上海城市轨道交通无线局域网干扰测试分析

吴英杰 朱 俊

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司， 200235， 上海∥第一作者， 助理工程师)

基于5 GHz频段的Wi-Fi(无线保真)产品在城市轨道交通各专业的应用越来越多。既有CBTC(基于通信的列车控制)系统各种应用数据间的通信是由DCS(数据通信子系统)负责的。其中，车载与轨旁设备间的连接采用自由无线方式建立，该无线传输技术运行在IEEE 802.11 g协议标准的2.4 GHz频段。据不完全统计，在北京地铁、上海城市轨道交通、南京地铁、深圳地铁的部分线路中，DCS的工作频段均为2.4 GHz。为了确保DCS通信正常，本文对现有的5 GHz频段Wi-Fi产品进行现场测试，并分析城市轨道交通其他专业的5 GHz频段 Wi-Fi产品是否会对DCS的正常运作造成影响。

1 Wi-Fi干扰测试的背景分析

1.1 DCS介绍

DCS作为CBTC系统的一部分，为ATS(列车自动监控)、CI(计算机联锁)、MSS(维护支持系统)、ATC(列车自动控制)等的应用提供2套完全冗余的通信通道，以实现各子系统设备之间端到端的连续冗余通信。如图1所示，DCS分为3部分：有线部分、无线部分和网管部分。其中，无线部分位于列车和轨旁，用于实现车载和轨旁设备的数据通信。

注： ATC——列车自动控制。

DCS无线通信协议遵循IEEE 802.11g标准，物理层运行工作频段为2.4 GHz。为减少其他系统对DCS无线通信的干扰，DCS采用了2条独立的通信通道作为其冗余原则。这2条信道频的频点分别为2 477 MHz和2 417 MHz，并分别命名为红网、蓝网。

1.2 5 GHz频段Wi-Fi产品在城市轨道交通行业内应用的背景介绍

2016年11月29日，国务院印发了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，对城市轨道交通行业提出了明确的要求。其中，在设备上的要求主要包括：要强化轨道交通装备的领先地位；突破产业关键零部件及绿色智能化集成技术；进一步研发列车牵引制动系统、列车网络控制系统、通信信号系统、电传动系统、智能化系统、车钩缓冲系统、储能与节能系统、高速轮对、高性能转向架、齿轮箱、轴承、轻量化车体等关键系统和零部件，形成轨道交通装备完整产业链；加强永磁电机驱动、全自动运行、基于4G(第4代移动通信技术)的无线综合承载等技术研发和产业化；等等。由此，各种基于5 GHz频段的Wi-Fi产品应运而生。

2 5 GHz频段Wi-Fi产品的应用对城市轨道交通CBTC 2.4 GHz无线通信的影响

无线传播是指无线电波在自由空间的传播方式，存在传输质量不稳定、信号容易受干扰、保密性差和易被截获等缺点。既有DCS无线通信负责轨旁设备与车载的数据通信，在2.4 GHz频段上的传输功率为24 dBm，接收器的敏感度为-90 dBm(速率为6 Mbit/s)。 而城市轨道交通在用的5 GHz频段Wi-Fi产品的使用频段为5.150～5.350 GHz、5.725～5.850 GHz。从理论角度来看，根据傅里叶级数推断，这2个不同频率的函数是正交的，基本可以排除对CBTC系统2.4 GHz频段造成的干扰。下文通过现场实际测试来验证这一推断。

3 CBTC系统2.4 GHz无线通信干扰测试

根据中国交通运输协会2013[10]号《城市轨道交通CBTC信号系统行业技术规范—需求规范》以及信号合同中的要求，CBTC车地无线通信性能须满足丢包率小于1%，以及车地有线-无线传输延时小于150 ms的要求。因此，本次Wi-Fi干扰测试以这2项指标作为测试项，对城市轨道交通MMIS(移动互联网系统)项目中5 GHz频段信号对既有CBTC无线通信产生的干扰进行测试。

