PIS和CBTC共存WLAN干擾問題的研究

申利民,劉冬香

(廣州鐵路職業技術學院,廣東廣州,510430)

PIS和CBTC共存WLAN干擾問題的研究

申利民,劉冬香

(廣州鐵路職業技術學院,廣東廣州,510430)

通過分析乘客信息系統（PIS）和列車自動控制系統（CBTC）的功能及無線局域網IEEE802.11a特點，以及通過無線局域網技術（WLAN）技術實現PIS與CBTC雙向通信網絡帶寬需求，詳細論證了PIS對CBTC系統的同頻干擾、鄰道干擾問題，并給出了在工程實現解決上述干擾問題的具體方案。

CBTC系統； PIS系統 ；WLAN；同頻干擾

1.PIS和CBTC系統

基于通信的列車控制系統(communication Based Train Control，CBTC)通過建立地面軌旁與列車的實時通信系統，增強對列車的控制與監督，提高了列車的安全性和運輸效率，地面設備對列車傳輸的信息包括：線路特征信息(位置、坡道及曲線)、前方許可的移動授權(目標距離)、限速信息和目標速度等；列車對地面設備傳輸的信息包括：列車目的地碼、車次號、本列車的定位信息及本列車的速度信息等，這些信息都是數字信息，信息編碼長度較短，因而CBTC 只要求帶寬2 MHz。另外，因CBTC系統直接控制列車的速度和移動，屬于安全控制系統，因此，CBTC系統對數據傳輸的安全性、可靠性和實時性要求級別很高。

乘客信息系統(passenger Information System，PIS)是依托多媒體網絡技術，以地鐵車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。地面設備對列車傳輸的信息包括：數字圖像資訊信息、列車的緊急疏散信息、列車的預告信息等。列車對地面設備傳輸的信息包括：列車車廂內的視頻監控圖像信息、車輛運行狀態信息(根據需要)等。這些信息基上都是圖像信息，但是為保障列車播放圖像的高清晰，目前PIS所需最低帶寬為8M，考慮到車輛內部監控還需4M帶寬(每列車有多個攝像頭，同時只上傳兩路圖像)，平均無線網帶寬應在12M左右，帶寬是保障圖像高質量的最基本要求。PIS系統為非安全系統，其傳輸數據的安全等級不是很高，即使信息完全中斷也不會影響地鐵系統的正常運營。

CBTC系統和PIS系統實現雙向車地通信均通過在地鐵沿線設置無線傳輸網絡設備和天線，以達到實時、無縫地傳輸車輛和地面之間的圖像和數據。在目前絕大多數的城市軌道交通系統中，CBTC系統和PIS都是采用IEEE802.11標準的無線局域網技術實現車地雙向通信的。

2. 無線局域網技術

無線局域網 (wireless LAN，WLAN)作為一種成熟的集成通信技術，其最通用的標準是IEEE定義的802.11系列標準，其中802.11a工作在5.8GHz頻段，其速率高達54Mbps，分頻采用OFDM(正交頻分復用)技術，但最高速率的無障礙接入距離降到30~50m；802.11b通常也被稱為Wi-Fi(Wireless Fidelity)，工作在2.4GHz頻段，可支持最高11Mbps的共享接入速率；802.11g也采用OFDM技術，與802.11a一樣可支持最高54MbPs的速率，它工作在2.4GHz頻段。

圖1 無線局域網的信道分布示意圖

圖2 CSMA/CA方式成功發送一幀信息的示意圖

目前CBTC系統中廣泛使用的是基于IEEE802.11g標準的WLAN，頻率范圍為ISM頻段2412MHZ到2484MHz，共劃分了14個信道，國內僅使用1~11信道，每個信道的帶寬為22MHz，相鄰兩個信道的中心頻率間隔為5MHz，如圖1所示。從圖1中容易看出，11個可用信道中僅有3個獨立信道(互相之間沒有重疊頻率范圍)，分別是1、6和11，這也是無線局域網中經常使用的三個信道。PIS除了使用802.11g標準外，還可以使用802.lla標準，即采用5.8GHz頻段。對工作在2.4GHz的CBTC系統會造成干擾，影響列車的正常通信甚至行車安全。

3.PIS對CBTC系統干擾的分析

3.1 同頻干擾

列車運行過程中，CBTC系統和PIS的車載與地面AP會分別建立關聯，進行無線通信。當CBTC系統和PIS共用2.4GHz頻段的相同信道時，兩者都需要占用信道進行通信，而通信鏈路只有一條，無法同時發送數據，對于多個站點同時利用相同信道發送數據幀的情況，則信號在信道上就會發生碰撞或沖突，導致數據發送的失敗。MAC層引入了載波偵聽多路接入/碰撞避免(CamersenseMultiple Aecess/CollisionAvoidanee，CSMA/CA)機制來解決這一問題。現假設信道沒有噪聲干擾，即不考慮信道誤碼引起的重發。

圖2即為成功發送一幀數據的時序示意圖。發送站從t0時刻偵聽信道，如果信道空閑便等待時間Tw，此時信道仍然空閑，發送站便開始組織發送數據，這需要一定的時間Ts，然后信息才能真正發送到介質上，當預檢測幀PD發到介質上以后，由于傳播時延的存在，真正到達接收站時要延遲TD時間，接收站接收到無誤的預檢測幀后，便發回應答信息ACK（PD），發送站收到正確的ACK（PD）后，方能確定本次發送沒有沖突，續發正式數據M，如果沒有收到正確的應答信息，即認為發生沖突，后續數據不發，隨機延時等待下一次發送，只要限定條件TW＞TS+2TD=t7?t4，那么另一站發送信息的時刻也不會落在（t7?t4）區間內，便可保證發送正式數據M期間不會發生沖突，即說，若發生沖突，也僅在預檢測幀上發生，只要M的平均長度LM遠大于檢測幀的手法時間，沖突浪費時間久很小，從而使信道利用率提高。

