列車運行控制系統車地無線通信的頻段選擇

陶 偉

(上海貝爾股份有限公司，201206，上海∥工程師)

基于通信的列車控制(CBTC)系統已經成為城市軌道交通信號系統的發展方向。CBTC系統最顯著的特點是引入了數據通信系統(DCS)，以此提供車地之間連續、雙向、高速的通信。DCS是CBTC系統的基礎，是整個CBTC系統的支柱之一。

我國城市軌道交通信號系統承載車地通信的方式主要有3種:①傳統的軌道電路系統，例如上海軌道交通1、2號線;②基于感應環線電纜的感應環線通信系統，例如武漢的1號線;③新近發展較快并逐漸成為業界主流的無線通信系統。對于無線通信系統，技術上又包含為采用鐵路專用的移動通信系統(GSM-R)和采用基于IEEE 802.11系列標準的無線局域網(WLAN)。后者正在成為城市軌道交通CBTC系統中應用最廣泛的數據通信系統，例如上海的軌道交通6、7、8、9、11號線。本文將重點討論這一業界最新技術。

截至目前，IEEE小組已經相繼推出了802.11，802.11b，802.11a，802.11g，802.11n 等 WLAN 標準。據調查，目前國內已開通基于無線通信的CBTC信號系統項目中，多數項目使用了基于802.11標準的WLAN技術。該標準的技術優點是采用跳頻擴頻(FHSS)的方式，較好地避免了列車運行線路附近的同頻無線干擾。但是由于該標準自身技術的局限性，其劣勢在于技術較老、頻寬很窄，今后若出現多網融合的需求時，即將信號系統和通信系統融入同一個數據傳輸網由其統一負責傳輸時，基于802.11標準的WLAN技術將不堪重負，其頻帶窄的劣勢將徹底顯現。

由于802.11n技術剛剛問世不久，缺乏大量的實驗測試、認證，目前還無法應用于城市軌道交通項目。因此，本文將重點研究基于 2.4 GHz的802.11 g標準和基于 5.8 GHz的 802.11a 標準，研究其用于城市軌道交通數據通信系統的可行性。

1 頻段特性比較

1.1 信道數目

802.11 g的工作頻段在我國 2 400 ～2 483.5 MHz這83.5 MHz帶寬內，一共劃分為13個信道;每個信道帶寬為22 MHz，最多可以提供3個不重疊的信道同時工作。在這83.5 MHz帶寬以內，WLAN可以無需審批地使用。

802.11 a的工作頻段在不同的國家和地區其規定存在一定差異。在我國，在5 725～5 850 MHz這125 MHz帶寬內一共可容納5個不重疊信道。設置使用5.8 GHz頻段無線電發射臺，必須上報所在省、自治區、直轄市無線電管理機構批準，室外設置的無線局域網須領取電臺執照。

1.2 發射功率

在城市軌道交通中，實際允許使用的發射功率一般隨項目需求而變。通常802.11 a和802.11g的射頻模塊具有近似的發射功率級別，一般為100～200 mW(天線增益≥10 dB)，都滿足國家的標準。

1.3 數據傳輸速率

802.11 a和802.11g的數據速率最高都可達到54 Mbit/s。

1.4 傳播損耗

假定在自由空間(球)中，設在原點0有一輻射源，均勻地向各方向輻射，輻射功率為Pt，則距輻射源d處的能流密度為:S=Pt/(4πd2)。

若接收天線有效面積為A=λ2D/4π(式中λ為工作波長，D為天線的方向性系數 ，對于各向同性的天線D=1)，則接收機輸入功率Pr=S·A=Ptλ2/(4πd)2。

通常定義發射功率與接收功率的比值為傳播損耗。因此，自由空間傳播損耗可寫作LO=(4πd)2/λ2。而λ=c/f，c為光速，f為頻率，將λ帶入并取對數，即獲得通用的空間傳播損耗公式:

LO=32.4+20 lg(d)+20 lg(f)顯然2.4 GHz頻段比5.8 GHz頻段無線傳輸損耗小，所以2.4 GHz的傳輸距離比5.8 GHz遠。5.8 GHz頻段的電磁波在地鐵隧道中遭遇墻壁、地面等障礙物時的反射與衍射效果均不如2.4 GHz頻段的電磁波好，同樣造成覆蓋范圍偏小的缺陷。

