地铁CBTC系统无线通信技术抗干扰方案

张 磊

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073）



地铁CBTC系统无线通信技术抗干扰方案

张 磊

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073）

摘要：介绍在地铁环境中WLAN应用对地铁系统运营的影响，做出相关分析，并提出解决的措施。

关键词：CBTC；WLAN；干扰；解决措施

Abstract:The paper introduces the influence of WLAN used in metro environment on metro system operation, presents the relevant analysis and puts forward the solution to the in fl uence.

Keywords:CBTC; WLAN; interference; solution

1　概述

在城市轨道交通系统中，基于通信的列车控制系统(CBTC)应用广泛，此系统采用IEEE802．11标准ISM 2.4 GHz频段，使用WLAN技术实现列车控制信息的传输，完成列车与轨旁设备的通信功能。

ISM频段被称为ISM（工业、科学、医疗）频段，在这一频段内，存在着大量的工业、民用设备，包括例如大功率医疗设备、家用Wi-Fi设备、移动热点、工业WLAN设备等。由于是开放频段，存在着大量的免费用户，包括例如大功率医疗设备、家用Wi-Fi设备、移动热点、工业WLAN设备等。

地铁线路主要包括高架和隧道环境，在隧道环境内，WLAN干扰主要来源于乘客携带的移动热点、蓝牙设备等移动Wi-Fi设备；在高架露天环境，还包括附近医院、工厂、民房内存在的设备/设施等，在地铁运行中，容易受到外界信号的干扰。因此，需要CBTC系统的无线传输应用进行抗干扰分析和研究，确保地铁CBTC系统正常、高效运营。

2　CBTC系统无线传输技术应用介绍

2.1数据传输系统介绍

数据通信子系统（Data Communications Subsystem，DCS）是一个封闭通信网络，为CBTC系统中的ATP/ATO、联锁、ATS、维护监测等子系统提供高可靠性的数据通道。

数据通信DCS系统，在各设备之间通过有线网络和无线网络实现双向通信，用以提供各子系统设备之间的有线信息传输以及地面设备与车载设备之间的无线信息传输。数据通信DCS系统由3部分组成，分为有线网络、无线网络和DCS维护管理设备，其无线网络组成如图1所示。

DCS系统使用2.4 GHz（2.4～2.4 835 GHz）标准开放频段。2.4 GHz频段只有3个不重叠的频点，即1（中心频率为2 412 MHz）、6（中心频率为2 437 MHz）和11（中心频率为2 462 MHz）信道。车-地无线网络系统采用冗余双网设计，冗余双网分别工作在“1”信道和“11”信道，双网分别对应有线网络的冗余网络。

轨旁设备之间的数据通信通过有线网络提供透明传输通道，车载设备与轨旁设备之间的数据通信通过车-地无线网络提供的透明传输通道。

2.2应用环境分析

地铁线路主要包括高架和隧道环境，在隧道环境内，WLAN干扰主要来源于乘客携带的移动热点、蓝牙设备等移动Wi-Fi设备；在高架露天环境，还包括附近医院、工厂、民房内存在的设备/设施等。因此在高架环境下，更容易受到外界影响。

为应对这些无处不在的干扰，DCS系统在设计之初，就考虑了抗干扰方案，包括产品的适应性算法，系统的抗干扰机制等。

3　CBTC系统2.4 GHz无线传输技术干扰分析

由于无线通信的空间特性，容易受到空间中各种因素的干扰。从干扰分析的角度看，向空间辐射信号的发信机是干扰源，获取并处理空间信号的接收机是被干扰对象，这些对IEEE802.11g系统的干扰也称为谐波干扰，如表1所示。

表1　CBTC系统无线干扰源分析

4　CBTC系统2.4 GHz无线抗干扰解决方案

4.1抗干扰措施

1）频率分集

频率分集是指使用多个不同的频率来传输数据，以减少所有使用中的信号路径以同样方式失真的可能性。

DCS系统使用双频覆盖设计实现频率分集，任何时候对信号系统中的每一辆列车来说，至少两个冗余频率是可用的。

在地铁应用中，使用2 412 MHz和2 462 MHz。

2）空间分集

采用两个或两个以上天线同时发送或接收同一信息，分为空间分集发信和空间分集接收，特点是克服了多径衰落，需要多个天线。

两个车载无线单元分别位于列车两端，列车长度导致了无线信号传播路径的多样性，从而极大降低了信号干扰的影响。

空间分集接收技术是指在空间不同的位置设置几副天线（或几套接收设备），同时接收一个发射天线的无线信号，然后合成或选择其中一个较强信号来达到抗干扰的目的。

DCS车载设备在每个方向具有两个定向天线通过设置使这两个天线工作在分集模式下，且两个天线相距一定距离，实现空间分集来有效抵抗多径干扰。

3）定向天线

采用小角度定向天线，一方面提高传输性能，避免信号的无效泄漏；另一方面由于天线的发射角度小，为特定区域即所谓的覆盖区域提供无线服务，其他区域不能收到信息，增强来自轨道方向的有用信号，降低来自干扰方向（天线旁瓣）的信号，提高信号的载干比。

