杜 成

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用研究

杜 成

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

鑒于采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4GHz開(kāi)放頻段基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)(CBTC)在城市軌道交通應(yīng)用中被外界采用相同標(biāo)準(zhǔn)和頻譜的WiFi信號(hào)干擾,而造成停車(chē)事故,影響列車(chē)正常運(yùn)營(yíng);為此,通過(guò)對(duì)CBTC系統(tǒng)采用的無(wú)線傳輸技術(shù)分析和研究,提出目前CBTC系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)存在的問(wèn)題和無(wú)線干擾處理方法及未來(lái)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)的發(fā)展方向。

CBTC;WiFi;ISM2.4GHz;無(wú)線干擾

1 概述

目前,城市軌道交通基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)(CBTC)均采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4GHz頻段。由于2.4 GHz頻段是一個(gè)全球性免費(fèi)開(kāi)放頻段,使用無(wú)需審批及付費(fèi),只需遵守一定無(wú)線電規(guī)則即可。基于2.4 GHz開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性,因此,該頻段用戶量極大,在通信領(lǐng)域,各廠商均針對(duì)2.4 GHz開(kāi)放頻段開(kāi)發(fā)多種應(yīng)用產(chǎn)品和技術(shù),產(chǎn)品主要有數(shù)字無(wú)繩電話、、無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線鍵盤(pán)、無(wú)線耳機(jī)、微波爐等,技術(shù)主要包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)線上網(wǎng)(WiFi)和封閉協(xié)議通信技術(shù)。目前,基于2.4 GHz的產(chǎn)品和技術(shù)的使用范圍也迅速擴(kuò)大,當(dāng)這些設(shè)備與CBTC系統(tǒng)處于相同的環(huán)境同時(shí)工作頻點(diǎn)重疊時(shí),就不可避免地對(duì)CBTC無(wú)線傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生同頻干擾。由于ISM2.4GHz頻段內(nèi)無(wú)線電臺(tái)之間產(chǎn)生的干擾,原則上不受保護(hù),因此,有必要對(duì)CBTC系統(tǒng)采用的無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行抗干擾分析和研究,確保CBTC信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 基于2.4 GHz無(wú)線傳輸技術(shù)介紹

20世紀(jì)90年代,無(wú)線通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合產(chǎn)生了無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)。WLAN是指采用無(wú)線介質(zhì)傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)局域網(wǎng),采用的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11系列,可為移動(dòng)用戶提供高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的寬帶接入業(yè)務(wù)。Wi-Fi為Wireless Fidelity的縮寫(xiě),意思為無(wú)線局域網(wǎng)。由于Wi-Fi產(chǎn)品遵循IEEE所制定的802.11系列標(biāo)準(zhǔn),所以一般的802.11系列標(biāo)準(zhǔn)都屬于Wi-Fi。

2.1 2.4 GHz頻譜介紹

WLAN建設(shè)中廣泛使用的是802.11b和802.11g協(xié)議。根據(jù)IEEE 802.11b及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定, WLAN工作頻段為2.4～2.483 5 GHz,可提供1、2、5.5、11 Mbit/s的自適應(yīng)速率,在2.4 GHz的ISM頻段上共有14個(gè)頻寬為22 MHz的頻道可供使用,其中共有13個(gè)子信道,這13個(gè)子信道是互相重疊的,只有3個(gè)頻點(diǎn)是相互之間沒(méi)有重疊,可以同時(shí)使用的,就是一般的1、6、11信道。由于只有3個(gè)互不干擾的頻道可供選擇,且此頻道公開(kāi),任何運(yùn)營(yíng)商、企事業(yè)和個(gè)人用戶均可使用這幾個(gè)頻道,增加了WLAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的干擾。802.11b/g各頻道之間的頻率劃分方式如圖1所示。

