CBTC數據通信子系統的無線干擾論文
0引言
隨著城市化進程的加快，為了緩解城市交通的擁堵，全國各大城市都在加緊修建地鐵。在整個地鐵系統中，列車的自動控制系統起到核心控制作用。目前國內新建地鐵線路大多采用基于通信的列車控制系統（CBTC），它采用無線通信系統，通過開放的數據通信（DSC）網絡實現了高可靠、高精度列車自身定位，以及連續、高容量的車／地雙向數據通信。DSC子系統采用IEEE802．11g標準、2．4GHz公共頻段的無線局域網技術提供車地無線系統連接，且大多采用無線接入點（AP）接入方式的組網結構。現今城市無線網絡覆蓋廣泛，CBTC系統的無線車地通信容易受到外界的干擾，特別是采用同樣2．4GHz公共頻段，應用無線局域網技術的WiFi無線設備。本文分析了地鐵CBTC中DSC的無線通信系統存在的干擾問題，并給出了具體的解決措施。
1CBTC系統的無線干擾分析
1．1同頻干擾分析
軌道邊的無線AP，需要工作在2．4GHz的某個頻點上。當無線AP的無線信號覆蓋范圍內有兩個以上的AP時，需要為每個AP設定不同的頻段，以免共用信道發生沖突。常用的IEEE802．11g將2．4G～2．4835G的頻段分成13個相鄰的子信道如圖1所示，AP可以使用1、6、11信道。在同頻工作模式下，兩輛列車可能同時出現在同一個AP的頻段中，這樣兩者就會發生干擾。
1．2多徑干擾分析
當無線信號在沿地鐵線路傳輸時，無線信號在隧道內壁以及其他物體上進行反射時會產生多徑問題。即傳輸信號并非通過單一路徑到達接收器，而是經過了多個不同路徑。最終接收到的信號實際上是所有信號分量疊加形成，傳輸信號分量經過不同的路徑和不同的延遲到達接收器。這樣接收到的信號就產生了畸變。
1．3外部周圍環境的干擾
地鐵沿線外部周圍的障礙物、企業或者家用WLAN設備都可能對軌道交通CBTC的2．4GWLAN系統產生干擾。對于外部周圍環境的障礙物，主要產生干擾的原因是一些廣告牌和燈箱可能會出現在CBTC信號覆蓋的第一菲涅爾區域內，從而降低信號的可用度。
1．4電磁干擾分析
在地鐵線路區域內，除了地鐵列車的電氣設備外，還有無線發射站等多種無線電磁干擾源，特別是工作于2．4G頻段的無線AP、MiFi、醫療設備微波治療儀等。電磁干擾可能會導致地鐵設備誤動作，甚至會出現系統通信網絡頻繁出現故障等問題。
1．5軌道交通內部其它通訊系統的干擾
對于軌道交通內部的其它通訊系統，同樣它們工作在不同于無線控制點的2．4GHz－2．483GHz范圍內，對2．4GWLAN系統產生干擾。
1．6CBTC與PIS系統間的.干擾
在地鐵的隧道環境中，除了CBTC系統需要采用無線局域網技術之外，PIS系統也可能采用基于802．11的解決方案。在隧道中有兩套無線局域網系統，從圖1中可見，同時只有3個信道是互不重疊的，其它信道使用的頻率相互重疊，可能互相干擾。
2CBTC無線干擾的解決措施
2．1CBTC系統內部干擾的解決措施
CBTC和PIS系統，處于共存在2．4GHz開放免費頻段的情況時，PIS系統可工作于第三個不重疊頻點，即安排PIS系統的軌旁AP均工作在頻點6，而CBTC系統的軌旁AP工作在頻點1、13。當然，PIS系統也可以根據自身系統的帶寬需求，選擇工作在5．8G頻段。從信號系統業務的角度來分析，系統針對網絡的快速切換具有很高要求，基本要求于毫秒級，綜合各種切換技術及列車實測情況來看，本工程使用同頻切換技術，即在信號系統中每個網絡使用一個統一的頻率（整個系統占用兩個互不重疊的信道）。在軌道交通信號系統工程實施中，B網絡（ESS＿B）使用第1信道，而A網絡使用第13信道。屬于同一網絡的AP會是用同樣的頻率，因此，在覆蓋重疊區域，相鄰AP之間會產生一定的干擾。但是，根據在軌道交通環境所作的測試結果，相互之間的干擾對AP的性能影響非常有限，完全可以支持車地之間的雙向通信，并且實測中每個AP有效通信容量（去除協議開銷）約為22Mbit／s，足以支持CBTC車地之間的高速﹑實時雙向通信。綜上所述，CBTC系統和PIS系統，處于共存在2．4GHz開放免費頻段的情況時，PIS系統可工作于第三個不重疊頻點，當然，PIS系統也可以根據自身系統的帶寬需求，選擇工作在5．8G頻段。
2．2CBTC外部干擾的解決措施
（1）針對多徑反射帶來的問題，采用以下的一些技術來克服多徑干擾問題：采用雙天線減輕多徑干擾，為每一個車載無線單元配置了雙天線，使雙天線工作在分級模式下，這樣的方式在一定程度上可以有效消除多徑干擾的問題。在軌旁以及車載部分采用定向天線方式進行接受和發送，其發送角度小，在隧道封閉環境中產生反射的情況大大減少從而減輕多徑干擾。采用OFDM（正交頻分復用）無線擴頻技術，用于車－地無線通信，OFDM最大可接收6Mbit／s的數據速率，減少多徑衰落對無線通信系統的影響。
（2）外部周圍環境干擾的解決措施:對于這類情況，需要注意天線安裝的高度，確保軌旁天線和車載天線的通信的第一菲涅爾區域內避免燈箱和廣告牌障礙物的干擾。并且在地面部分采用小角度的定向天線，可以增強定向天線覆蓋的主要區域的信號，而減弱干擾信號。
（3）避免電磁干擾的措施：地鐵交通的環境比較復雜，干擾源較多，一般采用以下方式避免電磁干擾：在隧道及地面路段選擇小角度定向高增益天線，天線前后比≥25dB。高指向性天線可以解決對周邊環境的電磁干擾；沿線的無線AP安裝于室外屏蔽箱體內，屏蔽箱體可以有效防止隧道內的高壓動力電纜對無線設備可能造成的干擾；列車司機駕駛室內的車載MR安裝高增益定向天線，指向車頭／車尾軌道沿線的無線AP天線。
（4）克服軌道交通內部其它通訊系統的干擾:通過它們本身的濾波系統，基本可以過濾WLAN無線信號對它們的無線干擾。并且項目選用的任何一款WLAN產品都經過嚴格的EMIClassB的檢測，杜絕對軌道交通內部其它通訊系統的干擾。
3結語
對于采用基于2．4G無線局域網技術的CBTC系統，必須要提高無線通信系統的安全性，盡量避免運行中可能出現的信號干擾，保證列車的行車安全。那么，就現有的CBTC地鐵線路而言，必須要求相關技術人員加大對信號干擾源的研究分析，給出相應的解決措施。如果要從根本上解決信號干擾問題，必須申請地鐵通信系統的專用頻段。
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