城市轨道交通WiFi车地无线传输系统的安全性研究

徐 嘉

(深圳市地铁集团有限公司资源开发分公司,518026，深圳∥工程师)



城市轨道交通WiFi车地无线传输系统的安全性研究

徐 嘉

(深圳市地铁集团有限公司资源开发分公司,518026，深圳∥工程师)

系统描述了地铁WiFi系统设计、建设及优化整改过程中遇到的系统间干扰等问题，详细阐述了基于通信的列车控制(CBTC)系统采用的信道切换、窄带压缩及锁频等防干扰措施,通过地铁WiFi系统预估用户模型及业务模型计算出地铁WiFi车地无线传输系统的宽带需求,并分析了车地无线传输系统的频段选择,可为地铁WiFi系统的建设提供参考。

城市轨道交通；无线局域网；车地无线传输；通信安全

Author′s address Resources Development Branch of Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,518026,Shenzhen,China

深圳地铁集团有限公司首先提出了建设基于IEEE 802.11系列无线通信协议的地铁WiFi系统的概念,并于2014年7月是率先开通试运行了包括列车WiFi覆盖在内的全套地铁移动互联网系统。为广大乘客提供WiFi接入的同时,也为地铁各类商业服务的经营提供一个全新的业务平台。本文针对地铁WiFi系统建设、经营过程中的系统间干扰、平台架构设计实现等方面的经验教训进行总结。

1 系统间干扰的防控

地铁WiFi系统建设遵循的是IEEE 802.11系列协议,包含IEEE 802.11 a/b/g/n/ac等几个陆续推出的技术标准。其中IEEE 802.11 b/g/n/ac系列技术标准因其在实际应用中的广泛性及相互间的兼容特性在市场上占据了主导地位(用户使用的如手机、平板电脑等各种移动终端均支持该系列无线通信协议),因此,地铁WiFi系统建设过程中接入子系统也必须支持此类技术标准。该系列协议工作于2.4 GHz和5 GHz频率范围。其中IEEE 802.11 b/g只支持2.4 GHz频段,IEEE 802.11 n工作在2.4 GHz及5 GHz并向下兼容b/g协议,IEEE 802.11 a/ac工作在5 GHz频段。

考虑到对现有及未来用户终端的普遍支持能力,地铁WiFi用户接入子系统需要2.4 GHz与5.8 GHz频段的双频覆盖,同时支持IEEE 802.11 a/b/g/n/ac协议。由于很多地铁基于通信的列车控制(CBTC)系统与乘客信息系统(PIS)均采用了IEEE 802.11系列协议进行信号传输，并工作在2.4 GHz频段,不可避免地带来了系统间的信号干扰问题。

1.1 2.4 GHz 频段WiFi信道分布

表1为2.4 GHz频段WiFi信道分布。2.4 GHz频段共分配有13个WiFi信道(某些国家有14个信道)。但信道间并未充分隔离,相邻信道的中心频点间隔仅为5 MHz,每个信道总带宽为22 MHz。信道间频谱范围互不交叉的前提是中心频点间隔25 MHz以上,即信道间隔5个以上,因此互不干扰的信道最多只可以提供3个(1、6、11或2、7、12或3、8、13信道)。综上所述,2.4 GHz频段范围虽然提供了13个信道,但信道间没有充分隔离,因此在系统建设实施过程中,如不事先规划统一部署,很容易导致同频、邻频干扰现象发生。

表1 2.4 GHz频段WiFi信道分布表 MHz

1.2 CBTC系统的抗干扰措施

CBTC系统的通信保证涉及到地铁列车行车安全,必须全力保障,但2.4 GHz频段是针对WiFi免费开放的公众频段,没有任何法律依据限制运营商及广大群众对该频段的使用。因此，对CBTC系统进行升级改造,提高其抗干扰能力势在必行。

