地鐵CBTC系統無線通信技術抗干擾方案

張 磊

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073）

?

地鐵CBTC系統無線通信技術抗干擾方案

張 磊

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073）

摘要：介紹在地鐵環境中WLAN應用對地鐵系統運營的影響，做出相關分析，并提出解決的措施。

關鍵詞：CBTC；WLAN；干擾；解決措施

Abstract:The paper introduces the influence of WLAN used in metro environment on metro system operation, presents the relevant analysis and puts forward the solution to the in fl uence.

Keywords:CBTC; WLAN; interference; solution

1　概述

在城市軌道交通系統中，基于通信的列車控制系統(CBTC)應用廣泛，此系統采用IEEE802．11標準ISM 2.4 GHz頻段，使用WLAN技術實現列車控制信息的傳輸，完成列車與軌旁設備的通信功能。

ISM頻段被稱為ISM（工業、科學、醫療）頻段，在這一頻段內，存在著大量的工業、民用設備，包括例如大功率醫療設備、家用Wi-Fi設備、移動熱點、工業WLAN設備等。由于是開放頻段，存在著大量的免費用戶，包括例如大功率醫療設備、家用Wi-Fi設備、移動熱點、工業WLAN設備等。

地鐵線路主要包括高架和隧道環境，在隧道環境內，WLAN干擾主要來源于乘客攜帶的移動熱點、藍牙設備等移動Wi-Fi設備；在高架露天環境，還包括附近醫院、工廠、民房內存在的設備/設施等，在地鐵運行中，容易受到外界信號的干擾。因此，需要CBTC系統的無線傳輸應用進行抗干擾分析和研究，確保地鐵CBTC系統正常、高效運營。

2　CBTC系統無線傳輸技術應用介紹

2.1數據傳輸系統介紹

數據通信子系統（Data Communications Subsystem，DCS）是一個封閉通信網絡，為CBTC系統中的ATP/ATO、聯鎖、ATS、維護監測等子系統提供高可靠性的數據通道。

數據通信DCS系統，在各設備之間通過有線網絡和無線網絡實現雙向通信，用以提供各子系統設備之間的有線信息傳輸以及地面設備與車載設備之間的無線信息傳輸。數據通信DCS系統由3部分組成，分為有線網絡、無線網絡和DCS維護管理設備，其無線網絡組成如圖1所示。

DCS系統使用2.4 GHz（2.4～2.4 835 GHz）標準開放頻段。2.4 GHz頻段只有3個不重疊的頻點，即1（中心頻率為2 412 MHz）、6（中心頻率為2 437 MHz）和11（中心頻率為2 462 MHz）信道。車-地無線網絡系統采用冗余雙網設計，冗余雙網分別工作在“1”信道和“11”信道，雙網分別對應有線網絡的冗余網絡。

軌旁設備之間的數據通信通過有線網絡提供透明傳輸通道，車載設備與軌旁設備之間的數據通信通過車-地無線網絡提供的透明傳輸通道。

2.2應用環境分析

地鐵線路主要包括高架和隧道環境，在隧道環境內，WLAN干擾主要來源于乘客攜帶的移動熱點、藍牙設備等移動Wi-Fi設備；在高架露天環境，還包括附近醫院、工廠、民房內存在的設備/設施等。因此在高架環境下，更容易受到外界影響。

為應對這些無處不在的干擾，DCS系統在設計之初，就考慮了抗干擾方案，包括產品的適應性算法，系統的抗干擾機制等。

3　CBTC系統2.4 GHz無線傳輸技術干擾分析

由于無線通信的空間特性，容易受到空間中各種因素的干擾。從干擾分析的角度看，向空間輻射信號的發信機是干擾源，獲取并處理空間信號的接收機是被干擾對象，這些對IEEE802.11g系統的干擾也稱為諧波干擾，如表1所示。

表1　CBTC系統無線干擾源分析

4　CBTC系統2.4 GHz無線抗干擾解決方案

4.1抗干擾措施

1）頻率分集

頻率分集是指使用多個不同的頻率來傳輸數據，以減少所有使用中的信號路徑以同樣方式失真的可能性。

DCS系統使用雙頻覆蓋設計實現頻率分集，任何時候對信號系統中的每一輛列車來說，至少兩個冗余頻率是可用的。

在地鐵應用中，使用2 412 MHz和2 462 MHz。

2）空間分集

采用兩個或兩個以上天線同時發送或接收同一信息，分為空間分集發信和空間分集接收，特點是克服了多徑衰落，需要多個天線。

兩個車載無線單元分別位于列車兩端，列車長度導致了無線信號傳播路徑的多樣性，從而極大降低了信號干擾的影響。

空間分集接收技術是指在空間不同的位置設置幾副天線（或幾套接收設備），同時接收一個發射天線的無線信號，然后合成或選擇其中一個較強信號來達到抗干擾的目的。

DCS車載設備在每個方向具有兩個定向天線通過設置使這兩個天線工作在分集模式下，且兩個天線相距一定距離，實現空間分集來有效抵抗多徑干擾。

3）定向天線

采用小角度定向天線，一方面提高傳輸性能，避免信號的無效泄漏；另一方面由于天線的發射角度小，為特定區域即所謂的覆蓋區域提供無線服務，其他區域不能收到信息，增強來自軌道方向的有用信號，降低來自干擾方向（天線旁瓣）的信號，提高信號的載干比。