可以通過選用較高增益的接收和發射天線來補償部分傳輸損耗。因此，一般情況下，2.4 GHz和5.8 GHz的傳輸損耗在地鐵視距短距離傳輸覆蓋(LOS)時，并不是系統的瓶頸，兩者均可滿足應用需求。但是當在隧道彎道、坡度等非視距傳輸情況下，基于5.8 GHz的802.11 a AP產品的覆蓋距離將大打折扣，需要適當增加AP布點以彌補無線信號的快衰落影響。

2 干擾特性

一個系統的發信機產生的信號對于另一個系統的接收機來說，都是干擾信號，主要有雜散、互調和阻塞等。WLAN系統接收無線干擾主要來源于其它系統的干擾和WLAN系統自干擾2個方面。

2.1 外部干擾

從其他系統對WLAN的系統的影響來看，影響802.11 a的5.8 GHz頻段的干擾源較少，一般為某些波段的雷達和部分微波通信。而影響802.11 g的2.4 GHz頻段的干擾源很多。具體而言，目前對2.4 GHz/IMS可能的干擾源包括無繩電話系統(DECT)、公眾移動通信系統(見表1)、藍牙設備、微波通信系統，以及其它FHSS跳頻通信系統。

表1 我國公眾移動網頻率分配

802.11 g系統占用的頻段為2 400～2 483.5 MHz。802.11 g頻段與GSM/DCS頻段間隔較遠，通過濾波器的幅頻特性完全可以避免阻塞干擾。而3G系統下行頻段中與802.11 g工作頻段最近的間隔有230 MHz，因此兩個系統落入對方工作頻段內的干擾信號已非常弱，并且由于兩個系統頻段間隔較大，公眾移動通信系統對802.11 g影響很小。

藍牙設備采用跳頻擴頻技術在79個帶寬為1 MHz的信道間快速跳躍選頻，在每個跳頻點發送較短的時分復用數據包。藍牙發射器輸出的信號與802.11 g信號在大約18%的時間內會有沖突。因此大功率藍牙設備對WLAN設備的干擾可能影響到802.11 g系統的正常通信，但影響程度主要取決于使WLAN接收設備SNR降低的程度。

無繩電話和微波系統一般不是跳頻通信系統，這些系統的頻帶如果直接和WLAN使用的信道重疊，會極大影響WLAN接收信號的SNR值，對性能影響很大。如果這些系統工作于相鄰的信道，WLAN接收設備通過過濾將相鄰信道的干擾降低，但會有邊帶能量進入WLAN的通頻帶內。此時鏈路裕度的數量或SNR的大小將決定WLAN可以達到的數據吞吐量。

2.2 自干擾

WLAN的自干擾分為同道干擾和鄰道干擾。

1)WLAN系統的同道干擾 。WLAN是基于CSMA/CA的方式工作，簡單來說，就是一個設備要使用WLAN發送數據時，首先要監聽信道，如果信道當前正在被使用，那么就要一直監聽下去;如果信道當前沒有被使用，是空閑的，那么就使用這個信道，這個時候其他設備監聽信道的時候，信道就是被占用的。無線信道是被多個設備復用的，而且設備間的競爭會使性能進一步退化。

2)WLAN系統的領道干擾。WLAN的802.11 g和802.11a的兩個信道之間相隔5個信道，相互間的通頻帶上無重疊，稱為無重疊信道。802.11 g頻帶最多有3條非重疊信道。我國的802.11 a頻帶最多有5條非重疊信道。如果相鄰設備使用的信道是重疊的，則它們都有數據業務時，相互之間會有較強烈的干擾，WLAN接收設備的SNR下降很大。這種干擾對性能的影響取決于領道之間相鄰的信道間隔，一般信道間隔達到4，對性能影響較小，否則影響很大。

2.3 干擾規避

在城市軌道交通信號系統中，最有效規避無線干擾的方法是WLAN的通信信道更換到無干擾無重疊的信道上。相關規避或改善的方法可以參考表2。802.11 a 和802.11 g均可采用。

3 移動性能

3.1 多普勒頻移

多普勒效應是指波源和接收者之間存在著相互運動，造成接收端的頻率與波源發出的頻率之間發生變化。根據經典多普勒效應頻移公式f頻移=f收－f發=v/λ，可知頻移和波長及相對運動速度有關。

2.4 GHz波長為 0.125 m，5.8 GHz波長為0.051 7 m。在一定的條件下，5.8 GHz的頻移是2.4 GHz的一倍以上。在物體做高速移動時，將會產生多普勒頻移，進而導致OFDM子載波中心發生偏移，破壞了子載波的垂直正交性。正交性破壞的直接結果是解調噪聲加大，信噪比下降，而信噪比的下降使得系統有效距離進而縮小。為了更加準確地分析列車高速移動下多普勒頻移對系統的負面影響，需要對OFDM用于高速移動場景進行定量的分析。

