城市軌道交通WiFi車地無線傳輸系統的安全性研究

徐 嘉

(深圳市地鐵集團有限公司資源開發分公司,518026，深圳∥工程師)

?

城市軌道交通WiFi車地無線傳輸系統的安全性研究

徐 嘉

(深圳市地鐵集團有限公司資源開發分公司,518026，深圳∥工程師)

系統描述了地鐵WiFi系統設計、建設及優化整改過程中遇到的系統間干擾等問題，詳細闡述了基于通信的列車控制(CBTC)系統采用的信道切換、窄帶壓縮及鎖頻等防干擾措施,通過地鐵WiFi系統預估用戶模型及業務模型計算出地鐵WiFi車地無線傳輸系統的寬帶需求,并分析了車地無線傳輸系統的頻段選擇,可為地鐵WiFi系統的建設提供參考。

城市軌道交通；無線局域網；車地無線傳輸；通信安全

Author′s address Resources Development Branch of Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,518026,Shenzhen,China

深圳地鐵集團有限公司首先提出了建設基于IEEE 802.11系列無線通信協議的地鐵WiFi系統的概念,并于2014年7月是率先開通試運行了包括列車WiFi覆蓋在內的全套地鐵移動互聯網系統。為廣大乘客提供WiFi接入的同時,也為地鐵各類商業服務的經營提供一個全新的業務平臺。本文針對地鐵WiFi系統建設、經營過程中的系統間干擾、平臺架構設計實現等方面的經驗教訓進行總結。

1 系統間干擾的防控

地鐵WiFi系統建設遵循的是IEEE 802.11系列協議,包含IEEE 802.11 a/b/g/n/ac等幾個陸續推出的技術標準。其中IEEE 802.11 b/g/n/ac系列技術標準因其在實際應用中的廣泛性及相互間的兼容特性在市場上占據了主導地位(用戶使用的如手機、平板電腦等各種移動終端均支持該系列無線通信協議),因此,地鐵WiFi系統建設過程中接入子系統也必須支持此類技術標準。該系列協議工作于2.4 GHz和5 GHz頻率范圍。其中IEEE 802.11 b/g只支持2.4 GHz頻段,IEEE 802.11 n工作在2.4 GHz及5 GHz并向下兼容b/g協議,IEEE 802.11 a/ac工作在5 GHz頻段。

考慮到對現有及未來用戶終端的普遍支持能力,地鐵WiFi用戶接入子系統需要2.4 GHz與5.8 GHz頻段的雙頻覆蓋,同時支持IEEE 802.11 a/b/g/n/ac協議。由于很多地鐵基于通信的列車控制(CBTC)系統與乘客信息系統(PIS)均采用了IEEE 802.11系列協議進行信號傳輸，并工作在2.4 GHz頻段,不可避免地帶來了系統間的信號干擾問題。

1.1 2.4 GHz 頻段WiFi信道分布

表1為2.4 GHz頻段WiFi信道分布。2.4 GHz頻段共分配有13個WiFi信道(某些國家有14個信道)。但信道間并未充分隔離,相鄰信道的中心頻點間隔僅為5 MHz,每個信道總帶寬為22 MHz。信道間頻譜范圍互不交叉的前提是中心頻點間隔25 MHz以上,即信道間隔5個以上,因此互不干擾的信道最多只可以提供3個(1、6、11或2、7、12或3、8、13信道)。綜上所述,2.4 GHz頻段范圍雖然提供了13個信道,但信道間沒有充分隔離,因此在系統建設實施過程中,如不事先規劃統一部署,很容易導致同頻、鄰頻干擾現象發生。

表1 2.4 GHz頻段WiFi信道分布表 MHz

1.2 CBTC系統的抗干擾措施

CBTC系統的通信保證涉及到地鐵列車行車安全,必須全力保障,但2.4 GHz頻段是針對WiFi免費開放的公眾頻段,沒有任何法律依據限制運營商及廣大群眾對該頻段的使用。因此，對CBTC系統進行升級改造,提高其抗干擾能力勢在必行。

