基于通信的列車控制系統車地通信抗干擾措施

杜時勇

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

基于通信的列車控制系統車地通信抗干擾措施

杜時勇

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

介紹地鐵車地通信方式、主要干擾源種類，提出信號系統設計中相關抗干擾措施及工程實施中抗干擾應對措施，提出根據信號系統特點、工程特點選擇適合的車地通信抗干擾措施。對信號系統設計方案、工程實施方案進行優化設計，提高信號系統的抗干擾能力和可用性。

地鐵；信號系統；車地通信；抗干擾措施

1 研究背景

隨著基于通信的列車信號控制系統廣泛應用和無線通信技術的迅速發展，一些城市（如廣州、深圳、重慶等）發生了無線信號源干擾信號系統車地通信的事件。隨著無線城市建設的規劃和實施以及無線通信技術日新月異的發展，信號系統車地通信受到外界干擾的問題也越來越突出。由此，需要對基于通信的列車控制系統車地通信抗干擾措施進行分析、研究，用于優化系統設計方案和指導工程實施。

2 地鐵信號系統車地通信方式

基于通信的列車控制系統要求列車實時向地面ATP設備發送列車位置等信息，地面ATP設備主要向列車發送移動授權點信息，以確保授權點隨著列車的移動而移動，信號車-地通信的電磁兼容性好壞直接決定了移動閉塞ATP系統能否安全和可靠地工作。

對國內目前主流的移動閉塞信號系統實施方案進行調研，信號車-地通信的傳輸介質主要有自由空間波（天線）、裂縫波導、漏纜等方式。漏纜、裂縫波導和自由空間波（天線）采用的頻率一般選用在2.4 GHz或5.8 GHz，傳輸信息量較大。根據現場條件（如城市景觀、隧道結構等）這3種傳輸媒介可單獨適用，也可結合使用。

3 干擾源分析

無線系統的干擾通常包括帶內干擾和帶外干擾，帶內干擾是指在本系統設備工作頻段內工作的其他電子設備對本系統產生的干擾；帶外干擾是指工作在非本系統工作頻帶（通常是相鄰頻帶），但是其產生的雜散信號或交調信號落在本系統工作信道內，從而對本系統造成的干擾。帶內干擾是影響無線系統工作的主要因素，帶外干擾通常也折合為帶內干擾來分析。

3.1 帶內干擾

對WLAN系統而言，帶內干擾可分為Wi-Fi干擾和非Wi-Fi干擾，Wi-Fi干擾是指采用IEEE802.11標準的其他WLAN設備對本WLAN系統的干擾，Wi-Fi是WLAN系統的主要干擾，同等干擾功率下，其影響比非Wi-Fi干擾大得多。然而，由于ISM頻段被廣泛使用，非Wi-Fi干擾同樣不能忽視，對WLAN系統而言，常見的非Wi-Fi帶內干擾源如下。

*無繩電話（2.4或5.x GHz頻段)；

*藍牙設備（2.4 GHz頻段)；

*脈沖雷達（5.x GHz頻段)；

*微波爐（2.4 GHz頻段)；

*低能量RF光源（2.4 GHz頻段)；

*微波傳輸：很多地方存在大量的用于傳輸的微波鏈路，這些微波傳輸處于比較高的頻段（2 GHz左右）；

*采用包括蜂窩、藍牙與WLAN在內的多種無線技術的集成設備、手持終端與PDA中假信號RF噪聲；

*滿足新興“全頻段”要求的寬頻帶5.x GHz設備；

*其他非Wi-Fi標準的通信設備。

如圖1所示，干擾情況與干擾源（interferer）和CBTC系統之間的距離，墻壁衰減，樹、柵欄和任何其他路徑障礙引起的衰減具有很大的關系。

圖1 干擾因素

3.2 帶外干擾

干擾可能來源于相鄰的信道（帶外干擾）。通常由信號干擾比率(S/I或SIR)決定WLAN的性能。對于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要，如圖2所示。

圖2 干擾模式

從IEEE802.11射頻發出的信號生成超出其許可頻帶范圍的能量，稱為邊帶發射。這種情況也會出現在其他無線設備上，如藍牙、無繩電話以及其他與IEEE802.11占用相同頻帶的設備。雖然通過濾波可以將來自相鄰信道的RF干擾降至最低，但是此干擾還會生成旁瓣能量，此能量屬于IEEE802.11 WLAN信號的通頻帶范圍內。如果ACI比IEEE802.11信號強，來自ACI的邊帶能量將主導信道的噪聲層。如圖3所示。

圖3 占主導地位的邊帶干擾

3.3 地鐵車-地通信背景噪聲分析

為了解地鐵車地通信的干擾源，需對線路的實際運營環境進行分析和調查，主要包含對車站電磁環境、日常運營時車輛上的電磁環境，以及動車測試時電磁環境進行頻譜分析。根據收集到的環境調查信息分析，若信號系統采用2.4 G頻段，地下線路2.4 GHz頻段的現場電磁環境中存在2個方面的干擾：非Wi-Fi設備的干擾和Wi-Fi設備的干擾。以杭州地鐵為例，分析內容如下。

