淺談地鐵信號系統(tǒng)無線通訊傳輸?shù)目垢蓴_措施

（深圳地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518026）

淺談地鐵信號系統(tǒng)無線通訊傳輸?shù)目垢蓴_措施

張赟昀

（深圳地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518026）

文章著重對無線通訊傳輸抗干擾技術(shù)中數(shù)據(jù)通訊的安全性進行分析，并通過對當前無線通信中遇到的幾種典型干擾源進行了介紹，針對性的提出了集中可行的防范措施。為地鐵信號無線通訊系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)發(fā)展提出了一些合理化的建議。

地鐵信號；無線通訊；數(shù)據(jù)傳輸；抗干擾

1 系統(tǒng)概述

在地鐵CBTC信號通訊系統(tǒng)中，車-地無線通訊子系統(tǒng)相對獨立，并且隨著信號系統(tǒng)的發(fā)展，該CBTC的子系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)變成了信號獨立組網(wǎng)，同之前的通信專業(yè)組網(wǎng)大為不同。該系統(tǒng)利用車載天線以及軌道旁無線AP將車同地面之間的信號連接起來，令車-地之間的信號形成了一個有機整體。該子系統(tǒng)的構(gòu)成主要有：車載天線、無線AP、車載路由器、環(huán)網(wǎng)接入交換設備、網(wǎng)絡交換機以及服務器等。需要提到的是無線服務器同軌道旁無線AP之間的有效連接是通過光纜等設備因此被稱為地面有線網(wǎng)。此外車載頭尾通過光纜將信息冗余進行連接，因此被稱作車載有線網(wǎng)。而車-地之間的信息連接則通過自由波，因此被稱作無線網(wǎng)。

相對于無線網(wǎng)，有線網(wǎng)的技術(shù)成熟度以及安全度較高，因此在子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的安全傳輸問題在車地無線網(wǎng)中相對較為集中。所以對其無線部分的數(shù)據(jù)傳輸安全性研究便成為了技術(shù)研究工作的核心內(nèi)容，文章也主要針對此類問題進行了分析論述。

2 安全性需求

作為列車的狀態(tài)以及移動授權(quán)信息，車地的無線通訊直接影響了列車的形式安全以及運行效率。想要保證信號系統(tǒng)安全可靠、高效可行，該無線信息通信子系統(tǒng)需要滿足下述五點安全要求：第一，可用性高、可靠性高、安全性高；第二，數(shù)據(jù)在進行傳輸?shù)膶崟r性高；第三，信息在列車高速移動中的傳輸速率能夠滿足系統(tǒng)要求；第四，在信息傳輸過程中丟包率不能對系統(tǒng)有效性造成影響；最后，具備防止非法接入和無線攻擊的安全措施。

3 干擾源概述

目前的列車調(diào)度以及控制信息傳輸在CBTC系統(tǒng)中都是通過列車同軌道旁的無線網(wǎng)絡進行傳遞的，但是無線網(wǎng)絡相對于有線網(wǎng)絡開放性較強，因此容易受到外界信號源的干擾以及外界攻擊，因此無線信息的傳輸安全性成為了CBTC系統(tǒng)的最大問題。由于無線通訊系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒕鶠榭刂坪驼{(diào)度信息，因此信息的錯誤會導致嚴重的安全事故以及隱患，系統(tǒng)可用性會因此降低，是對列車運行安全的嚴重威脅。從目前所遇到的實際狀況分析，典型的干擾源有以下幾種：乘客信息系統(tǒng)對信號的干擾；站臺換乘信號的信號頻率干擾；乘客使用的電子設備產(chǎn)生的干擾；列車告訴移動產(chǎn)生的多普勒效應；隧道多徑效應以及開放空間中相同頻段、協(xié)議的設備物理干擾等。以下針對其中四種干擾影響較大的干擾源提出了相關解決方案。