4）带通滤波器

使用带通滤波器，对DCS系统使用的1和11信道进行滤波处理，将不同频点的信号隔离，消除其他频段信号对本信道产生干扰。

5）无线调优

通过在轨旁合理布置AP位置，并且对线路上的AP进行调优，对其发射功率、天线方向角度进行优化，防止AP之间覆盖区域的过度重叠，从而大大降低同频干扰的影响，并且使得车载无线设备能够在合理的阈值进行切换。

6）低占空比

使用高速率和短数据包发送数据，降低数据受到干扰影响的几率。CBTC系统使用的数据包大小和发送速率如表2所示。

表2　CBTC无线通信数据包参数

CBTC业务的数据包都为短数据包，发送速率很低，带宽要求低，因此CBTC系统通道具有低占空比的特性。

7）OFDM技术

OFDM技术是一种多载波系统，每个载波分解为52个子载波，每个大约是300 kHz宽，其中48个传输数据，其余的4个用于纠错。OFDM把一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流，以并行的方式在多个子信道上传输，受到干扰时，只有一小部分子载波会被影响，然后通过纠错编码来解决。OFDM的编码方案和纠错技术可以有效的对抗各种干扰，如图2所示。

8）重传协议

数据源在数据包发出后要等待接收确认数据包（ACK），如果在规定的时间内没有收到ACK数据包，发送端将重新发送一个相同的数据包，直到接收端收到数据包为止。在一般情况下，重传次数为64次，但是在CBTC系统中，如果出现丢包，则可能出现数据包已经超出应用允许范围，但无线设备还在尝试重传情况，因此需要对重传机制进行调整。

在DCS系统中，对无线设备减小重传的尝试次数，并且设定当重传到一定数量时，抛弃相关数据包，以便引发切换机制，达到快速漫游的目的，车载客户端减小在信号强度差的AP下的驻留时间，保持业务的正常传输。

4.2抗干扰效果

通过DCS系统产品级和系统级设计，信号DCS系统能够有效的降低外界因素的影响，保证系统的高效运营。

但是ISM频段作为公用频段，开放性是其最大的特点，而地铁信号系统使用这一频段传输安全信息，虽然使用技术手段能够最大程度的克服外界干扰，但仍存在一定的不合理性。

4.3专用频点

针对ISM频段的开放性问题，需要地铁行业申请专用频点，使得CBTC系统的通信信道在一个纯净的环境下，彻底解决安全信息在开放频段传输的不利局面。目前可用的频点如5.9 GHz，可以作为地铁CBTC系统专用频段使用。

5　结论

地铁中WLAN设备的应用范围将持续增多，而随着基于2.4G产品应用的进一步增加，采用WLAN技术的CBTC车地无线通信将遇到更多的干扰因素，对地铁系统运营造成影响。

因此，在地铁设计中，需要合理的使用无线抗干扰技术来减轻或抑制无线干扰；并且在未来，能够使用地铁信号系统专用频点彻底解决信号的干扰性问题，这样才能最大限度地发挥CBTC系统的优势，提高运营效率。

参考文献

[1]郑莹．基于无线通信的CBTC研究综述[J].通信技术，2011，4（12）：137-141．

[2]朱力，宁滨.基于IEEE802．11g标准的CBTC车地通信系统设计[J].中国铁道科学，201l，3l（5）：119-124.

[3]杜成.城市轨道交通CBTC系统2.4 GHz无线传输技术的应用研究[J].铁道设计标准，2013（3）：129-133.

[4]李晓刚.车地通信延时对CBTC系统列车运行控制的影响分析[J].铁路通信信号工程技术，2011，8（6）：44-46．

[5]邱鹏，李亮.关于CBTC系统无线通信抗干扰技术的研究[J].现代城市轨道交通，2009（6）：52-55．

[6]蒋海林，步兵，郜春海，等．基于位置的CBTC系统无线局域网切换机制[J].铁道学报，201l，33（10）：51-56．

[7]陈黎洁，唐涛，吕继东.CBTC越区切换中断时间分析[J]．中国铁道科学，2010，31（5）：125-128．

收稿日期：（2014-08-10）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.018