CBTC数据通信子系统的无线干扰

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0引言

随着城市化进程的加快，为了缓解城市交通的拥堵，全国各大城市都在加紧修建地铁。在整个地铁系统中，列车的自动控制系统起到核心控制作用。目前国内新建地铁线路大多采用基于通信的列车控制系统（cbtc），它采用无线通信系统，通过开放的数据通信（DSC）网络实现了高可靠、高精度列车自身定位，以及连续、高容量的车／地双向数据通信。DSC子系统采用IEEE802．11g标准、2．4GHz公共频段的无线局域网技术提供车地无线系统连接，且大多采用无线接入点（AP）接入方式的组网结构。现今城市无线网络覆盖广泛，CBTC系统的无线车地通信容易受到外界的干扰，特别是采用同样2．4GHz公共频段，应用无线局域网技术的WiFi无线设备。本文分析了地铁CBTC中DSC的无线通信系统存在的干扰问题，并给出了具体的解决措施。

1CBTC系统的无线干扰分析

1．1同频干扰分析

轨道边的无线AP，需要工作在2．4GHz的某个频点上。当无线AP的无线信号覆盖范围内有两个以上的AP时，需要为每个AP设定不同的频段，以免共用信道发生冲突。常用的IEEE802．11g将2．4G～2．4835G的频段分成13个相邻的子信道如图1所示，AP可以使用1、6、11信道。在同频工作模式下，两辆列车可能同时出现在同一个AP的频段中，这样两者就会发生干扰。

1．2多径干扰分析

当无线信号在沿地铁线路传输时，无线信号在隧道内壁以及其他物体上进行反射时会产生多径问题。即传输信号并非通过单一路径到达接收器，而是经过了多个不同路径。最终接收到的信号实际上是所有信号分量叠加形成，传输信号分量经过不同的路径和不同的延迟到达接收器。这样接收到的信号就产生了畸变。

1．3外部周围环境的干扰

地铁沿线外部周围的障碍物、企业或者家用WLAN设备都可能对轨道交通CBTC的2．4GWLAN系统产生干扰。对于外部周围环境的障碍物，主要产生干扰的原因是一些广告牌和灯箱可能会出现在CBTC信号覆盖的第一菲涅尔区域内，从而降低信号的可用度。

1．4电磁干扰分析

在地铁线路区域内，除了地铁列车的电气设备外，还有无线发射站等多种无线电磁干扰源，特别是工作于2．4G频段的无线AP、MiFi、医疗设备微波治疗仪等。电磁干扰可能会导致地铁设备误动作，甚至会出现系统通信网络频繁出现故障等问题。

1．5轨道交通内部其它通讯系统的干扰

对于轨道交通内部的其它通讯系统，同样它们工作在不同于无线控制点的2．4GHz－2．483GHz范围内，对2．4GWLAN系统产生干扰。

1．6CBTC与PIS系统间的干扰

在地铁的隧道环境中，除了CBTC系统需要采用无线局域网技术之外，PIS系统也可能采用基于802．11的解决方案。在隧道中有两套无线局域网系统，从图1中可见，同时只有3个信道是互不重叠的，其它信道使用的频率相互重叠，可能互相干扰。

2CBTC无线干扰的解决措施

2．1CBTC系统内部干扰的解决措施

CBTC和PIS系统，处于共存在2．4GHz开放免费频段的情况时，PIS系统可工作于第三个不重叠频点，即安排PIS系统的轨旁AP均工作在频点6，而CBTC系统的轨旁AP工作在频点1、13。当然，PIS系统也可以根据自身系统的带宽需求，选择工作在5．8G频段。从信号系统业务的角度来分析，系统针对网络的快速切换具有很高要求，基本要求于毫秒级，综合各种切换技术及列车实测情况来看，本工程使用同频切换技术，即在信号系统中每个网络使用一个统一的频率（整个系统占用两个互不重叠的信道）。在轨道交通信号系统工程实施中，B网络（ESS＿B）使用第1信道，而A网络使用第13信道。属于同一网络的AP会是用同样的频率，因此，在覆盖重叠区域，相邻AP之间会产生一定的干扰。但是，根据在轨道交通环境所作的测试结果，相互之间的干扰对AP的性能影响非常有限，完全可以支持车地之间的双向通信，并且实测中每个AP有效通信容量（去除协议开销）约为22Mbit／s，足以支持CBTC车地之间的高速﹑实时双向通信。综上所述，CBTC系统和PIS系统，处于共存在2．4GHz开放免费频段的情况时，PIS系统可工作于第三个不重叠频点，当然，PIS系统也可以根据自身系统的带宽需求，选择工作在5．8G频段。

2．2CBTC外部干扰的解决措施

（1）针对多径反射带来的问题，采用以下的一些技术来克服多径干扰问题：采用双天线减轻多径干扰，为每一个车载无线单元配置了双天线，使双天线工作在分级模式下，这样的方式在一定程度上可以有效消除多径干扰的问题。在轨旁以及车载部分采用定向天线方式进行接受和发送，其发送角度小，在隧道封闭环境中产生反射的情况大大减少从而减轻多径干扰。采用OFDM（正交频分复用）无线扩频技术，用于车－地无线通信，OFDM最大可接收6Mbit／s的数据速率，减少多径衰落对无线通信系统的影响。

（2）外部周围环境干扰的解决措施:对于这类情况，需要注意天线安装的高度，确保轨旁天线和车载天线的通信的第一菲涅尔区域内避免灯箱和广告牌障碍物的干扰。并且在地面部分采用小角度的定向天线，可以增强定向天线覆盖的主要区域的信号，而减弱干扰信号。

（3）避免电磁干扰的措施：地铁交通的环境比较复杂，干扰源较多，一般采用以下方式避免电磁干扰：在隧道及地面路段选择小角度定向高增益天线，天线前后比≥25dB。高指向性天线可以解决对周边环境的电磁干扰；沿线的无线AP安装于室外屏蔽箱体内，屏蔽箱体可以有效防止隧道内的高压动力电缆对无线设备可能造成的干扰；列车司机驾驶室内的车载MR安装高增益定向天线，指向车头／车尾轨道沿线的无线AP天线。

（4）克服轨道交通内部其它通讯系统的干扰:通过它们本身的滤波系统，基本可以过滤WLAN无线信号对它们的无线干扰。并且项目选用的任何一款WLAN产品都经过严格的EMIClassB的检测，杜绝对轨道交通内部其它通讯系统的干扰。

3结语

对于采用基于2．4G无线局域网技术的CBTC系统，必须要提高无线通信系统的安全性，尽量避免运行中可能出现的信号干扰，保证列车的行车安全。那么，就现有的CBTC地铁线路而言，必须要求相关技术人员加大对信号干扰源的研究分析，给出相应的解决措施。如果要从根本上解决信号干扰问题，必须申请地铁通信系统的专用频段。

作者：王琳 单位：武汉铁路职业技术学院