圖1 2.4 GHz頻率劃分

2.2 2.4 GHz無(wú)線技術(shù)傳輸機(jī)制

基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用載波監(jiān)聽(tīng)/沖突避免(CSMA/CA)訪問(wèn)機(jī)制,即采用先聽(tīng)后講機(jī)制,先確定信道未被占用,再發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)信道被占用時(shí),則繼續(xù)等待空閑時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù),即在1個(gè)信道中每時(shí)刻僅存在1個(gè)用戶在占用信道,同時(shí)每個(gè)用戶占用信道時(shí)間和機(jī)會(huì)都是公平的。如果1個(gè)終端需要使用WLAN進(jìn)行通信時(shí),首先要監(jiān)聽(tīng)信道,這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)2種情況。一是如果信道當(dāng)時(shí)有人在使用,就一直監(jiān)聽(tīng)下去直到信道空閑。二是如是信道空閑,就使用這個(gè)信道,此時(shí)信道被占用。由于WLAN是采用競(jìng)爭(zhēng)的,終端競(jìng)爭(zhēng)到就完全使用該信道,使用完后終端繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)。如果2個(gè)終端使用相同信道,競(jìng)爭(zhēng)會(huì)使接收端性能退化,吞吐性能下降。而同時(shí),同臨頻干擾產(chǎn)生波形的疊加或者衰落,導(dǎo)致接收端無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別、還原信號(hào),大量數(shù)據(jù)重傳更增加了帶寬開(kāi)銷(xiāo),使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳送性能更加惡化。

2.3 調(diào)制方式和抗干擾措施

ISM2.4 GHz頻段是世界范圍內(nèi)的通用和開(kāi)放頻段,該頻段也因此存在許多來(lái)自各種不同系統(tǒng)的干擾信號(hào),干擾影響的大小與干擾的形式、頻率和強(qiáng)度等諸多因素有關(guān),特別是ISM2.4GHz頻段的IEEE802.11b/g系統(tǒng),由于會(huì)受到許多干擾源的影響,其物理層的性能會(huì)下降。為了提高設(shè)備的抗干擾能力,增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可用性,2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù)一般采用干擾抑制和干擾躲避的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),通常采用的技術(shù)包括直接序列擴(kuò)頻(DSSS)、跳頻擴(kuò)頻(FHSS)和正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù),相關(guān)具體工作原理介紹如下。

(1)直序擴(kuò)頻技術(shù):是指把原來(lái)功率較高,而且?guī)捿^窄的原始功率頻譜分散在很寬廣的帶寬上,使得在整個(gè)發(fā)射信號(hào)利用很少的能量即可傳送出去。它直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜,而在收端,用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò),把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。

直接序列擴(kuò)頻的優(yōu)點(diǎn)為:①直擴(kuò)系統(tǒng)射頻帶寬很寬,小部分頻譜衰落不會(huì)使信號(hào)頻譜嚴(yán)重的畸變;②抗干擾性強(qiáng),即使以同類(lèi)型信號(hào)進(jìn)行干擾,在不知道信號(hào)的擴(kuò)頻碼的情況下,由于不同擴(kuò)頻編碼之間的不同的相關(guān)性,干擾也不起作用;③隱蔽性好,信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展,單位帶寬上的功率很小,信號(hào)功率譜密度很低,隱蔽性好,對(duì)于其他電信設(shè)備構(gòu)成干擾小;④易于實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA),充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性,分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼,可以區(qū)別不同的用戶的信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用,使擁擠的頻譜得到充分利用,實(shí)現(xiàn)多址通信;⑤抗多徑干擾,利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性,在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào),也可把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng),從而達(dá)到有效的抗多徑干擾;⑥通信速率高,直擴(kuò)通信速率可達(dá)2,8,11 M,無(wú)須申請(qǐng)頻率資源,建網(wǎng)簡(jiǎn)單,網(wǎng)絡(luò)性能好。

(2)跳頻擴(kuò)頻技術(shù):跳頻擴(kuò)頻就是用擴(kuò)頻的碼序列去進(jìn)行移頻鍵控(FSK)調(diào)制,使載波的頻率不斷地跳變。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)時(shí),根據(jù)收發(fā)雙方預(yù)定的協(xié)議,在一個(gè)頻道傳送一定時(shí)間后,就同步“跳”到另一個(gè)頻道上繼續(xù)通信。在接收端,用與發(fā)送端完全相同的本地發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò),通過(guò)解調(diào)正確地恢復(fù)原有的信息。

調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為:①具有抗單頻及部分帶寬干擾的能力,當(dāng)跳變的頻率數(shù)目足夠多時(shí),跳頻帶寬足夠?qū)挄r(shí),其抗干擾能力很強(qiáng);②利用載波頻率的快速跳變,具有頻率分集的作用,從而使系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力;③利用跳頻圖案的的正交性可構(gòu)成跳頻碼分多址系統(tǒng),共享頻譜資源,并具有承受過(guò)載的能力;④跳頻系統(tǒng)無(wú)明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng),大功率信號(hào)只在某個(gè)頻率上產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng),當(dāng)載波頻率跳變至另一個(gè)頻率時(shí)則不再受其影響。