1）站臺區域的電磁環境分析結果

*車站內可識別設備多數為藍牙和無線耳機，少量非標準頻道Wi-Fi設備，干擾量很小。

*頻譜分析顯示，車站內存在周期性雜波干擾，周期時間約為5～6 min，和車輛到站間隔吻合，判斷為車輛的電磁干擾以及車載設備信號。

*車輛停靠站臺期間，電磁環境較為復雜，但干擾量不大，為輕度干擾。

*人流量大的換乘站站臺，一直存在較多無線干擾。但干擾量不大，為輕度干擾。

2）日常運營時車輛上的電磁環境分析

*車輛在庫靜止狀態時，電磁環境干凈，無雜波信號存在。

*車輛開動后有無規律電磁干擾存在。

*車輛開動后有長時間持續電磁干擾存在，判斷為車載其他電子設備的電磁輻射，該電磁干擾的能量集中于Wi-Fi 2.4 GHz頻段信道。

*車輛內有大量可識別的持續無線發射設備。

*類似微波爐信號等無線干擾設備。

3）動車測試時電磁環境分析

在動車測試中通過采集車載天線無線頻譜的方式進行頻譜勘測。

4 系統設計中相關抗干擾措施

1）減少干擾信號在CBTC系統工作信道的概率

采用變頻技術。由于2.4 GHz是開放頻段，在地鐵環境中有大量的設備如藍牙、開放的2.4 GHz的Wi-Fi、微波爐等設備都工作在2.4 GHz的各個信道，采用變頻技術能避免窄帶信號對信號信道的干擾。

降低工作信道帶寬。采用5 MHz工作頻寬的技術。針對窄帶的干擾信號而言，相對狹窄的工作信道能有效降低干擾信號對工作信道干擾的概率。

2）冗余備份

保證系統充分的冗余備份是非常重要的抗干擾措施之一，CBTC通常采用2套完全獨立的無線網絡接入系統。在IEEE802.11g制式中一般選用channel 1和channel 13作為傳輸應用信道，CBTC控制命令在2套系統中獨立傳輸，只要有1個系統傳輸成功即可保證正常的控制，由于采用了2個獨立信道，同時受到干擾的概率大大降低，從而提高了通信的可靠性。

3）采用定向天線

車地通信系統采用的小角度高增益定向天線，使來自軌道方向的有用信號增強，來自干擾方向（天線旁瓣）的信號減弱，提高了載干比。

車載采用雙天線的方式，即為每一個車載無線單元配置了雙天線，這樣的方式在一定程度上可以有效消除多徑干擾的問題。

4）控制發射功率

提高系統自身的發射功率，提高發射機輸出功率，保證接收信號有較高的信噪比，減弱干擾信號對系統的影響。但為了避免AP之間覆蓋區域的過度重疊，可結合實際情況將AP發射功率設定在與其覆蓋范圍相對應的級別上，從而降低同頻干擾的可能。

5）重傳機制

重傳機制也是車地通信抗干擾的重要措施之一。IEEE802.11是基于“自動重傳”的通信協議，在發送數據包后，發送端將等待來自接收端的確認包（ACK）。如因干擾或其他原因發生數據包丟失，在指定時間內未收到ACK消息，則發送端將重新發送相同的數據包，這種重傳機制稱為硬件重傳。WLAN系統在硬件重傳的基礎上增加了軟件重傳，即協議層的重傳，在物理層重傳仍然不成功的前提下，通過協議層的重傳，進一步降低丟包率，提高關鍵數據傳輸可靠性。

6）降低占空因數

降低傳輸占空因數也是一個抗干擾的有效措施，在空中接口使用高速率和短數據包，CBTC最常見的是100 Byte以內的控制命令。采用IEEE802.11g標準的系統在地鐵環境下可達到2 Mbit/s（100 Byte包）的傳輸速率，而CBTC僅需要較小的帶寬，帶寬空閑較大，有較大的冗余量，在干擾情況下，雖然速率降低，但通過重傳機制，可以保證可靠傳輸。

7）采用專用頻段

根據上述分析，在設備及協議側等方面采取一定的抗干擾措施，可在一定程度上規避干擾信號對車地通信的影響，但要徹底地規避民用設備的干擾，可采用專用頻段。目前，從深圳地鐵受民用設備干擾事件的影響，國家工業和信息產業部已高度重視，并發文至各省無委調查信號系統車地通信的使用狀況，經業內深入研討，信號采用專用頻段是徹底解決民用干擾的方案。

