吳英杰 朱 俊

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司， 200235， 上?！蔚谝蛔髡撸?助理工程師)

基于5 GHz頻段的Wi-Fi(無線保真)產(chǎn)品在城市軌道交通各專業(yè)的應(yīng)用越來越多。既有CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)各種應(yīng)用數(shù)據(jù)間的通信是由DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))負(fù)責(zé)的。其中，車載與軌旁設(shè)備間的連接采用自由無線方式建立，該無線傳輸技術(shù)運(yùn)行在IEEE 802.11 g協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz頻段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在北京地鐵、上海城市軌道交通、南京地鐵、深圳地鐵的部分線路中，DCS的工作頻段均為2.4 GHz。為了確保DCS通信正常，本文對(duì)現(xiàn)有的5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并分析城市軌道交通其他專業(yè)的5 GHz頻段 Wi-Fi產(chǎn)品是否會(huì)對(duì)DCS的正常運(yùn)作造成影響。

1 Wi-Fi干擾測(cè)試的背景分析

1.1 DCS介紹

DCS作為CBTC系統(tǒng)的一部分，為ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、MSS(維護(hù)支持系統(tǒng))、ATC(列車自動(dòng)控制)等的應(yīng)用提供2套完全冗余的通信通道，以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)設(shè)備之間端到端的連續(xù)冗余通信。如圖1所示，DCS分為3部分：有線部分、無線部分和網(wǎng)管部分。其中，無線部分位于列車和軌旁，用于實(shí)現(xiàn)車載和軌旁設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

注： ATC——列車自動(dòng)控制。

DCS無線通信協(xié)議遵循IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)，物理層運(yùn)行工作頻段為2.4 GHz。為減少其他系統(tǒng)對(duì)DCS無線通信的干擾，DCS采用了2條獨(dú)立的通信通道作為其冗余原則。這2條信道頻的頻點(diǎn)分別為2 477 MHz和2 417 MHz，并分別命名為紅網(wǎng)、藍(lán)網(wǎng)。

1.2 5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品在城市軌道交通行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的背景介紹

2016年11月29日，國務(wù)院印發(fā)了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，對(duì)城市軌道交通行業(yè)提出了明確的要求。其中，在設(shè)備上的要求主要包括：要強(qiáng)化軌道交通裝備的領(lǐng)先地位；突破產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵零部件及綠色智能化集成技術(shù)；進(jìn)一步研發(fā)列車牽引制動(dòng)系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、通信信號(hào)系統(tǒng)、電傳動(dòng)系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、車鉤緩沖系統(tǒng)、儲(chǔ)能與節(jié)能系統(tǒng)、高速輪對(duì)、高性能轉(zhuǎn)向架、齒輪箱、軸承、輕量化車體等關(guān)鍵系統(tǒng)和零部件，形成軌道交通裝備完整產(chǎn)業(yè)鏈；加強(qiáng)永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)、全自動(dòng)運(yùn)行、基于4G(第4代移動(dòng)通信技術(shù))的無線綜合承載等技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化；等等。由此，各種基于5 GHz頻段的Wi-Fi產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

2 5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品的應(yīng)用對(duì)城市軌道交通CBTC 2.4 GHz無線通信的影響

無線傳播是指無線電波在自由空間的傳播方式，存在傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定、信號(hào)容易受干擾、保密性差和易被截獲等缺點(diǎn)。既有DCS無線通信負(fù)責(zé)軌旁設(shè)備與車載的數(shù)據(jù)通信，在2.4 GHz頻段上的傳輸功率為24 dBm，接收器的敏感度為-90 dBm(速率為6 Mbit/s)。 而城市軌道交通在用的5 GHz頻段Wi-Fi產(chǎn)品的使用頻段為5.150～5.350 GHz、5.725～5.850 GHz。從理論角度來看，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)推斷，這2個(gè)不同頻率的函數(shù)是正交的，基本可以排除對(duì)CBTC系統(tǒng)2.4 GHz頻段造成的干擾。下文通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試來驗(yàn)證這一推斷。

3 CBTC系統(tǒng)2.4 GHz無線通信干擾測(cè)試

根據(jù)中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)2013[10]號(hào)《城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范—需求規(guī)范》以及信號(hào)合同中的要求，CBTC車地?zé)o線通信性能須滿足丟包率小于1%，以及車地有線-無線傳輸延時(shí)小于150 ms的要求。因此，本次Wi-Fi干擾測(cè)試以這2項(xiàng)指標(biāo)作為測(cè)試項(xiàng)，對(duì)城市軌道交通MMIS(移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng))項(xiàng)目中5 GHz頻段信號(hào)對(duì)既有CBTC無線通信產(chǎn)生的干擾進(jìn)行測(cè)試。

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

在實(shí)施該無線干擾測(cè)試前，需要進(jìn)行的準(zhǔn)備工作有：

1) 選擇1列完成了MMIS項(xiàng)目及CBTC車載無線設(shè)備調(diào)試的測(cè)試列車。

2) 車庫內(nèi)MMIS項(xiàng)目及CBTC軌旁AP(接入點(diǎn))設(shè)備均按要求安裝調(diào)試完畢。

3) 為模擬最惡劣的測(cè)試環(huán)境，車庫內(nèi)除測(cè)試股道外，其余股道均停滿了車輛。

3.2 MMIS項(xiàng)目數(shù)據(jù)參數(shù)

1) 典型數(shù)據(jù)傳輸速率： 200 Mbit/s(5 GHz頻段時(shí))。

2) 理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率： 867 Mbit/s(5 GHz頻段時(shí))。