3.1 测试准备

在实施该无线干扰测试前，需要进行的准备工作有：

1) 选择1列完成了MMIS项目及CBTC车载无线设备调试的测试列车。

2) 车库内MMIS项目及CBTC轨旁AP(接入点)设备均按要求安装调试完毕。

3) 为模拟最恶劣的测试环境，车库内除测试股道外，其余股道均停满了车辆。

3.2 MMIS项目数据参数

1) 典型数据传输速率： 200 Mbit/s(5 GHz频段时)。

2) 理论最大数据传输速率： 867 Mbit/s(5 GHz频段时)。

3) 输出功率：以现场调试优化后的数值为准。

4) 最大数据输出功率：27 dBm(5 GHz频段时)。

5) 无线工作频段：5.150～5.350 GHz、5.725～5.850 GHz。

6) 无线通信协议标准：IEEE 802.11n。

3.3 测试步骤及结果

如图2所示，在停车库内选取MMIS项目和CBTC设备直线安装距离最远的1条停车列检线，其股道的A端和B端在同一直线上，分别可以放置1列电客列车。首先将测试列车停放在靠近停车库库门的股道A端进行测试；测试完成后再通过调车作业，将测试列车调至离库门较远的股道B端进行测试。测试全过程使用同1列车，以避免不同列车工况不同而造成参数差异。由现场验证是否满足DCS的无线通信需求：时延小于150 ms；丢包率小于1%。

图2 调试股道示意图

3.3.1 基准测试

在5 GHz频段Wi-Fi无线设备断电条件下，测试列车在股道A端和B端DCS车地通信的端到端性能，测试时间为10 min。此测试的目的在于给出CBTC无线通信的基准通信性能。在股道B端列车静止状态的情况下，得到的测试结果为：在2.4～2.5 Ghz频段内扫频2 417 MHz、2 427 MHz、2 467 MHz、2 477 MHz等4个频点，测试得到的功率分别为-88 dBm、-87.5 dBm、-86.5 dBm、-88.6 dBm;红网的丢包率为0.024%，车地通信延时为53 ms；蓝网的丢包率为0.036%，车地通信延时为53 ms。基准测试的项目均符合要求。

3.3.2 干扰测试项目1

将5 GHz频段Wi-Fi设备上电，同时5 GHz频段Wi-Fi无线设备以典型数据传输速率进行车地无线业务传输。如图5所示，在2.4～2.5 Ghz频段内扫频2 417 MHz、2 427 MHz、2 467 MHz、2 477 MHz等4个频点，得到的测试功率分别为-85.2 dBm、-77.3 dBm、-70.2 dBm、-79.5 dBm。

然后，列车在股道A端进行CBTC端到端测试，测试时间为15 min。测试结果为:红网的丢包率为0.021%，车地通信延时为14 ms；蓝网的丢包率为0.023%，车地通信延时为15 ms。测试结果符合要求。

3.3.3 干扰测试项目2

将5 GHz Wi-Fi设备上电，同时5 GHz频段Wi-Fi设备按典型数据传输速率进行车地无线业务传输。然后列车在股道B端进行CBTC的端到端测试，测试时间为15 min。测试结果为:红网的丢包率为0.036%，车地通信延时为55 ms；蓝网的丢包率为0.010%，车地通信延时为16 ms。测试结果符合要求。

3.4 测试结果分析

将正线上使用频点的测试结果进行汇总，如表1所示。由表1可知，各测试结果的时延均小于150 ms，丢包率均小于1%，现场测试结果满足DCS 无线通信需求。

表1 Wi-Fi干扰测试结果汇总

4 结语

本文的Wi-Fi干扰测试，仅仅针对城市轨道交通内部其他专业对信号专业的干扰进行了测试。与上文的无线测试环境相比，城市轨道交通线路沿线的实际无线环境更为复杂。特别是高架线路区段所处环境更为开放，所受到的干扰更多。随着无线技术的发展，将来会有更多的新型无线技术应用于城市轨道交通领域。对于如何进一步降低外界环境对DCS无线通信的干扰，本文建议如下：① 增加外部网络环境的监控，最好能做到实时监测，监测时若发现所处环境电波干扰超出平时正常参数，应及时预警；② 优化设备内部参数，进一步提高设备的滤波效率和抗干扰能力，进而降低通信丢包率与延时，以保障城市轨道交通的正常运营。