4 安全防護措施

針對信息傳輸過程中系統(tǒng)的安全要求以及干擾主要來源，結(jié)合實際系統(tǒng)運行狀況提出了以下解決方案。

4.1 防范PIS系統(tǒng)安全干擾

主要的防范措施有兩種，一種是通過頻點隔離予以解決，另一種則是通過補空的方式進行解決。前者是通過對二者的輸出頻率進行分離的方式，但是會在一定程度上由于帶寬的減少對數(shù)據(jù)傳輸速率造成影響。而后者是針對PIS系統(tǒng)的，從理論上該種方式可行性較高，但由于PIS實際上分屬的供貨商不同，因此實施起來較大。但是可以通過令信號系統(tǒng)采用5.8Hz頻段，PIS系統(tǒng)采用2.4Hz頻段的方式徹底解決沖突以及干擾。

4.2 防范站臺換乘頻率干擾

由于物理空間的開放性造成了同站臺換乘站發(fā)出的換乘信號會在頻率上對子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信造成干擾，可以通過以下方式對該現(xiàn)象進行處理。

（1）令無線通信系統(tǒng)的本線同相鄰線采用不同的信號制式設備以此區(qū)分信號頻點。

（2）若采用的頻段均相同時，需要采用下面的方式減少干擾：首先，應當選擇計劃方向不同的天線；其次，采用的載波偵聽多址協(xié)議應當帶有沖突避免；第三，可以選用具有差異性的車地通信方式；最后，可以選用定向天線并對其方向角進行調(diào)整。

4.3 無線攻擊及非法接入的防御

雖然由于無線局域網(wǎng)采用公共的電磁波作為載體，任何人都有條件竊聽或干擾信息，但通過以下相應手段，依然可以減弱或是消除非法的接入和攻擊。

（1）采用禁用服務集標志（SSID）廣播功能。以此可減小惡意用戶侵入AP的可能性。

（2）設置媒體接入子層（MAC）的允許接入用戶列表以防止非法用戶接入網(wǎng)絡。

（3）使用2 層或更高層的交換機，把網(wǎng)絡分成小的區(qū)段來減少惡意用戶通過連接上集線器而侵入網(wǎng)絡并監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的可能性。

（4）采用動態(tài)刷新密碼，減少密碼被破獲的可能性。

（5）在無線網(wǎng)絡部分設置入侵檢測系統(tǒng)來檢測可疑情況和非法侵入等行為。

（6）設置防火墻以阻止非法用戶接入網(wǎng)絡。

4.4 多徑效應的安全防范

多徑效應使得車-地信息傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生衰落失真，最終造成通信的不穩(wěn)定。采用正交頻分復用等技術(shù)，利用多子載波交織冗余同時傳遞數(shù)據(jù)。在傳輸?shù)倪^程中，即使某個子載波出現(xiàn)頻率偏移或者干擾，甚至丟失此載波所有數(shù)據(jù)。但接收端通過子載波的聯(lián)合編碼，可恢復出丟失子載波數(shù)據(jù)，達到子信道間的頻率分集的作用，OFDM 技術(shù)增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力，因此具有良好抗多徑效應能力。

結(jié)語

通過上面的分析可以看出，地鐵運營效率以及行車安全的保證幾乎全由車地無線通信數(shù)據(jù)傳輸予以實現(xiàn)。因此，其安全性以及可靠性和穩(wěn)定性的實現(xiàn)具有重大意義，這也是各大系統(tǒng)供貨商積極尋求技術(shù)發(fā)展的根本原因。但由于地鐵線路在各地具有差異性，且全國范圍內(nèi)供貨商的核心技術(shù)也不同，因此系統(tǒng)的性能提高工作仍舊任重道遠。目前的解決方案中更多的將頻率規(guī)劃以及干擾源的規(guī)避、軟件更新作為主要手段，結(jié)合硬件設備一定程度的提升，還是取得了一定的成就。總之，無線網(wǎng)絡通信中安全問題永遠不容忽視。

[1]梁九彪.亦莊線國產(chǎn)CBTC信號系統(tǒng)工程應用[J].市政技術(shù)，2010（S2）.

[2]姜慶陽，盧佩玲，劉劍.CBTC移動授權(quán)分配研究[J].中國鐵路，2010（04）.

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