(3)正交頻分復(fù)用技術(shù):OFDM是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。OFDM在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸,由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交,它們的頻譜相互重疊,這樣就減小了子載波間的相互干擾,同時(shí)又提高了頻譜利用率。

OFDM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為:①在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù),信道利用率高,可最大的利用頻譜資源;②能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化,能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng),保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信;③自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖,采取合適的調(diào)制措施來(lái)使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信;④可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾,適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí),只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響,其他的子載波未受損害,系統(tǒng)總的誤碼率小。

3 CBTC系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用介紹

目前,CBTC無(wú)線傳輸系統(tǒng)均采用符合或基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4 GHz頻段的無(wú)線通信技術(shù),通過(guò)在軌旁布置AP,漏纜、天線或波導(dǎo)、車(chē)載安裝移動(dòng)電臺(tái)和天線等無(wú)線傳輸介質(zhì)建立車(chē)地冗余無(wú)線(WLAN)傳輸網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備與車(chē)載設(shè)備雙向、實(shí)時(shí)的信息交互,完成對(duì)列車(chē)連續(xù)控制。車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)布置如圖2所示。

圖2 車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)布置示意

CBTC系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)一般采用2種傳輸制式:(1)一種為符合IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4 GHz頻段的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線通信協(xié)議,空間傳輸?shù)男畔⒒贗P地址,無(wú)線調(diào)制方式通常采用DSSS、FHSS、OFDM以此來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力,采用的其他抗干擾措施還包括無(wú)線冗余覆蓋、編碼技術(shù)、多址技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、實(shí)時(shí)處理技術(shù)、無(wú)線鏈路預(yù)算、分級(jí)傳輸/接收等;(2)另外一種為基于IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4 GHz頻段的私有協(xié)議,空間傳輸?shù)男畔⒉换贗P地址,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的物理層和MAC層進(jìn)行改進(jìn),將無(wú)線信道進(jìn)行特殊劃分,不同于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線調(diào)制方式一般采用DSSS或FHSS制式,通過(guò)增加有效傳輸時(shí)間、實(shí)時(shí)處理技術(shù)、容錯(cuò)能力、無(wú)線冗余覆蓋和無(wú)線鏈路預(yù)算等技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 CBTC系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)存在的問(wèn)題

4.1 背景介紹

調(diào)查顯示,2012年7月以來(lái),深圳地鐵蛇口線和環(huán)中線列車(chē)陸續(xù)因信號(hào)系統(tǒng)受干擾發(fā)生暫停故障。11月以來(lái),由于發(fā)生次數(shù)頻繁,引發(fā)了各界對(duì)地鐵安全運(yùn)行問(wèn)題的普遍關(guān)注。調(diào)查的初步結(jié)論是:乘客隨身的WIFI干擾了地鐵信號(hào)系統(tǒng)的車(chē)-地通信,造成指令異常導(dǎo)致列車(chē)急停。

據(jù)悉,故障發(fā)生后,深圳地鐵集團(tuán)在當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理局的配合下進(jìn)行了故障定位測(cè)試,在排除各種可能因素后,將原因鎖定在乘客隨身攜帶的WIFI路由器(WIFI),開(kāi)展了便攜式WIFI路由器打開(kāi)、關(guān)閉狀態(tài)下的對(duì)比測(cè)試。測(cè)試表明:便攜式WIFI路由器打開(kāi),信號(hào)系統(tǒng)指令異常,列車(chē)急停;便攜式WIFI路由器關(guān)閉,信號(hào)系統(tǒng)正常。由此經(jīng)過(guò)故障分析確認(rèn)是便攜式WIFI路由器干擾了信號(hào)系統(tǒng)。

4.2 CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無(wú)線傳輸技術(shù)干擾分析

4.2.1 無(wú)線干擾的類(lèi)型

(1)按照干擾機(jī)理分類(lèi)