多普勒頻移產生的偏移量與子載波的帶寬決定了垂直正交性被破壞的程度。相同速度和頻率的情況下，偏移量相同，子載波的帶寬越寬，正交性被破壞的越小，解調的噪聲也就越小。802.11a和802.11g的子載波數N為64，總帶寬20 M，子載波間隔為312.5 kHz。理論計算可得802.11 g在列車時速分別為100 km、80 km、60 km情況下的頻偏和“頻偏或子載波寬度值”。

表2 干擾規避方法

如圖1所示，802.11 g的無線電波的頻移與子載波寬度相比較所占比率很小，對性能無大的影響。802.11 a的頻移比例是802.11 g的2.4 倍，依舊是很小的值，對性能也無大的影響。在城市軌道交通項目的應用中，由于列車速度的限制，目前理論最高速度為120 km/h，多普勒頻移效應對無線車地通信的影響可以忽略不計。

3.2 切換性能

802.11 a和802.11 g具有相同的無線速率，并且其無線信令和切換流程都相同，兩者的切換性能沒有區別。

4 無線安全分析

802.11 無線安全性規范主要包括 WEP，WPA和 WAPI。802.11 a和802.11 g在安全功能和性能上沒有差異。兩者都支持WEP，WPA，WPA2，WAPI等加密標準。

圖1 高速移動時802.11g的頻移

5 兩種標準的比較

802.11 g和802.11 a兩種標準的比較見表3。

表3 802.11 g和802.11 a兩種標準的性能比較

6 結語

根據以上分析，建議如下:

(1)考慮到城市軌道交通線路自身多為隧道區間，同時由于車地通信方式的特殊性，通常城市軌道交通項目周邊2.4 GHz同頻干擾源較少，可采用干擾規避等措施，使用高指向性天線，或者使用漏泄電纜或波導管方式控制外界干擾。建議首選基于2.4 GHz頻段的802.11 g 無線產品。

(2)若在建城市軌道交通項目周邊存在大量的2.4 GHz同頻干擾源，如城市軌道交通高架線路區域，可考慮選用基于5.8 GHz的802.11 a無線產品或者其它相對“干凈”的頻段。但因其屬于較高頻段進而影響其無線覆蓋范圍，所以在城市軌道交通項目中的非視距傳輸應用時，需要適當增加無線AP布點數量，以彌補其在覆蓋距離上的弱勢。

(3)在城市軌道交通建設階段，PIS和CBTC系統將會同時建設。CBTC通常具備優先選擇權，可以選擇2.4 GHz或5.8 GHz。為了避免同頻干擾，PIS 相應選擇5.8 GHz或2.4 GHz。

(4)若 CBTC和 PIS系統同時選用基于5.8 GHz、2.4 GHz頻段的 802.11 a 或 802.11g 無線產品，CBTC應該具備優先頻道選擇權。應盡量將兩個系統使用的頻段錯開。目前，具有代表性的頻率規劃方案有2種:一是在廣州4號線中，信號使用1、6頻段，主用1頻段，備用6頻段;PIS系統使用8、13頻段，主用13頻段，備用8頻段。二是在北京10號線中，信號使用1、6頻段，主用1頻段，備用6頻段，PIS則只使用13頻段。

(5)CBTC系統和PIS系統可以通過分別選擇不同的天線極化方向來減少干擾。具有水平極化特性的天線接收水平極化無線電波，具有垂直極化特性的天線接收垂直極化無線電波。若天線的極化方向與電波的極化方向不一致時，在接收過程中要產生極化損失，不能有效通信。

802.11 g和802.11 a相對于其它 WLAN標準更加適合城市軌道交通的應用。隨著國內城市軌道交通建設的不斷蓬勃發展，基于這兩種標準的WLAN將會逐漸占據主導，成為今后城市軌道交通信號系統中車地無線通信系統的主流技術。

［1］汪希時.智能鐵路運輸系統ITS-R［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］中國鐵道百科全書總編輯委員會.中國鐵道百科全書通信與信號［M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［3］吳汶麒.國外鐵路信號新技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［4］金純，稱林星，楊吉云.IEEE 802.11無線局域網［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［5］牛偉，郭世澤.無線局域網［M］.北京:人民郵電出版社，2003.