5 工程實施中抗干擾應對措施

1）開放區段

開放路段的障礙物、周圍的企業或者家用WLAN設備都可能對地鐵CBTC車地通信系統產生干擾，主要產生干擾的原因是一些廣告牌和燈箱會出現在天線信號覆蓋的第一菲涅耳區域內，從而降低了信號的可用度。對于這樣的開放路段無線干擾，除了以上介紹的措施外，AP的布點也很重要，需要結合現場電磁環境，仔細考慮天線布點位置（尤其是彎道處），有效利用天線主瓣功率，抑制天線旁瓣信號的泄漏；對于天線安裝高度問題，確保軌旁天線和車載天線通信的第一菲涅耳區域內避免此類障礙物干擾。

2）同站臺換乘

對于同臺換乘車站，兩線路間會產生無線干擾。為避免線路間車地通信的相互干擾，可采用以下措施加以避免。

a.頻率規劃

兩條線路分別采用不同頻段（例如：A號線采用2.4 GHz，B號線采用5.8 GHz）。2.4 GHz和5.8 GHz都是開放頻段（5.8 GHz的專用頻段是禁用的），2.4 GHz有3個完全不重疊的信道可用，5.8 GHz有5個完全不重疊的信道可用。在城市軌道交通相對封閉的隧道空間內頻率經過嚴格的規劃，各個系統采用的頻段都會有鄰頻或其他頻段的諧波干擾（比如2.4 GHz頻段可能會有800 M頻率的諧波干擾，5.8 GHz頻段則會有GSM 1900或3 GHz頻率的諧波干擾），但不同線路采用的2頻段之間都有足夠的頻率間隔，可以有效的防止相互間的無線干擾，達到完全隔離和冗余。

b.采用不同傳輸介質

減少無線干擾，也可以從傳輸介質上進行考慮。比如地鐵A號線選擇天線，地鐵B號線可選擇泄漏電纜或波導管。

采用泄漏電纜或波導管，可通過控制軌旁無線接入點的發射功率，進行信號的均勻覆蓋，可以使信號波動范圍減少，進而降低或避免線間無線相互干擾。

c.極化天線

兩條線路分別采用不同天線極化方式（即地鐵A號線采用垂直極化，地鐵B號線采用水平極化）。所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強度方向。當電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。無論哪種極化方式，其電波都是在一個平面內傳播的。

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發生極化損失。當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，天線就接收不到來波的能量，這種情況下極化損失最大，極化完全隔離。這樣能有效防止2線路間的無線干擾問題。

d.工程安裝

為更好解決同站換乘問題，在站臺區間段內的AP應盡量往隧道里布點，從而保證天線的主瓣發射電磁波覆蓋整個隧道空間，不覆蓋到站臺區另外一線的隧道，同時這樣的“深入布點”方法也能很好的利用隧道的內壁屏蔽天線旁瓣的發射功率。項目中采用的小角度高增益定向天線，波瓣寬度窄，方向性好，作用距離遠，抗干擾能力強。工程安裝示意如圖4所示。

圖4 同站臺換乘車站AP天線布點圖

3）平行線路

對于平行線路，為避免存在平行線路的信號車地通信相互影響，可采用以下措施加以避免。

a.頻率規劃

合理進行頻率選擇和頻率規劃（2.4 GHz、5.8 GHz、LTE或專用頻段），是有效的解決兩線間無線干擾的手段。

b.兩線路間增加隔離

在兩線間增加隔離（如：鐵絲網、墻等）。在其無線傳輸鏈路上增加衰耗阻隔，使其在保證天線主瓣正常信號覆蓋下，天線旁瓣信號經過快衰落（20～30 dB），無法泄漏到其他平行線路上，進而影響到其他線路的車地無線通信。

6 結論

通過對地鐵信號系統車地無線通信的干擾源、系統設計中抗干擾措施和工程實施中抗干擾措施的分析，在具體的工程實施過程中根據工程特點可采用多種綜合的抗干擾措施，對信號系統設計方案、工程實施方案進行優化設計，提高信號系統的抗干擾能力和可用性。

[1]易立富.城軌交通列控系統的車地通信方式[J].都市快軌交通，2006，19（6）：75-77.

[2]王洪偉,蔣海林.漏泄波導在城市軌道交通CBTC車地通信系統中的應用研究[J].鐵道學報，2013，35（2）：46-50.

[3]王洪偉,寧濱,蔣海林,等.2.4G CBTC車地通信系統在隧道中的傳播特性研究[J].鐵道學報，2013，35（10）：53-57.

This paper introduces the train-ground communication modes and main interference source types of the subway and proposes the relevant anti-interference measures in the signal system design and the response measures in engineering implementation. It also puts forward that the appropriate antiinterference measures should be selected according to the signal system features and engineering features, and introduces the optimized signal system and engineering implementation schemes, for improving the anti-interference capability and availability of signal systems.

metro; signal system; train-ground communication; anti-interference measure

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.015

2014-09-11）