1.2.1 信道切換

為保證在受到干擾的情況下仍可實現車地系統間正常通信,CBTC設置了主備2個通信信道。當主信道受到干擾時,系統會主動切換到備用信道,從而保證通信信號的正常傳輸。

CBTC信道選擇原則是:主備2個信道必須充分遠離,從而保證在主信道受到干擾并切換至備用信道后,不會繼續遭受同一干擾源的信號干擾。例如:主信道設備2信道可能受到來自1至7信道中任何一個干擾源的干擾,且最遠端在7信道；而7信道干擾源所占用的信道與2—11信道間的任何一個信道都有交叉,即理論上可以干擾到2—11信道間的任何一個信道。所以,只有將備用信道設定在12信道以后的信道,才能保證信道切換后不會再受到來自同一個干擾源的重復干擾。在實際應用中,CBTC常選擇將主、備信道設置為信道2和信道13。

1.2.2 窄帶壓縮

設置了信道切換功能后，雖然在有1個干擾源的情況下，CBTC通信信道的主備信道切換可確保系統通信安全；但2.4 GHz頻段范圍內的13個信道均為向公眾免費開放的信道,無法確保在覆蓋范圍內只有1個干擾源。所以只設置主備信道并不能完全確保CBTC系統的運營安全。為了確保CBTC系統安全,還需其他可讓系統間信道遠離的方法,窄帶壓縮的解決方案由此而生。

根據香農定理,信道容量與信道載頻帶寬直接相關,帶寬的壓縮將直接導致信道容量的下降。與WiFi、PIS等系統不同,CBTC系統只應用于列車與軌行區間的控制信號傳送,其數據量較小，對信道帶寬要求不大,可適應窄帶壓縮后的信道帶寬。因此,該方法只適用于CBTC系統,但不宜在WiFi或PIS等需要帶寬保證的系統實施。

根據CBTC系統的5 MHz窄帶壓縮理論要求，將2信道的實際覆蓋范圍由2 401 MHz～2 423 MHz調整到2 414.5 MHz～2 419.5 MHz,13信道由2 461 MHz～2 483 MHz 壓縮到2 469.5 MHz～2 474.5 MHz(如表1所示)。壓縮之后的2信道與5信道(2 421 MHz～2 443 MHz),以及13信道與10信道(2 446 MHz～2 468 MHz)之間的頻譜主能量分布區已經分離,信道間已基本隔離;而5信道和10信道間隔5個信道,其頻譜范圍也基本不重疊,如圖1所示。

圖1 CBTC系統窄帶壓縮后的WiFi頻譜環境示意

由圖1可見,經過窄帶壓縮處理后,除增加了CBTC系統自身的抗干擾能力之外,其所處的WiFi無線環境中,互不干擾的信道最大數量也由原來的3個(1、6、11或2、7、12或3、8、13信道)變成了4個(2、5、10、13信道)。因此,經過窄帶壓縮,在軌行區2.4 GHz環境中,有可能容納CBTC(2、13信道)、PIS(5信道)、WiFi(10信道)等系統在互不干擾的情況下共同工作。

1.2.3 鎖頻

WiFi信號發射設備大多具備信道自動選擇功能。該功能開發的本意是在信號發射設備與接收設備之間,選擇一個干擾相對較小的信道,避免系統間的干擾。但在地鐵環境中,該功能的激活將有可能導致發射設備(如WiFi設備)選擇將工作頻率設置到鄰近的CBTC系統信道,從而威脅CBTC系統的安全運行。因此，建議WiFi系統的發射信道固定在遠離CBTC系統工作頻段的信道之上(例如5信道或10信道)。

綜上所述,在地鐵WiFi的建設、改造過程中,通過對2.4 GHz無線環境的綜合管理及改造,可實現CBTC、PIS及WiFi等系統在互不干擾的條件下安全共存。

2 地鐵WiFi車地系統設計及干擾的預防

地鐵WiFi系統主要由控制中心子系統、車站子系統、車載子系統和車地傳輸子系統(包含車地無線傳輸子系統及站間有線傳輸子系統)構成(見圖2)。其車地系統的建設是決定其用戶使用體驗的關鍵環節。

圖2 地鐵WiFi系統架構示意圖

2.1 需求預估

列車車廂內空間相對狹小,高峰期人員密度較大,WiFi終端的接入密度較大,通過深圳地鐵WiFi系統前期建設經驗總結,提出以下估算模型。

以B型車為例,滿員(按6人/m2為計算標準)情況下,車廂載客量是300人/車廂。超出該人員密度的情況下,列車內部過于擁擠,不再適合各種終端操作。因此,估算模型不考慮超出6人/m2密度情況下的WiFi接入,其參數設置如表2所示。根據表2,高峰時車廂內覆蓋AP(接入點)需要滿足同時接入216個終端,其中，108個終端并發;每列列車需要滿足1296個終端接入,其中648個終端并發。根據高峰時并發使用的數量,結合用戶的業務模型及其相應的帶寬需求，即可計算出整體帶寬需求(如表3及表4所示)。