無(wú)線干擾可以定義為影響通信的一種信號(hào),當(dāng)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)時(shí),會(huì)影響正常的判決過(guò)程。根據(jù)其形成機(jī)理,可以分成2種類(lèi)型:一種為加性干擾,一種是乘性干擾。加性干擾可以視為類(lèi)噪聲源,包括來(lái)自其他相似系統(tǒng)、本系統(tǒng)內(nèi)部或者元件非線性產(chǎn)生的噪聲,主要包含同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾、碼間干擾(ISI)、遠(yuǎn)近效應(yīng)等類(lèi)型;而乘性干擾是由無(wú)線系統(tǒng)中信號(hào)的反射、衍射和散射而導(dǎo)致的多徑效應(yīng)產(chǎn)生。

(2)按干擾來(lái)源分類(lèi)

系統(tǒng)外干擾:系統(tǒng)外干擾是指來(lái)自其他系統(tǒng)的干擾。例如ISM頻段存在大量無(wú)線設(shè)備,每個(gè)系統(tǒng)都可能承受來(lái)自其他系統(tǒng)的干擾。

系統(tǒng)內(nèi)干擾:系統(tǒng)內(nèi)干擾是無(wú)線通信中的另一類(lèi)主要干擾,其產(chǎn)生原因是同一無(wú)線通信系統(tǒng)內(nèi),由于多個(gè)用戶要求同時(shí)通信,而又不能完全隔離彼此信號(hào)而引起的干擾。

4.2.2 2.4 GHz無(wú)線干擾分析

臨床療效：參照AB Miller WTO 《癌癥療效判定》[3]進(jìn)行療效判斷：分別為完全緩解(CR)、部分緩解(PR)、穩(wěn)定(SD)以及病情進(jìn)展(PD)，治療有效率為(CR+PR)/總?cè)藬?shù)×100%。跟蹤隨訪：隨訪2年，無(wú)進(jìn)展生存時(shí)間指治療有效后未發(fā)展至病情進(jìn)展時(shí)間。不良反應(yīng)：參照美國(guó)國(guó)立癌癥研究所制定的通用藥物不良反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[4]，劃分為Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ 、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，按由輕到重評(píng)定。

由于CBTC無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4 GHz頻段的無(wú)線局域網(wǎng)工作在無(wú)線開(kāi)放空間,信號(hào)傳播具有不確定因素;而且ISM頻段的頻率資源使用不需要牌照。因此其無(wú)線傳輸信道與其他采用同頻段設(shè)備的信道重疊時(shí),信號(hào)必然會(huì)受到干擾,并以帶內(nèi)干擾為主。

目前在2.4 G頻段內(nèi)的設(shè)備主要有:Bluetooth、ZigBee、Wifi、WirelessUSB、無(wú)繩電話、微波爐等。Bluetooth的工作范圍一般在幾米到十幾米,物理層采用跳頻,跳頻范圍大,傳輸功率小,零星使用不會(huì)形成大的干擾;ZigBee(2.4 G)面向短距離、低速率、低功耗的應(yīng)用,一般傳輸功率不大,也很少民用,形成干擾的可能性不大;WirelessUSB和無(wú)繩電話一般是近距離和低發(fā)射功率的應(yīng)用,該類(lèi)產(chǎn)品的管理不大嚴(yán)格,大功率的產(chǎn)品流入市場(chǎng)的可能性存在,但目前尚未發(fā)現(xiàn)大的影響。應(yīng)該說(shuō),目前最主要的影響因素還是采用802.11標(biāo)準(zhǔn)系列的Wifi無(wú)線設(shè)備自身,一方面設(shè)備數(shù)量龐大,另一方面設(shè)備的發(fā)射功率還可能比較高(可至500 mW或更高)。隨著技術(shù)的發(fā)展,社會(huì)對(duì)于無(wú)線資源的利用會(huì)越來(lái)越廣泛,在公開(kāi)頻段下的干擾是很難預(yù)測(cè)和回避的。

Wifi設(shè)備之間形成的干擾還可以分為非協(xié)議干擾和協(xié)議干擾。非協(xié)議干擾主要以不能識(shí)別的信號(hào)來(lái)呈現(xiàn),可通過(guò)信噪比來(lái)衡量信號(hào)干擾的強(qiáng)度。協(xié)議干擾則有所不同,協(xié)議規(guī)定了無(wú)線信道的訪問(wèn)方式,一方占用時(shí),另一方只能等待,與信噪比并不關(guān)聯(lián)。