4）帶通濾波器

使用帶通濾波器，對DCS系統使用的1和11信道進行濾波處理，將不同頻點的信號隔離，消除其他頻段信號對本信道產生干擾。

5）無線調優

通過在軌旁合理布置AP位置，并且對線路上的AP進行調優，對其發射功率、天線方向角度進行優化，防止AP之間覆蓋區域的過度重疊，從而大大降低同頻干擾的影響，并且使得車載無線設備能夠在合理的閾值進行切換。

6）低占空比

使用高速率和短數據包發送數據，降低數據受到干擾影響的幾率。CBTC系統使用的數據包大小和發送速率如表2所示。

表2　CBTC無線通信數據包參數

CBTC業務的數據包都為短數據包，發送速率很低，帶寬要求低，因此CBTC系統通道具有低占空比的特性。

7）OFDM技術

OFDM技術是一種多載波系統，每個載波分解為52個子載波，每個大約是300 kHz寬，其中48個傳輸數據，其余的4個用于糾錯。OFDM把一個高速率的數據流分解成許多低速率的子數據流，以并行的方式在多個子信道上傳輸，受到干擾時，只有一小部分子載波會被影響，然后通過糾錯編碼來解決。OFDM的編碼方案和糾錯技術可以有效的對抗各種干擾，如圖2所示。

8）重傳協議

數據源在數據包發出后要等待接收確認數據包（ACK），如果在規定的時間內沒有收到ACK數據包，發送端將重新發送一個相同的數據包，直到接收端收到數據包為止。在一般情況下，重傳次數為64次，但是在CBTC系統中，如果出現丟包，則可能出現數據包已經超出應用允許范圍，但無線設備還在嘗試重傳情況，因此需要對重傳機制進行調整。

在DCS系統中，對無線設備減小重傳的嘗試次數，并且設定當重傳到一定數量時，拋棄相關數據包，以便引發切換機制，達到快速漫游的目的，車載客戶端減小在信號強度差的AP下的駐留時間，保持業務的正常傳輸。

4.2抗干擾效果

通過DCS系統產品級和系統級設計，信號DCS系統能夠有效的降低外界因素的影響，保證系統的高效運營。

但是ISM頻段作為公用頻段，開放性是其最大的特點，而地鐵信號系統使用這一頻段傳輸安全信息，雖然使用技術手段能夠最大程度的克服外界干擾，但仍存在一定的不合理性。

4.3專用頻點

針對ISM頻段的開放性問題，需要地鐵行業申請專用頻點，使得CBTC系統的通信信道在一個純凈的環境下，徹底解決安全信息在開放頻段傳輸的不利局面。目前可用的頻點如5.9 GHz，可以作為地鐵CBTC系統專用頻段使用。

5　結論

地鐵中WLAN設備的應用范圍將持續增多，而隨著基于2.4G產品應用的進一步增加，采用WLAN技術的CBTC車地無線通信將遇到更多的干擾因素，對地鐵系統運營造成影響。

因此，在地鐵設計中，需要合理的使用無線抗干擾技術來減輕或抑制無線干擾；并且在未來，能夠使用地鐵信號系統專用頻點徹底解決信號的干擾性問題，這樣才能最大限度地發揮CBTC系統的優勢，提高運營效率。

參考文獻

[1]鄭瑩．基于無線通信的CBTC研究綜述[J].通信技術，2011，4（12）：137-141．

[2]朱力，寧濱.基于IEEE802．11g標準的CBTC車地通信系統設計[J].中國鐵道科學，201l，3l（5）：119-124.

[3]杜成.城市軌道交通CBTC系統2.4 GHz無線傳輸技術的應用研究[J].鐵道設計標準，2013（3）：129-133.

[4]李曉剛.車地通信延時對CBTC系統列車運行控制的影響分析[J].鐵路通信信號工程技術，2011，8（6）：44-46．

[5]邱鵬，李亮.關于CBTC系統無線通信抗干擾技術的研究[J].現代城市軌道交通，2009（6）：52-55．

[6]蔣海林，步兵，郜春海，等．基于位置的CBTC系統無線局域網切換機制[J].鐵道學報，201l，33（10）：51-56．

[7]陳黎潔，唐濤，呂繼東.CBTC越區切換中斷時間分析[J]．中國鐵道科學，2010，31（5）：125-128．

收稿日期：（2014-08-10）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.018