1.2.1 信道切换

为保证在受到干扰的情况下仍可实现车地系统间正常通信,CBTC设置了主备2个通信信道。当主信道受到干扰时,系统会主动切换到备用信道,从而保证通信信号的正常传输。

CBTC信道选择原则是:主备2个信道必须充分远离,从而保证在主信道受到干扰并切换至备用信道后,不会继续遭受同一干扰源的信号干扰。例如:主信道设备2信道可能受到来自1至7信道中任何一个干扰源的干扰,且最远端在7信道；而7信道干扰源所占用的信道与2—11信道间的任何一个信道都有交叉,即理论上可以干扰到2—11信道间的任何一个信道。所以,只有将备用信道设定在12信道以后的信道,才能保证信道切换后不会再受到来自同一个干扰源的重复干扰。在实际应用中,CBTC常选择将主、备信道设置为信道2和信道13。

1.2.2 窄带压缩

设置了信道切换功能后，虽然在有1个干扰源的情况下，CBTC通信信道的主备信道切换可确保系统通信安全；但2.4 GHz频段范围内的13个信道均为向公众免费开放的信道,无法确保在覆盖范围内只有1个干扰源。所以只设置主备信道并不能完全确保CBTC系统的运营安全。为了确保CBTC系统安全,还需其他可让系统间信道远离的方法,窄带压缩的解决方案由此而生。

根据香农定理,信道容量与信道载频带宽直接相关,带宽的压缩将直接导致信道容量的下降。与WiFi、PIS等系统不同,CBTC系统只应用于列车与轨行区间的控制信号传送,其数据量较小，对信道带宽要求不大,可适应窄带压缩后的信道带宽。因此,该方法只适用于CBTC系统,但不宜在WiFi或PIS等需要带宽保证的系统实施。

根据CBTC系统的5 MHz窄带压缩理论要求，将2信道的实际覆盖范围由2 401 MHz～2 423 MHz调整到2 414.5 MHz～2 419.5 MHz,13信道由2 461 MHz～2 483 MHz 压缩到2 469.5 MHz～2 474.5 MHz(如表1所示)。压缩之后的2信道与5信道(2 421 MHz～2 443 MHz),以及13信道与10信道(2 446 MHz～2 468 MHz)之间的频谱主能量分布区已经分离,信道间已基本隔离;而5信道和10信道间隔5个信道,其频谱范围也基本不重叠,如图1所示。

图1 CBTC系统窄带压缩后的WiFi频谱环境示意

由图1可见,经过窄带压缩处理后,除增加了CBTC系统自身的抗干扰能力之外,其所处的WiFi无线环境中,互不干扰的信道最大数量也由原来的3个(1、6、11或2、7、12或3、8、13信道)变成了4个(2、5、10、13信道)。因此,经过窄带压缩,在轨行区2.4 GHz环境中,有可能容纳CBTC(2、13信道)、PIS(5信道)、WiFi(10信道)等系统在互不干扰的情况下共同工作。

1.2.3 锁频

WiFi信号发射设备大多具备信道自动选择功能。该功能开发的本意是在信号发射设备与接收设备之间,选择一个干扰相对较小的信道,避免系统间的干扰。但在地铁环境中,该功能的激活将有可能导致发射设备(如WiFi设备)选择将工作频率设置到邻近的CBTC系统信道,从而威胁CBTC系统的安全运行。因此，建议WiFi系统的发射信道固定在远离CBTC系统工作频段的信道之上(例如5信道或10信道)。

综上所述,在地铁WiFi的建设、改造过程中,通过对2.4 GHz无线环境的综合管理及改造,可实现CBTC、PIS及WiFi等系统在互不干扰的条件下安全共存。

2 地铁WiFi车地系统设计及干扰的预防

地铁WiFi系统主要由控制中心子系统、车站子系统、车载子系统和车地传输子系统(包含车地无线传输子系统及站间有线传输子系统)构成(见图2)。其车地系统的建设是决定其用户使用体验的关键环节。