CBTC車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)(PIS)為工作在在同一頻段內(nèi)的兼容性系統(tǒng),如果管理不好或者系統(tǒng)本身的性能或者質(zhì)量不好,也可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

由于基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的ISM2.4 GHz頻段的無(wú)線傳輸技術(shù)采用CSMA-CA機(jī)制,在同一區(qū)域內(nèi),同信道設(shè)備越多,競(jìng)爭(zhēng)就越激烈,競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)銷(xiāo)就越大,而系統(tǒng)實(shí)際可享用的傳輸帶寬就越小。具體說(shuō)來(lái),多輛列車(chē)都要與地面通信,就會(huì)爭(zhēng)搶信道資源,而同一時(shí)刻地面只能與一輛列車(chē)通信,其他的只能延后,這就造成系統(tǒng)內(nèi)的延時(shí)干擾。軌道線路附近其他的ISM頻段的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),也會(huì)對(duì)車(chē)地通信產(chǎn)生干擾。比如其他WLAN、藍(lán)牙用戶,甚至微波爐的使用,由于它們的工作頻率都有重疊,所以會(huì)對(duì)CBTC無(wú)線傳輸系統(tǒng)造成干擾導(dǎo)致無(wú)線通信中斷,而發(fā)生列車(chē)非預(yù)期停車(chē)的事故。

5 2.4 GHz無(wú)線傳輸技術(shù)抗干擾解決方案

(1)方案1:采用基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的私有協(xié)議

從技術(shù)上來(lái)說(shuō),802.11協(xié)議由物理層和MAC層組成。物理層可以采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)(如DSSS、FHSS等),MAC層可以通過(guò)修改媒體訪問(wèn)協(xié)議以提高無(wú)線信道的使用優(yōu)先級(jí)等方法來(lái)優(yōu)化2.4G的數(shù)據(jù)傳輸,可以通過(guò)增強(qiáng)編解碼的方式來(lái)取得額外的處理增益。也可以采用綜合的方法來(lái)提高抗干擾的能力,包括采用特殊分頻、增強(qiáng)系統(tǒng)容錯(cuò)能力、實(shí)時(shí)傳輸能力、增加無(wú)線鏈路冗余預(yù)算等,以盡可能降低或抑制同頻內(nèi)其他設(shè)備無(wú)線干擾帶來(lái)的影響。

(2)方案2:采用專(zhuān)用無(wú)線頻譜和專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)

第2種解決方案為城市軌道交通CBTC系統(tǒng)采用專(zhuān)用的無(wú)線頻譜和專(zhuān)網(wǎng)技術(shù),以此來(lái)徹底解決CBTC無(wú)線干擾問(wèn)題,保障列車(chē)的正常運(yùn)行。

6 CBTC系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用的前景分析

6.1 既有無(wú)線傳輸技術(shù)的局限性

由于目前CBTC系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)均采用2.4 GHz公用頻段,雖然可通過(guò)采用基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的私有協(xié)議來(lái)改善或降低2.4 GHz頻段內(nèi)其他無(wú)線信號(hào)對(duì)CBTC系統(tǒng)的干擾,但僅在一定程度上“抑制”了干擾,還不能徹底規(guī)避無(wú)線干擾,因此并不能從根本上解決實(shí)際上存在的干擾問(wèn)題,還需對(duì)應(yīng)用在地鐵環(huán)境中其他采用ISM頻段的設(shè)備采取必要限制措施,以保證CBTC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6.2 未來(lái)無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用分析

隨著時(shí)代的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求的飛速增長(zhǎng),移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)催生了3G+Wi-Fi大規(guī)模進(jìn)入地鐵,運(yùn)營(yíng)商Wi-Fi成為CBTC系統(tǒng)不可回避的強(qiáng)干擾源,使地鐵內(nèi)電磁環(huán)境限值超出CBTC系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn),同頻干擾將不可避免,這樣會(huì)導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線傳輸發(fā)生丟包、誤碼率增加、降低CBTC系統(tǒng)的抗干擾能力,導(dǎo)致車(chē)地?zé)o線通信中斷,從而造成非預(yù)期性停車(chē)的事故。隨著將來(lái)各種基于WiFi技術(shù)的產(chǎn)品在地鐵領(lǐng)域中大量的應(yīng)用,使得基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4 GHz頻段的CBTC無(wú)線傳輸系統(tǒng)受到干擾的可能日益增加,將不能滿足CBTC系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求。