3.2 鄰道干擾

當CBTC系統的WLAN和PIS的WLAN使用相鄰信道，或信道中心頻率間隔小于5的時候，比如1信道和3信道，如圖3所示，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。

引入干擾因子，干擾因子是衡量信道間干擾情況的一個重要參數，它定量描述了兩個信道在整個工作頻段上的頻率重疊程度。干擾因子的計算方式，歸一化的OFDM信號復包絡為：

IEEE802.11標準無線網卡發送端和接收端的IF濾波器會對通過的OFDM信號產生影響，使其兩側的功率譜密度大大降低，引入使用的PRISMⅡ網卡IF濾波器頻率響應函數：

其中，ω是角頻率。引入交疊函數，它代表信道i和信道j在頻率F上的交疊成程度：其中，

對該函數在2350MHZ到2550MHZ頻段上進行積分，可以計算得出信道i和信道j之間的干擾因子，計算公式如下：

其中olf0是干擾因子的歸一化常量，它定義為同信道干擾因子，計算公式如下：

通過計算，獲得了表1不同信道間干擾因子。

表1 不同信道的干擾因子

圖3 鄰道干擾

由表1可以看出，隨著信道間隔逐漸加大，信道間干擾逐漸減小。當信道間隔為1時，干擾因子為0.6522，數據傳輸受相鄰信道干擾很大。當信道間隔達到5時，如1信道和6信道之間，干擾因子己經下降到0.0074，但還是不可避免的會有一些干擾。這與實際中干擾的情況基本相符合。

對于處在5.8GHz頻段的802.11a而言，可以借助同樣的方法來計算其與802.11g某一信道之間的干擾因子。因此，分別將5.8GHz和2.4GHz代入式(2-3)

中計算，兩個頻段的衰減差值如下式所示:

由此可以判斷濾波器的過濾效果很好，高頻信號幾乎被完全過濾，干擾會很小。

4.應對措施

使PIS 與CBTC兩個WLAN 共存將是工程上需解決的問題，主要有如下措施。

（1） CBTC 和PIS 系統采用同一家WLAN 供貨商。基于目前W L A N 技術，采用802.11g 的正交頻分復用（OFDM） 技術， 最大可提供54 Mbit/s 的傳輸速率，完全可以滿足C B T C 系統和P I S 系統的要求。現在相關系統供貨商也在致力于CBTC 和PIS 系統的集成工作，這種方式可節省無線頻率資源，節約工程投資，有效避免C B T C和PIS 的相互干擾，避免兩家無線供貨商之間工程接口上的責任不明確和協調困難。

（2 ）選擇不同W L A N 供貨商時，分開CBTC 和PIS 系統的使用頻段。當系統間出現全波段干擾時，最好的辦法是將兩個系統用不同的頻段隔開，例如：C B T C 使用2 . 4GHz 頻段，PIS 系統使用5.8 GHz 頻段（5.8 GHz 為付費頻段，會增加運營成本）或其他無線頻段。這樣也能有效地避免干擾，但需申請頻段并得到無線電管理委員批準。

（3 ）選擇不同W L A N 供貨商時，但采用同頻段。當兩系統采用同頻段（如ISM 頻段）時可采取以下措施盡量減少相互間的干擾。第一，選擇不同天線極化方向。垂直極化無線電波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化無線電波要用具有水平極化特性的天線來接收，當微波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中要產生極化損失，通常都不能有效地通信。因此，若CBTC 用垂直極化天線，PIS就用水平極化天線。第二，規劃無線頻段。目前，CBTC 系統無線通信和乘客信息系統都使用802.11 標準。根據供貨商采用的信道編碼技術，盡量地將兩個系統使用的頻段分開。為了將相同頻道和交疊頻道干擾的影響降至最低，IEEE 802.11定義并應用了帶沖突避免的載波偵聽多址協議（CSMA/CA）。另外，在無線信息傳輸中，信噪比（SNR）必須保持在一定值以上（如6 dB）, 系統才能正確地接收信號，否則將會產生信道的阻塞。兩系統的信號相互間被認為是干擾信號，在系統設計時，通過合理布置雙方AP 位置，增加AP 移交點處的信噪比，從而達到兩系統兼容。

5. 結束語

基于IEEE802.11的WLAN技術的特點，隨著信道間隔的增大，干擾因子減小，在信道間隔為5時，干擾因子己經在10-3數量級上；而當PIS和CBTC系統分別使用5.8GHz頻段和2.4GHZ頻段時，干擾因子大概在10-5數量級上，干擾已經非常小。從成本上和滿足實際工程的需求上看，由于CBTC系統本身占用了1、11信道，PIS利用6信道時兩者的共存是最為合理的。

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Research on interference between PIS and CBTC in WLAN

Shen Limin, Liu Dongxiang
(Guangzhou Institute of Railway Technology, Guandong Cruangzhou ,510430)

It is analyzed that include the function of passenger information system（PIS） and communication based train control（CBTC）, as well as wireless LAN IEEE802.11 characteristics and bandwidth requirements implementing intercommunication between PIS and CBTC . Co-channel interference and adjacent channel interference of PIS and CBTC are demonstrated in detail , and the specific solution of the interference problem is given out in the project.

CBTC System; PIS System; WLAN; Co-channel interference

申利民（1978-），男， 廣東省邵陽人，講師，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感網絡，嵌入式系統。

劉冬香（1967-）， 女， 廣東省廣州市人， 副教授， 碩士，主要研究方向為電力牽引與傳動控制。