廣州地鐵引入通用移動通信的干擾測試研究

劉軍

廣州地鐵引入通用移動通信的干擾測試研究

劉軍

（廣州地鐵集團有限公司，510710，廣州//工程師）

城市軌道交通引入通用移動通信3G/4G信號是大勢所趨。為此，探討了地鐵線路引入通用3G/4G信號后可能會造成信號干擾等問題，并對廣州地鐵現有通信設備進行了干擾測試。根據測試結果，提出了相應的抗干擾措施建議，以避免移動通信信號對地鐵運行造成干擾。

地鐵；3G/4G信號；信道搶占干擾；同頻干擾

Author′s addressGuangzhou Metro Group Co.，Ltd.，510710，Guangzhou，China

在城市軌道交通建設中，通用移動通信定義為除專業通信外的、服務于乘客的、商業性質的各種民用通信，主要包括3G/4G信號、車站WLAN、iBeacon藍牙等通信。

3G/4G信號是第三代/第四代移動通信技術，是支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術，能同時高速傳送語音及數據信息。目前，3G/4G技術已經成熟，地鐵乘客希望隨時隨地享受3G/4G無線網絡帶來的便利。在日益增長的移動業務市場需求的推動下，城市軌道交通與通用3G/4G設備設施一起建設是大勢所趨。本文主要探討地鐵線路引入3G/4G信號后的相關問題。

1 信號干擾及其原因

1.1 信道搶占

信道搶占干擾主要發生在使用了無線局域網標準IEEE 802.11協議的設備之間，如乘客的便攜式WLAN設備和基于通信的列車控制（CBTC）系統及乘各信息顯示系統（PIDS）之間的干擾。

目前，國際上絕大部分的用戶終端（如手機、筆記本電腦等）WiFi端口支持2.4 GHz頻段，少部分用戶終端支持2.4 GHz頻段和5.8 GHz頻段（如蘋果手機）。802.11b、802.11g、802.11n協議規定的工作頻段在2.4 GHz（2.410～2.483 GHz），并劃分為14個子頻道，相互不產生干擾的信道只有3個（見圖1）。在同一個區間或蜂窩內可以部署的信道數量不能大于3個，否則將相互干擾。

圖1 802.11協議中2.4 GHz工作頻段信道配置

當多個天線訪問接入點（AP）選擇某個相同信道傳輸信號時，彼此發送報文時極易產生碰撞，導致空口丟包率上升、傳輸質量下降。為避免碰撞，802.11協議定義了帶有避免沖突的載波偵聽多路訪問協議。

WLAN無線設備是對等的，且所有站點共享信道，為通信需要競爭信道。一旦WLAN無線設備檢測到信道內有其他信號發送，就會隨機延遲，避免碰撞。當有多臺設備工作在同一個基本服務集內，信道繁忙概率提升，發送端退避時間增大，帶寬利用率下降，導致通信性能下降，甚至通信中斷。

1.2 同頻干擾

同頻干擾主要產生于使用了相同的通信信道和不同的通信協議的設備之間，如乘客使用的便攜式WLAN設備和軌道交通聯鎖系統之間。因此，廣州地鐵引入3G/4G信號后，可能發生的干擾組合主要有4種（如表1所示）。

表1 廣州地鐵通信干擾組合列表

在沒有信道沖突避讓機制的設備之間，如使用了相同的無線信道，其信號載頻相同，對信號產生影響，會影響無線通信設備正常接收，導致系統通信性能降低。

2 干擾測試

針對便攜式WLAN設備（MiFi），對廣州地鐵5號線CBTC系統在引入3G/4G信號后進行試驗測試，測試時間為夜間非運營時段。

2.1 測試項目

采用頻譜儀測量專用通信系統的頻譜。測試組分為2組，測試組1負責使用頻譜儀進行掃頻測試，測試組2使用便攜式WLAN設備（MiFi）和3G/4G手機終端進行數據下載測試。分兩種測試情景對CBTC系統進行測試。

（1）測試情景一：3G/4G網絡關閉，MiFi設備關閉。列車運行時測試組1在車頭對2.4～2.5 GHz和300～900 MHz進行掃頻，收集底噪數據并記錄；地鐵信號專業人員記錄CBTC/PIDS相關指標。

（2）測試情景二：3G/4G系統開啟，MiFi設備開啟。列車運行時測試組1在車頭對2.4～2.5 GHz和300～900 MHz進行掃頻，收集數據。測試組2利用開啟的MiFi設備在車頭乘客區進行數據業務操作（如瀏覽視頻、下載大容量文件）。

列車運行第1圈時，同時開啟3家運營商（各20臺）共60臺MiFi設備，測試對CBTC信號的影響，并記錄測試結果。列車運行第2、3圈時，同時開啟三家運營商（各10臺）共30臺MiFi設備，測試對CBTC信號的影響，并記錄測試結果。