另外,將來(lái)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)將向高速化、大密度和低成本的方向發(fā)展,這就要求車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)具有大容量、高吞吐率、快速移動(dòng)切換和多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的能力,以滿足車(chē)地?zé)o線通信的更高需求?，F(xiàn)有的基于2.4 GHz無(wú)線傳輸技術(shù)由于其本身的性能限制將不能滿足未來(lái)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線通信業(yè)務(wù)的需求。因此,為了保證CBTC系統(tǒng)的正常運(yùn)行,避免無(wú)線傳輸系統(tǒng)受到干擾,將來(lái)的CBTC系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)將采用專(zhuān)用的授權(quán)頻段和專(zhuān)網(wǎng)技術(shù),是CBTC系統(tǒng)日后發(fā)展的必然結(jié)果和趨勢(shì)。

7 結(jié)論

隨著無(wú)線技術(shù)的迅猛發(fā)展,越來(lái)越多采用ISM頻段的無(wú)線產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大而變得不可控,將不可避免地增加無(wú)線彼此干擾的可能性,對(duì)傳統(tǒng)采用ISM2.4GHz頻段的CBTC車(chē)地?zé)o線通信的安全帶來(lái)越來(lái)越大的危害。因此,城市軌道交通基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)亟待采用必要的無(wú)線抗干擾技術(shù)、合理的頻點(diǎn)規(guī)劃、無(wú)線設(shè)備限制使用等措施來(lái)減輕或抑制無(wú)線干擾;或采用新的無(wú)線頻譜和無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)徹底解決無(wú)線干擾造成的危害,這樣才能最大限度地發(fā)揮CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),提高運(yùn)營(yíng)效率。

[1] 鄭瑩.基于無(wú)線通信的CBTC研究綜述[J].通信技術(shù),2011,4 (12):137-141.

[2] 朱力,寧濱.基于IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2011,31(5):119-124.

[3] 朱力,寧濱.基于802.11g的CBTC車(chē)地通信子系統(tǒng)建模與分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,3(5):72-77.

[4] 蔣海林,步兵,郜春海,唐濤.基于位置的CBTC系統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)切換機(jī)制[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,33(10):51-56.

[5] 劉宏杰,陳黎潔.CBTC列車(chē)安全定位中通信中斷時(shí)間的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2012,34(6):40-45.

[6] 邱鵬,李亮.關(guān)于CBTC系統(tǒng)無(wú)線通信抗干擾技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2009(6):52-55.

[7] 顏士博.基于WLAN的車(chē)-地傳輸技術(shù)在PSD系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性研究[J].鐵道通信信號(hào),2011,47(10):56-59.

[8] 董凱霞,劉曉娟,朱耘燕.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車(chē)載ATP仿真研究[J].鐵道通信信號(hào),2011,47(4):12-15.

[9] 李曉剛.車(chē)地通信延時(shí)對(duì)CBTC系統(tǒng)列車(chē)運(yùn)行控制的影響分析[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù),2011,8(6):44-46.

[10]郜春海.自主創(chuàng)新CBTC系統(tǒng)的核心技術(shù)研究[J].都市快軌交通,2011,24(4):1-4.

[11]常毅.淺析信號(hào)CBTC模式下無(wú)線干擾及處理方法[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2011(5):16-18.

[12]陳黎潔,唐濤,呂繼東.CBTC越區(qū)切換中斷時(shí)間分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2010,31(5).

Application Research on 2.4 GHz Wireless Transmission Technology of CBTC System used in Urban Rail Transit

DU Cheng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Communication-Based Train Control System(CBTC)with IEEE802.11 standard ISM2.4GHz opening frequency band in urban rail transit system is often interfered by WiFi signal with the same standard and same spectrum used in the outside,then the shutdown accident may be caused by this interference and the normal operation of the train will be influenced.To solve this problem,through analysis and research on wireless transmission technology adopted in CBTC system,the author points out the existing problems in wireless transmission technology and the solutions for the wireless interference, also proposes the development direction of the train-ground wireless communication technology of CBTC system used in urban rail transit system in future.

CBTC;WiFi;ISM2.4GHz;Wireless interference

U231+.7

A

1004-2954(2013)03-0129-04

2013-01-10

杜 成(1970—),男,高級(jí)工程師,2003年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:dc3559@126.com。