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(xiàn)有通信設(shè)備進行了干擾測試。根據(jù)測試結(jié)果，提出了相應(yīng)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(shè)中，通用移動通信定義為除專業(yè)通信外的、服務(wù)于乘客的、商業(yè)性質(zhì)的各種民用通信，主要包括3G/4G信號、車站W(wǎng)LAN、iBeacon藍牙等通信。

3G/4G信號是第三代/第四代移動通信技術(shù)，是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)，能同時高速傳送語音及數(shù)據(jù)信息。目前，3G/4G技術(shù)已經(jīng)成熟，地鐵乘客希望隨時隨地享受3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)帶來的便利。在日益增長的移動業(yè)務(wù)市場需求的推動下，城市軌道交通與通用3G/4G設(shè)備設(shè)施一起建設(shè)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(guān)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(fā)生在使用了無線局域網(wǎng)標準IEEE 802.11協(xié)議的設(shè)備之間，如乘客的便攜式WLAN設(shè)備和基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)及乘各信息顯示系統(tǒng)（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(xié)議規(guī)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(chǎn)生干擾的信道只有3個（見圖1）。在同一個區(qū)間或蜂窩內(nèi)可以部署的信道數(shù)量不能大于3個，否則將相互干擾。

圖1 802.11協(xié)議中2.4 GHz工作頻段信道配置

當(dāng)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(fā)送報文時極易產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致空口丟包率上升、傳輸質(zhì)量下降。為避免碰撞，802.11協(xié)議定義了帶有避免沖突的載波偵聽多路訪問協(xié)議。

WLAN無線設(shè)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(shè)備檢測到信道內(nèi)有其他信號發(fā)送，就會隨機延遲，避免碰撞。當(dāng)有多臺設(shè)備工作在同一個基本服務(wù)集內(nèi)，信道繁忙概率提升，發(fā)送端退避時間增大，帶寬利用率下降，導(dǎo)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(chǎn)生于使用了相同的通信信道和不同的通信協(xié)議的設(shè)備之間，如乘客使用的便攜式WLAN設(shè)備和軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)之間。因此，廣州地鐵引入3G/4G信號后，可能發(fā)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(shè)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(chǎn)生影響，會影響無線通信設(shè)備正常接收，導(dǎo)致系統(tǒng)通信性能降低。

2 干擾測試

針對便攜式WLAN設(shè)備（MiFi），對廣州地鐵5號線CBTC系統(tǒng)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(tǒng)的頻譜。測試組分為2組，測試組1負責(zé)使用頻譜儀進行掃頻測試，測試組2使用便攜式WLAN設(shè)備（MiFi）和3G/4G手機終端進行數(shù)據(jù)下載測試。分兩種測試情景對CBTC系統(tǒng)進行測試。

（1）測試情景一：3G/4G網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉，MiFi設(shè)備關(guān)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(shù)據(jù)并記錄；地鐵信號專業(yè)人員記錄CBTC/PIDS相關(guān)指標。

（2）測試情景二：3G/4G系統(tǒng)開啟，MiFi設(shè)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(shù)據(jù)。測試組2利用開啟的MiFi設(shè)備在車頭乘客區(qū)進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(shè)備，測試對CBTC信號的影響，并記錄測試結(jié)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(shè)備，測試對CBTC信號的影響，并記錄測試結(jié)果。

2.2 測試結(jié)果

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

根據(jù)圖2所示測試數(shù)據(jù)，在3G/4G系統(tǒng)開啟、便攜WLAN設(shè)備未開啟狀態(tài)下，廣州地鐵5號線站臺區(qū)域CBTC系統(tǒng)的底噪都基本保持在-103 dBm左右。在3G/4G系統(tǒng)開啟、便攜WLAN設(shè)備開啟狀態(tài)下，最強干擾電平為-83 dBm左右，此時屏蔽門開關(guān)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(jié)果

對地鐵范圍內(nèi)其他專用設(shè)備頻段進行掃頻，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在300～900 MHz內(nèi)掃到的信號，分別落在359、865兩個頻點帶寬內(nèi)。該信號為廣州地鐵5號線公安警用無線通信系統(tǒng)及專用無線通信系統(tǒng)頻點，其在3G/4G系統(tǒng)關(guān)閉與激活狀態(tài)下均處于正常的波動范圍內(nèi)，在非CBTC系統(tǒng)使用的頻點帶寬內(nèi)，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(nèi)，即3G/4G信號引入滿足300～900 MHz頻段內(nèi)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(xiàn)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(shè)備的干擾，應(yīng)對現(xiàn)場環(huán)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(xiàn)場測試驗證實施效果。對現(xiàn)場無線環(huán)境進行監(jiān)測，對現(xiàn)有的無線系統(tǒng)（含新增的3G/4G信號）進行檢測定標，作為日常維護的監(jiān)測依據(jù)，防止新增干擾源使無線環(huán)境惡化。通信防護措施包括：①現(xiàn)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(shè)備。

（2）實施干擾隔離工作。為保證地鐵各通信系統(tǒng)之間相互不干擾，各個系統(tǒng)之間必須存在一定的隔離度。新頻段引入時，需在工程設(shè)計階段作好各設(shè)備之間干擾分析工作，計算各關(guān)鍵設(shè)備規(guī)避干擾的隔離度?？刹扇∨c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(qū)域和設(shè)備工作區(qū)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(jīng)規(guī)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(shè)備使用該頻段，且面對日益增多的無線設(shè)備，使用2.4 GHz頻段的設(shè)備勢必日益密集。建議城市軌道交通信號系統(tǒng)使用付費頻點，或者無線電管理部門出臺相關(guān)政策來保證地鐵信號系統(tǒng)頻點的唯一性。

4 結(jié)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(shè)備的干擾測試結(jié)果顯示，干擾主要存在于便攜WLAN設(shè)備對2.4 GHz信號系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)也有待加強，測試方法應(yīng)包括動態(tài)、靜態(tài)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(shè)備的極限測試表明，暫未出現(xiàn)明顯引起列車緊急停車的情況。

目前，國內(nèi)城市軌道交通主流信號設(shè)備均采用2.4 GHz頻段，若引入新頻段設(shè)備，需統(tǒng)籌規(guī)劃現(xiàn)有設(shè)備的頻段資源，做好技術(shù)分析工作，在未能采取有效安全保障措施前，應(yīng)慎重引入新的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

［1］李星.TD-SCDMA室內(nèi)分布系統(tǒng)探討［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2006（6）：6-7.

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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）