰耗阻隔，使其在保证天线主瓣正常信号覆盖下，天线旁瓣信号经过快衰落（20～30 dB），无法泄漏到其他平行线路上，进而影响到其他线路的车地无线通信。

6 结论

通过对地铁信号系统车地无线通信的干扰源、系统设计中抗干扰措施和工程实施中抗干扰措施的分析，在具体的工程实施过程中根据工程特点可采用多种综合的抗干扰措施，对信号系统设计方案、工程实施方案进行优化设计，提高信号系统的抗干扰能力和可用性。

[1]易立富.城轨交通列控系统的车地通信方式[J].都市快轨交通，2006，19（6）：75-77.

[2]王洪伟,蒋海林.漏泄波导在城市轨道交通CBTC车地通信系统中的应用研究[J].铁道学报，2013，35（2）：46-50.

[3]王洪伟,宁滨,蒋海林,等.2.4G CBTC车地通信系统在隧道中的传播特性研究[J].铁道学报，2013，35（10）：53-57.

This paper introduces the train-ground communication modes and main interference source types of the subway and proposes the relevant anti-interference measures in the signal system design and the response measures in engineering implementation. It also puts forward that the appropriate antiinterference measures should be selected according to the signal system features and engineering features, and introduces the optimized signal system and engineering implementation schemes, for improving the anti-interference capability and availability of signal systems.

metro; signal system; train-ground communication; anti-interference measure

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.015

2014-09-11）