3) 輸出功率：以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試優(yōu)化后的數(shù)值為準(zhǔn)。

4) 最大數(shù)據(jù)輸出功率：27 dBm(5 GHz頻段時(shí))。

5) 無線工作頻段：5.150～5.350 GHz、5.725～5.850 GHz。

6) 無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.11n。

3.3 測(cè)試步驟及結(jié)果

如圖2所示，在停車庫內(nèi)選取MMIS項(xiàng)目和CBTC設(shè)備直線安裝距離最遠(yuǎn)的1條停車列檢線，其股道的A端和B端在同一直線上，分別可以放置1列電客列車。首先將測(cè)試列車停放在靠近停車庫庫門的股道A端進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試完成后再通過調(diào)車作業(yè)，將測(cè)試列車調(diào)至離庫門較遠(yuǎn)的股道B端進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試全過程使用同1列車，以避免不同列車工況不同而造成參數(shù)差異。由現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證是否滿足DCS的無線通信需求：時(shí)延小于150 ms；丟包率小于1%。

圖2 調(diào)試股道示意圖

3.3.1 基準(zhǔn)測(cè)試

在5 GHz頻段Wi-Fi無線設(shè)備斷電條件下，測(cè)試列車在股道A端和B端DCS車地通信的端到端性能，測(cè)試時(shí)間為10 min。此測(cè)試的目的在于給出CBTC無線通信的基準(zhǔn)通信性能。在股道B端列車靜止?fàn)顟B(tài)的情況下，得到的測(cè)試結(jié)果為：在2.4～2.5 Ghz頻段內(nèi)掃頻2 417 MHz、2 427 MHz、2 467 MHz、2 477 MHz等4個(gè)頻點(diǎn)，測(cè)試得到的功率分別為-88 dBm、-87.5 dBm、-86.5 dBm、-88.6 dBm;紅網(wǎng)的丟包率為0.024%，車地通信延時(shí)為53 ms；藍(lán)網(wǎng)的丟包率為0.036%，車地通信延時(shí)為53 ms。基準(zhǔn)測(cè)試的項(xiàng)目均符合要求。

3.3.2 干擾測(cè)試項(xiàng)目1

將5 GHz頻段Wi-Fi設(shè)備上電，同時(shí)5 GHz頻段Wi-Fi無線設(shè)備以典型數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行車地?zé)o線業(yè)務(wù)傳輸。如圖5所示，在2.4～2.5 Ghz頻段內(nèi)掃頻2 417 MHz、2 427 MHz、2 467 MHz、2 477 MHz等4個(gè)頻點(diǎn)，得到的測(cè)試功率分別為-85.2 dBm、-77.3 dBm、-70.2 dBm、-79.5 dBm。

然后，列車在股道A端進(jìn)行CBTC端到端測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為15 min。測(cè)試結(jié)果為:紅網(wǎng)的丟包率為0.021%，車地通信延時(shí)為14 ms；藍(lán)網(wǎng)的丟包率為0.023%，車地通信延時(shí)為15 ms。測(cè)試結(jié)果符合要求。

3.3.3 干擾測(cè)試項(xiàng)目2

將5 GHz Wi-Fi設(shè)備上電，同時(shí)5 GHz頻段Wi-Fi設(shè)備按典型數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行車地?zé)o線業(yè)務(wù)傳輸。然后列車在股道B端進(jìn)行CBTC的端到端測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為15 min。測(cè)試結(jié)果為:紅網(wǎng)的丟包率為0.036%，車地通信延時(shí)為55 ms；藍(lán)網(wǎng)的丟包率為0.010%，車地通信延時(shí)為16 ms。測(cè)試結(jié)果符合要求。

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

將正線上使用頻點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。由表1可知，各測(cè)試結(jié)果的時(shí)延均小于150 ms，丟包率均小于1%，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果滿足DCS 無線通信需求。

表1 Wi-Fi干擾測(cè)試結(jié)果匯總

4 結(jié)語

本文的Wi-Fi干擾測(cè)試，僅僅針對(duì)城市軌道交通內(nèi)部其他專業(yè)對(duì)信號(hào)專業(yè)的干擾進(jìn)行了測(cè)試。與上文的無線測(cè)試環(huán)境相比，城市軌道交通線路沿線的實(shí)際無線環(huán)境更為復(fù)雜。特別是高架線路區(qū)段所處環(huán)境更為開放，所受到的干擾更多。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，將來會(huì)有更多的新型無線技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域。對(duì)于如何進(jìn)一步降低外界環(huán)境對(duì)DCS無線通信的干擾，本文建議如下：① 增加外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的監(jiān)控，最好能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)若發(fā)現(xiàn)所處環(huán)境電波干擾超出平時(shí)正常參數(shù)，應(yīng)及時(shí)預(yù)警；② 優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部參數(shù)，進(jìn)一步提高設(shè)備的濾波效率和抗干擾能力，進(jìn)而降低通信丟包率與延時(shí)，以保障城市軌道交通的正常運(yùn)營。