表2 列車WiFi使用模型

表3 地鐵WiFi系統業務使用模型及單用戶帶寬需求估算

表4 車地傳輸帶寬需求估算

由表3可見,平均每用戶業務需求估算值為233.5 kbit/s,進而可以估算出，初期車地無線傳輸帶寬需求為211.09 Mbit/s。考慮到用戶業務模型發生快速變化的可能性,及地鐵隧道內施工的困難度,建議在建設期盡可能實現車地傳輸帶寬的最大化,避免后期改造擴容的難度(該模型中業務及用戶比例數據均為預估數值,各單位可結合自身具體情況及統計數據做出相應調整)。

如前文所述,WiFi車地無線傳輸系統需在列車與軌行區之間建立1個200 Mbit/s以上的無線傳輸通道。為實現如此大的吞吐量,必須結合IEEE 802.11ac標準及相關MIMO(多入多出)、信道綁定等技術,建設基于大帶寬的車地無線傳輸系統。

2.2 頻段的選擇

目前我國分配給WiFi的頻段有2.4 GHz(2 400～2 483.5 MHz)、5.1GHz、5.3 GHz及5.8 GHz(5 150 ～ 5 350 MHz,5 725 ～ 5 850 MHz)頻段。5.4 GHz頻段尚未放開,暫不能使用。考慮到2.4 GHz頻段的系統間干擾問題等原因,WiFi車地無線傳輸系統不建議采用2.4 GHz頻段。

IEEE 802.11ac技術支持5 GHz頻段的多信道動態綁定,且最大可支持160 MHz的信道綁定(由8個20 MHz帶寬的信道組成)。該功能為車地大帶寬無線傳輸系統的實現提供了載頻資源基礎。在IEEE 802.11ac的綁定協商過程中,如計劃綁定的信道已被使用,則系統會自動協商降低至與已被使用的信道相匹配的最低標準。例如,系統一要求80 MHz綁定,系統二在該80 MHz頻段范圍內要求40 MHz綁定,則綁定能力降至40 MHz。考慮到5.8 GHz頻段已為眾多終端所廣泛支持并使用,為避免車地傳輸信道綁定失敗,不建議采用5.8 GHz頻段用于車地系統建設,宜采用5.1 GHz及5.3 GHz頻段,組成2個80 MHz的綁定信道,以確保系統的運行安全。5 GHz的頻段信道如圖3所示。

圖3 地鐵車地無線通信的5 GHz 頻段信道

3 結語

本文通過總結深圳地鐵WiFi系統建設過程中的經驗,對如何設計建設地鐵WiFi車地系統,才能在避免系統干擾的同時,滿足廣大乘客的使用需求,做出了初步的分析總結。雖然,該業務在全國地鐵范圍內尚未全面開展,缺乏實際運營數據的支撐,但通過對系統間干擾的研究和對使用及業務模型的積極探索，仍可為未來系統建設提供經驗性的理論及數據支撐。

[1] 高峰,文柳,豐雷,等.WiFi無線網絡2.4 GHz頻率規劃研究[J].數據通信,2011(1):43

[2] 高峰,高澤華,文柳,等.WLAN技術問答[M].北京:人民郵電出版社,2012.

[3] JEFF S,JAKE W,ROBERT M.802.11無線網絡部署指南[M].裴強,郭光偉,譯.北京:人民郵電出版社,2013.

[4] 孫寰宇.軌道交通車地無線組網技術及干擾分析[J].城市軌道交通，2015(4):51.

On the Safety of Train/Ground WiFi Communication for Urban Rail Transit

XU Jia

The issues of inter-system interference encountered in metro WiFi system design and implementation phase are described, the corresponding anti-inteference measures based on CBTC are explained in detail, including channel switching, narrow-band compression and screen lock. The broadband requirements for metro WiFi transmission is calculated by analyzing the estimated user model and business model of WiFi system, the selection of train/ground wireless communication spectrum could provide reference for the construction of metro WiFi sestem.

urban rail transit; wireless fidelity (WiFi); train/ground wireless communication; communication safty

U 285.21

10.16037/j.1007-869x.2016.06.017

2015-10-28)