图2 地铁WiFi系统架构示意图

2.1 需求预估

列车车厢内空间相对狭小,高峰期人员密度较大,WiFi终端的接入密度较大,通过深圳地铁WiFi系统前期建设经验总结,提出以下估算模型。

以B型车为例,满员(按6人/m2为计算标准)情况下,车厢载客量是300人/车厢。超出该人员密度的情况下,列车内部过于拥挤,不再适合各种终端操作。因此,估算模型不考虑超出6人/m2密度情况下的WiFi接入,其参数设置如表2所示。根据表2,高峰时车厢内覆盖AP(接入点)需要满足同时接入216个终端,其中，108个终端并发;每列列车需要满足1296个终端接入,其中648个终端并发。根据高峰时并发使用的数量,结合用户的业务模型及其相应的带宽需求，即可计算出整体带宽需求(如表3及表4所示)。

表2 列车WiFi使用模型

表3 地铁WiFi系统业务使用模型及单用户带宽需求估算

表4 车地传输带宽需求估算

由表3可见,平均每用户业务需求估算值为233.5 kbit/s,进而可以估算出，初期车地无线传输带宽需求为211.09 Mbit/s。考虑到用户业务模型发生快速变化的可能性,及地铁隧道内施工的困难度,建议在建设期尽可能实现车地传输带宽的最大化,避免后期改造扩容的难度(该模型中业务及用户比例数据均为预估数值,各单位可结合自身具体情况及统计数据做出相应调整)。

如前文所述,WiFi车地无线传输系统需在列车与轨行区之间建立1个200 Mbit/s以上的无线传输通道。为实现如此大的吞吐量,必须结合IEEE 802.11ac标准及相关MIMO(多入多出)、信道绑定等技术,建设基于大带宽的车地无线传输系统。

2.2 频段的选择

目前我国分配给WiFi的频段有2.4 GHz(2 400～2 483.5 MHz)、5.1GHz、5.3 GHz及5.8 GHz(5 150 ～ 5 350 MHz,5 725 ～ 5 850 MHz)频段。5.4 GHz频段尚未放开,暂不能使用。考虑到2.4 GHz频段的系统间干扰问题等原因,WiFi车地无线传输系统不建议采用2.4 GHz频段。

IEEE 802.11ac技术支持5 GHz频段的多信道动态绑定,且最大可支持160 MHz的信道绑定(由8个20 MHz带宽的信道组成)。该功能为车地大带宽无线传输系统的实现提供了载频资源基础。在IEEE 802.11ac的绑定协商过程中,如计划绑定的信道已被使用,则系统会自动协商降低至与已被使用的信道相匹配的最低标准。例如,系统一要求80 MHz绑定,系统二在该80 MHz频段范围内要求40 MHz绑定,则绑定能力降至40 MHz。考虑到5.8 GHz频段已为众多终端所广泛支持并使用,为避免车地传输信道绑定失败,不建议采用5.8 GHz频段用于车地系统建设,宜采用5.1 GHz及5.3 GHz频段,组成2个80 MHz的绑定信道,以确保系统的运行安全。5 GHz的频段信道如图3所示。

图3 地铁车地无线通信的5 GHz 频段信道

3 结语

本文通过总结深圳地铁WiFi系统建设过程中的经验,对如何设计建设地铁WiFi车地系统,才能在避免系统干扰的同时,满足广大乘客的使用需求,做出了初步的分析总结。虽然,该业务在全国地铁范围内尚未全面开展,缺乏实际运营数据的支撑,但通过对系统间干扰的研究和对使用及业务模型的积极探索，仍可为未来系统建设提供经验性的理论及数据支撑。

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[4] 孙寰宇.轨道交通车地无线组网技术及干扰分析[J].城市轨道交通，2015(4):51.

On the Safety of Train/Ground WiFi Communication for Urban Rail Transit

XU Jia

The issues of inter-system interference encountered in metro WiFi system design and implementation phase are described, the corresponding anti-inteference measures based on CBTC are explained in detail, including channel switching, narrow-band compression and screen lock. The broadband requirements for metro WiFi transmission is calculated by analyzing the estimated user model and business model of WiFi system, the selection of train/ground wireless communication spectrum could provide reference for the construction of metro WiFi sestem.

urban rail transit; wireless fidelity (WiFi); train/ground wireless communication; communication safty

U 285.21

10.16037/j.1007-869x.2016.06.017

2015-10-28)