地鐵WLAN應用抗干擾分析

喻瀟

【摘要】 地鐵信號系統和PIDS系統車-地通信方式普遍采用WLAN技術，但是信號傳播的開放性使WLAN系統容易受到來自周圍環(huán)境的各種干擾。本文分析WLAN無線傳輸網絡受干擾的原因，提出了無線干擾處理方法和建議。

【關鍵詞】 車-地雙向連續(xù)通信 802.11 干擾

目前，我國城市軌道交通行業(yè)中信號系統、PIDS系統（乘客信息顯示系統）車-地通信方式普遍采用開放式的基于IEEE802.11標準的WLAN作為通信制式，工作在2.4GHz的開放頻段。由于車輛行進中的無線信號傳播的衰落特性，以及多普勒效應和地下隧道通信的傳播模型特點，都必然會導致信號的碼間干擾，從而導致有效帶寬急劇下降，進而造成無線傳輸的不穩(wěn)定性。另一方面，在區(qū)間隧道中又與信號系統/PIDS系統、民用通信系統（手機運營商）、公安無線通信系統、專用無線通信系統一并分布，尤其是隨著移動通信技術的發(fā)展，手機運營商3G技術的推廣使用，干擾不可避免地存在。深圳地鐵信號系統曾多次因便攜式WiFi的影響造成列車緊急制動，這種干擾已經對軌道交通安全運行造成了重大影響。

因此，有必要對地鐵內WLAN應用抗干擾問題進行分析，避免不利情況的發(fā)生，最大程度上減小干擾對系統性能的影響，更好地保障通信質量，確保信號系統/PIDS系統的正常使用。

一、干擾分析

WLAN信號傳播的開放性使WLAN系統容易受到來自周圍環(huán)境的各種干擾，這些干擾會造成傳輸中的誤碼或阻塞數據的發(fā)送，使系統中的誤碼率和延遲增加，降低可靠性。WLAN系統接收無線干擾主要來源于WLAN系統自干擾和其它系統的干擾兩個方面。

1.1 自干擾

PIDS系統和信號系統的車地通信均使用WLAN技術，不同的是信號系統采用的802.11b/g，而PIDS系統可采用有802.11g和802.11a。相互干擾的主要原因有同頻干擾和鄰道干擾兩個方面。

1.1.1 同頻干擾

所謂同頻干擾，即指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻有用信號的接收機造成的干擾。當信號系統和PIDS系統共用2.4GHz頻段的相同信道時，兩者的信道中心頻點相同，即為同頻。列車運行過程中，信號系統和PIDS系統的車載與地面AP會分別建立關聯，進行無線通信。兩者都需要占用信道進行通信，而通信鏈路只有一條，無法同時發(fā)送數據，對于多個站點同時利用相同信道發(fā)送數據幀的情況，MAC層引入了載波偵聽多路接入/碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）機制來解決這一問題。

CSMA/CA是利用所謂的載波偵聽技術，來判斷某一信道中的信號能量是否達到一個基準點，如果信號的強度在這基準點之下，表示該信道未被占用；反之，則表示忙碌。當工作站想要傳送幀時，先檢測信道是否繁忙。若檢測到信道空閑，則開始等待一段幀間隔時間（DIFS），在這段時間中，如果仍然沒有其他工作站傳送幀，時間到立即發(fā)送幀。若檢測到信道繁忙，或在等待幀間隔時間內信道變忙，即有其他站點發(fā)送幀，則等到其他站點發(fā)送完成后等待一段幀間隔時間（DIFS），時間到達后進入競爭窗口（Contention Window，CW）。此時工作站會產生一段隨機時間，稱為后退時間（backoff time），此后退時間隨時間遞減，工作站必須等到其后退時間減為0才能傳送幀。值得注意的是，此后退時間不一定能順利的持續(xù)遞減。如果只有一部工作站進入競爭窗口，則其后退時間可以持續(xù)遞減到0。如果有許多的工作站同時進入競爭窗口，則在遞減過程中，只要有其他的工作站傳送幀就表示此輪的競爭窗口結束，此時就必須暫停遞減的工作，待下次再進入競爭窗口時才繼續(xù)遞減。CSMA/CA機制的工作過程如圖1所示。

由CSMA/CA的特性可以知道，當多個站點同時占用相同信道工作時，信道上一次只能發(fā)送一個數據幀，這時各個站點在發(fā)送數據幀前就需要經歷幀間隔時間和后退時間，有可能是經過多次的后退才能發(fā)送，這就會導致數據幀的發(fā)送具有一定的延時。另外，幀傳送前雖然延遲隨機數時間但還是可能發(fā)生碰撞，而當沖撞發(fā)生時又偵測不出來，此時傳送的幀就會漏失掉，導致丟包。由此看出，多個工作站同時占用相同信道發(fā)送數據幀會嚴重影響工作站的吞吐量。所以，當PIDS系統和信號系統占用相同信道時，會導致數據包的碰撞產生延時和丟包，影響了吞吐量。這是PIDS系統與信號系統之間造成同頻干擾的一個重要原因。

1.1.2 鄰道干擾

鄰道干擾簡言之就是相鄰信道功率落入接收機信道頻率范圍內造成的干擾。雖然理論上不同的信道或頻段是互相隔離的，通過濾波器可以使通帶外的信號降低，但由于濾波器的性能不是理想的，通帶外的信號不會完全消除，依然有很大的旁瓣能量存在，此能量依然屬于802.11WLAN信號的通頻帶范圍內，所以會對主導信號造成干擾。

