基于无线局域网的CBTC车地无线通信系统抗干扰性能提升方案研究

赵跟党 张 扬

(1.西安市轨道交通集团运营分公司,710018,西安；2.交控科技股份有限公司,100070,北京∥第一作者,高级工程师)

0 引言

CBTC系统基于列车高精度主动定位和车地双向实时通信实现移动闭塞高密度安全追踪，典型CBTC系统架构如图1所示[1-2]。可靠、大容量的双向车地无线通信是CBTC系统的关键因素之一[3]。受通信技术和频段制约等影响，在CBTC系统推广应用的初期，绝大多数CBTC系统选择了运行在公共开放频段的无线局域网(WLAN)技术。

图1 CBTC系统架构示意图

采用免费开放频段的策略使CBTC系统更早获得了市场认可，但同时也带来无线通信干扰等一系列问题。 研究人员在CBTC设计初期已意识到无线通信干扰等问题的可能性，并在传输形式、调制方式及冗余机制的选择上采取了一定的措施[1]。文献[2]针对列车控制系统的运行机制，提出从物理层、网络层和管理层防御网络攻击。网络层中捕获防御层和干扰器之间的交互，采用网络层防御策略抵御干扰攻击，为了减轻干扰对列车运行的影响，提出在列车控制过程中根据网络状态调整控车策略，以减小网络干扰对系统的影响。文献[3]提出双网冗余结构叠加安全协议满足安全苛求列控系统在信息传输可靠性和安全性方面的需求。文献[4-5]通过建立抗干扰的办法和评价机制对城市轨道交通内部的同频干扰、邻线干扰进行管理和处置。

为最大程度提升CBTC车地信息传输的可靠性，目前无线信息的传输媒介主要采用了自由波、泄露电缆和泄露波导管3种方式，部分线路采用了2种或更多方式的组合。2013年，深圳地铁2号线和5号线因无线通信干扰导致列车多次紧急制动后，针对无线通信系统抗干扰性能的提升问题更加得到了重视[6]。

针对乘客无线通信系统、换乘信号干扰、乘客所携带和使用的电子产品造成的干扰以及其他同频信号干扰，可采用频点隔离与补空方式解决PIS(乘客信息系统)与信号系统的干扰。应加强系统消除非法接入的能力，如SSID(服务集标识)广播、网关参数设置、增加交换机层数等方案[7]。

可采用双网、双信道冗余设计，天线、漏泄同轴电缆和波导管无线覆盖的方式增强抗干扰能力。AP(访问接入点)通过无线信道扫描和监测信道利用率、流量、干扰等信息以动态调整发射功率；采用信道复用技术降低信道使用竞争，以提高信道抢占成功率[8]。

需对已投入运营的地铁信号系统车地通信抗干扰的解决方案提出了改造思路，包括轨旁AP调整为窄带工作模式、改变MAC(介质访问控制)层信令结构、替换车载和地面AP使得无线设备物理层改造为直序扩频模式[9]。

文献[10]则充分利用LTE(长期演讲)技术在抗干扰能力、移动接入性和综合承载方面的优势，建议成本允许的情况下，新线建设和改造应优先选用LTE技术。

2.报道方式上注重灵活性。经过探索和实践，新闻报道形成了“客观、公正、真实、全面”的规范化要求，地市级电视台的新闻在报道方式上注重多样性和灵活性，就能丰富报道内容，增强报道的活力，进而适应观众的需求。

即便采取了各种措施，因通信干扰问题导致CBTC列车紧急制动的现象仍无法完全避免。北京地铁某线受通信干扰的问题是这一类的典型问题。由于建设较早，采用了基于开放频段的车地无线通信系统，但又由于尚未到改造期，因此无法将全部无线通信系统更换为采用专用频段的LTE系统。因此，对北京地铁某线车地无线通信问题的分析和抗干扰性能提升方法的研究，对我国广泛应用的CBTC系统性能提升和安全运行保障具有重要的意义。

1 因车地通信中断导致列车紧急制动故障的问题分析

1.1 问题描述

在北京地铁某线开通初期，不存在无线通信系统中断的问题。随着城市建设的不断发展，上述问题逐渐出现并日益严重。自2017年10月以来，该线发生多起因车地通信中断导致列车紧急制动故障(见图2)。列车故障后造成多列后续列车晚点，对运营组织造成极大的压力。

图2 北京地铁某线无线干扰故障统计

从历年的无线干扰故障统计数据分析，有以下结论：①地点相对固定，万源街站、荣京东街站、同济南路站；②冬天较为高发，故障数从10月份开始逐月增加，且故障总数呈逐年增加趋势；③最多时月故障达100件，造成运营压力大。

1.2 问题分析

针对冬季无线通信故障高发的问题，在室内搭建调试环境，通过高低温试验箱测试设备性能，从室内验证结果找出了设备故障和性能下降的可能性。

针对地点相对固定，提出对相关区域开展无线频段扫描检测。以荣京东街站为例，使用软件(inSSIDer4)监测发现1信道无线接入点多达200多个，且某信号无线网络覆盖占用信道比率过高(见图3)，导致CBTC信号发生重传概率增大，总体时延增大，进而使列车紧急制动概率增大。