2.2 測試結果

取列車運行中（車陂南站—珠江新城站往返）的測試數據進行分析，其中60臺MiFi設備集中在車頭的測試情況如圖2所示。

根據圖2所示測試數據，在3G/4G系統開啟、便攜WLAN設備未開啟狀態下，廣州地鐵5號線站臺區域CBTC系統的底噪都基本保持在-103 dBm左右。在3G/4G系統開啟、便攜WLAN設備開啟狀態下，最強干擾電平為-83 dBm左右，此時屏蔽門開關正常，沒有造成意外制動或逼停。

圖2 列車運行中信號干擾測試掃頻結果

對地鐵范圍內其他專用設備頻段進行掃頻，結果如圖3所示。由圖3可知，在300～900 MHz內掃到的信號，分別落在359、865兩個頻點帶寬內。該信號為廣州地鐵5號線公安警用無線通信系統及專用無線通信系統頻點，其在3G/4G系統關閉與激活狀態下均處于正常的波動范圍內，在非CBTC系統使用的頻點帶寬內，信號底噪沒有增加。由此可見，引入的3G/4G信號沒有雜散干擾信號落入300～900 MHz頻段內，即3G/4G信號引入滿足300～900 MHz頻段內信號隔離度要求，其所處頻段的信號不會對其他信號造成明顯的干擾。

圖3 車陂南站—珠江新城站各站臺300～900 MHz掃頻圖

3 抗干擾措施建議

就廣州地鐵現階段頻點分布而言，為減少地鐵受到信號干擾，新頻段引入需要考慮以下幾點。

（1）在既有地鐵線路上制定通信防護方案。為了降低3G/4G信號引入后對既有通信設備的干擾，應對現場環境進行測試，對干擾源、干擾機制進行定位和評估。制定降低干擾強度的措施，并通過現場測試驗證實施效果。對現場無線環境進行監測，對現有的無線系統（含新增的3G/4G信號）進行檢測定標，作為日常維護的監測依據，防止新增干擾源使無線環境惡化。通信防護措施包括：①現場清頻，對所有的無線信號（含3G/4G信號）進行測試，確認是否含有雜散影響；②壓制干擾源，在合適地點（如車廂、站臺）部署專用的壓制設備。

（2）實施干擾隔離工作。為保證地鐵各通信系統之間相互不干擾，各個系統之間必須存在一定的隔離度。新頻段引入時，需在工程設計階段作好各設備之間干擾分析工作，計算各關鍵設備規避干擾的隔離度。可采取與天線保持一定距離（空間隔離法）或者在天線之間增加隔離物（硬件隔離法）等，通過對車廂、站臺等干擾源密集區域和設備工作區域（司機室、隧道等）的屏蔽隔離，降低干擾信號的強度。

（3）使用付費專用頻點。工信部已經規定在城市軌道交通中采用1.8 GHz頻段，該頻段多為運營商手機信號使用，且與既有2.4 GHz頻段保持足夠隔離度。2.4 GHz頻段屬于免費開放的，眾多設備使用該頻段，且面對日益增多的無線設備，使用2.4 GHz頻段的設備勢必日益密集。建議城市軌道交通信號系統使用付費頻點，或者無線電管理部門出臺相關政策來保證地鐵信號系統頻點的唯一性。

4 結語

廣州地鐵5號線引入3家運營商3G/4G信號對既有通信設備的干擾測試結果顯示，干擾主要存在于便攜WLAN設備對2.4 GHz信號系統產生的同頻與鄰頻干擾。因客觀條件所限，本次測試場景還有進一步提升的空間，測試時間長度和次數也有待加強，測試方法應包括動態、靜態等多項測試。本次廣州地鐵5號線同時開啟60臺便攜式WLAN設備的極限測試表明，暫未出現明顯引起列車緊急停車的情況。

目前，國內城市軌道交通主流信號設備均采用2.4 GHz頻段，若引入新頻段設備，需統籌規劃現有設備的頻段資源，做好技術分析工作，在未能采取有效安全保障措施前，應慎重引入新的無線網絡系統。

［1］李星.TD-SCDMA室內分布系統探討［J］.電信網技術，2006（6）：6-7.

［2］劉艷萍，章秀銀，胡斌杰.4G核心技術原理及其與3G系統的對比分析［J］.移動通信，2004，28（10）：40-42.

Introduction of Mobile Communications Interference Test in Guangzhou Metro

LIU Jun

The introduction of mobile communication 3G/4G signal in urban rail transit represents the general trend of development.In this paper，issues of 3G/4G general signal introduction in Guangzhou subway network are addressed，their interferences over the existing devices in Guangzhou metro are discussed，corresponding suggestion are proposed based on field testing results.The purpose is to reduce the losses caused by the signal interference over metro devices.

metro；3G/4G signal；preemptive interference；same frequency interference

U285.7；TN929.5

10.16037/j.1007-869x.2017.08.036

2015-12-25）