當信號系統的WLAN和PIDS系統的WLAN使用相鄰信道，或信道中心頻率間隔小于5MHz的時候，比如IEEE802.11b/g標準的1信道和3信道，分別在2412MHz和2422MHz頻率上，由于每個信道有22MHz的帶寬，會有一部分信道重疊，所以信號之間會產生影響，這個一般稱為鄰道干擾。信道越接近，重疊的部分越大，影響越嚴重；反之，信道越遠，重疊的部分越少，影響越小。當信道間隔達到5個或以上時，信道之間就沒有重疊部分，理論上不會有任何干擾。但實際上，商用無線設備生成的信號并不完美，從802.11射頻發(fā)出的信號常常生成一些超出其許可范圍的能量，稱之為邊帶發(fā)射。通過接收端的濾波器時，濾波器理論上會將所需帶寬以外的頻率都過濾掉，實際上它只是可以將來自相鄰信道的RF干擾一定程度的降低，此干擾還是會生成旁瓣能量，進入到主導頻帶范圍內，如圖2所示。旁瓣能量可能改變原信號的能量大小，使有用信號部分地改變或失去原有的信號特征導致誤碼等。這樣原來信號就無法被接收端正確的接收而造成丟包。

所以，不僅是相鄰有重疊部分的信道之間會產生干擾，即使沒有重疊，如1信道和6信道之間，也是會產生干擾的。正因為如此當信號系統和PIDS系統分別工作在802.11g的不重疊信道1和6上，甚至是分別工作在2.4GHz和5.8GHz時，PIDS系統依然會對信號系統造成干擾，只是干擾的程度不一樣。

由鄰道干擾的分析可知，相隔信道間存在不同程度的干擾。兩個信道隔得越遠，它們的頻率范圍重疊的部分越少，干擾越小；反之，兩信道離得越近，頻率重疊的部分越多，干擾越大。

1.2 其他系統對WLAN無線網絡的干擾

從其他系統對WLAN無線網絡的影響來看，影響802.11b/g的2.4GHz頻段的干擾源很多。具體而言，目前對2.4GHz可能的干擾源包括無繩電話系統（DECT）、民用通信系統、藍牙設備、微波通信系統，以及其它FHSS跳頻通信系統。

二、抗干擾處理

根據以上分析，我們應從減少干擾和抗干擾兩個方面采取技術方案消除對WLAN系統的無線干擾。

2.1 建設初期進行合理的頻點規(guī)劃

在每條新建地鐵初期，應對無線頻點進行合理規(guī)劃。由于手機運營商獲得國家批準的無線頻段規(guī)劃，那么我們應加強地鐵內部自身系統的無線頻段規(guī)劃工作，合理規(guī)避信號系統與PIDS系統所可能產生的無線干擾。

由于2.4GHz是一個開放的頻段，只要其無線接入點的發(fā)射功率及帶外輻射滿足無線電管理委員會的要求，則無需提出專門的申請就可使用此頻段，并且相關配套設備較多，技術成熟，運營維護成本低，同時考慮到信號系統傳輸數據少，占用無線傳輸帶寬資源較少，建議信號系統采用2.4GHz頻段的802.11g技術，采用干擾規(guī)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。

PIDS系統是非安全系統，對傳輸數據的可靠性要求不是很高，即使信息完全中斷也不會影響地鐵系統的正常運營，丟失的數據包可以通過錯誤重傳機制來補齊，以保證圖像的連續(xù)性，因此建議PIDS系統采用5.8GHz頻段的802.11a技術，唯一的不足是需要向無線電管理委員會申請許可，每年需要交納一定的頻率使用費。

2.2 WLAN系統處理方案

（1）提高信噪比、降低靈敏度。WLAN系統若要避免無線干擾，應在2.4GHz頻段允許的范圍內，提高AP天線發(fā)射功率，同時降低接收靈敏度，使來自軌道方向的有用信號增強，來自干擾方向的信號減弱。（2）傳輸信息加密。WLAN系統必須采取加密措施，以保證傳輸信息的安全性、可靠性和可用性。（3）改善WLAN系統的同頻干擾。采用發(fā)送RTS/CTS報文，控制報文握手來解決網絡中的隱終端和暴露終端問題；縮短數據包長度，減少沖突和碰撞的概率，在干擾比較嚴重的區(qū)域，有利于提高總體帶寬。

三、結束語

WLAN系統已成為城市軌道交通車-地雙向連續(xù)通信方式的主流制式，通過采取必要的無線抗干擾技術能夠提升系統的抗干擾能力，但頻率干擾問題是無法徹底根除的。只有嚴謹地劃分頻率及合理的規(guī)劃頻點，并不斷引入最新或更合適的抗干擾技術，才能將干擾問題縮小到最小，才能最大限度發(fā)揮系統的優(yōu)勢，提高傳輸效率。

參 考 文 獻

[1] 廣州地鐵三號線數據通信設備維護手冊[G]. 廣州，2005

[2] 李潔. CBTC系統與PIS共存問題的研究[D]. 北京：北京交通大學，2010

[3] 林海香，董昱. 基于通信的列車控制在軌道交通中應用的關鍵技術[J]. 城市軌道交通研究，2010（09）：81-84