图3 北京地铁某线无线频段抓包个数对比

北京地铁某线车地无线通信地面高架区域敷设波导管、隧道区域敷设自由波天线，列车单端在车顶和车底各配置2个天线以实现与地面设备的通信(见图4)。车载自由波天线在高架区段接收到其他系统的无线信号增加，导致无线传输中断。推断车载自由波天线在高架区段变成了干扰接收器甚至是干扰放大器。

图4 北京地铁某线车地无线通信架构图

2 抗干扰性能提升方案

2.1 通信信号一体化电子切换方案

针对北京地铁某线在高架线路区段上自由波天线引入外界干扰导致无线通信系统故障的问题，提出在相应区段屏蔽自由波天线的解决思路。但由于在地下或隧道区段还需要基于自由波天线进行正常车地通信，因此，解决方案必须能够根据列车所处位置区段智能化地进行自由波天线的切除和使用。该解决方案的需求为：①当列车处于高架线路区段时，无线通信系统中自动切除自由波天线以排除干扰，使用波导管天线进行信息传输；②当列车处于地下或隧道区段时，将自由波天线接入无线通信系统中，使用自由波通道进行车地信息传输，同时将波导管通道作为备用通道。

本方案设计了1个电子开关。它能够根据列车所处的位置自动控制电子开关的状态，实现对无线通信干扰信号的屏蔽。但由于传统的CBTC系统中无线通信系统与信号系统相互独立，无线通信系统无法获知列车位置，从而难以实现该功能。本研究提出通信信号一体化的无线通信系统抗干扰性能提升方案，即信号系统根据列车位置控制电子开关的通断状态，实现对通信系统结构的改变。所提出的车地无线通信架构图如图4所示。

列车运营时，默认采用波导管天线和自由波天线双路接收地面无线信号。当列车从隧道区域驶入高架区域时，车载子系统根据列车高精度定位，判断头端车载波导管天线进入切换点后，将车头电子开关切换至自由波隔离状态；判断尾端车载波导管天线进入切换点后，将车尾电子开关切换至自由波隔离状态。当列车从高架区驶入隧道区时，则反之。

车载子系统判断列车丢失定位后，默认控制信号恢复电子开关为正常运营状态。

图5 解决方案的硬件原理图

2.2 试验验证

2.2.1 干扰源验证

为了进一步判断干扰源形成的原因，证明电子切换方案的合理性，在试验室搭建了试验平台(见图6)，进行干扰模拟试验。试验方案如下：①模拟1套车地传输的通信链路，并接入车载业务终端和地面业务终端；②引用3个独立的干扰源，与车地通信链路共用；③分别叠加1路、 2路、3路的干扰源进行数据传输，观察业务通信质量。实验室测试结果参见表1。

图6 实验室干扰测试平台方案

表1 实验室干扰模拟通信测试结果

通过数据分析结果来看，当存在WiFi(无线网络)同频干扰时，干扰信号的强度不是对通信系统造成影响的决定因素。起决定作用的是同频WiFi信号是否有数据传输及数据传输流量。当同频的多个WiFi信号同时进行数据传输时，会导致信道竞争加剧，所有的WiFi传输均受到信道竞争机制的影响，造成空口传输长时延、吞吐量下降的情况。

2.2.2 解决方案验证

为验证解决方案的可行性，针对提出的解决思路搭建试验平台，如图6所示。

图7 实验室电子切换测试方案原理图

模拟列车在高架段运行过程，通过电子开关的闭合过程及通信质量变化，得出测试结果如表2所示。

表2 实验室电子切换下通信测试结果

通过室内试验可知，基于通信信号一体化的电子开关解决方案，可以依据业务通信的特点、基于列车位置信息实时进行传输链路的调整，有助于降低无线干扰的影响。

2.3 现场验证

实验室验证干扰原理后，组织开展现场试验验证，在验证了可行性后通过对部分列车改造而逐步投入运营。

已改造的列车投入运营半年后，与其他未改造的列车进行对比，发现已改造的列车在运营中发生的无线干扰导致列车紧急制动次数，相比未改造列车有明显下降。从平局数量来看，已改造的列车紧急制动故障数平均为2.5，未改造的列车紧急制动故障数平均为8.4，已改造的列车相比未改造的列车紧急制动故障率下降了70%(见图8)。

图8 改造列车与未改造列车紧急制动故障次数统计图

3 结语

随着WLAN应用的普及，CBTC系统所受到的干扰必将不断增加。本文提出的解决方案具有改动小、成本低和见效快的优势，特别是对高架段采用波导管、隧道区域采用自由波天线的线路极有可行性。但本方案并未根本性解决无线通信的干扰问题，建议后续建设的CBTC系统尽可能采用独立频段的无线通信系统采用(如采用LTE技术)，为城市轨道交通安全可靠运行提供保障。