1、蔡昌俊 :廣州市地下鐵道總公司高級工程師 510310廣州收稿日期 :2013-06-09城市軌道交通 CBTC 系統無線同頻干擾應對策略蔡昌俊摘 要 :目 前 基 于 通信的 列 車 控 制系統 (CBTC 很 多 采用 IEEE 80211標 準 的 無 線 局域 網 (WLAN 技術 來 實現車 -地信息 交 互 ; 針 對 WLAN 無 線 局域 網 通信系統 存在 的同 頻干擾問題進 行分析 研究 ; 結合 CBTC 應用環 境 , 提 出 抗 干擾 應對 策略 , 以 提高 CBTC 無 線 通信系統的 健壯 性 和 可 用 性 。關鍵詞 :城市 軌道 交 通 ; CBTC ; 無

2、 線 局域 網 ; 同 頻干擾 ; 策略Abstract :Wireless Local Area Network technology following the IEEE 802. 11standard is widely applied to fulfill the information interaction between the train and wayside in communication-based train control system (CBTC Aimed at the prevalent co-channel interference problems of

3、WLAN system , by analy-zing and researching these problem causes , the anti-interference strategy is put forward to improve the ro-bustness and availability of wireless communication of CBTC systemKey words :Urban railway transit ; Communication-based train control ; Wireless local area network ; Co

4、-Channel interference ; Strategy1概述城市軌道交通 CBTC (基于通信的列車控制系 統 普 遍 使 用 IEEE 802. 11的 無 線 局 域 網(WLAN 技術 , 實現車 -地無線通信 。 WLAN 組網 方式靈活 , 網絡結構簡單 , 傳輸性能優異 , 完全滿 足 CBTC 通 信 指 標 要 求 , 同 時 其 成 本 價 格 優 勢 明顯 。但是目前 CBTC 無 線 通 信 系 統 使 用 2. 4GHz (2. 4GHz 2. 4835GHz 工作頻段 , 是國家規定 的公用頻段 , 在滿足允許發射功率指標條件下 , 用 戶可以不受限制自由使

5、用 , 因此該頻段內可能存在 大量的設備與用戶 , 存在著潛在的無線同頻干擾 。 如何消除無線同頻干擾給 CBTC 帶來的影響 , 保證 車 -地傳輸系統的可靠運行 , 是目前迫切需要解決 的問題 。本文針對 CBTC 應用環境 , 對 2. 4GHz 無線同 頻干擾進行分析 、 研究 , 提出解決或降低 CBTC 無 線通信系統受無線電磁干擾影響的方法 , 從而最大 限度地保證車 -地通信的傳輸效率 。 2干擾原理與分析同頻干擾指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同 , 并對接收同頻有用信號的接收機造成的干 擾 。 當同頻干擾增大到一定程度 , 就會直接影響到 通信質量 。 CBTC 無線通信

6、系統使用 2. 4GHz 公用 頻段 , 外界可能存在的 2. 4GHz 無線設備工作信 道與 CBTC 無線通信系統相同 , 從而引發無線信號 干擾 , 導致無線通信系統數據鏈路性能下降 , 甚至 通信中斷 。根據 IEEE 802. 11協議標準規定 , 2. 4GHz 頻 段 共 劃 分 為 13個 工 作 信 道 , 相 鄰 頻 點 間 隔 為 5MHz , 單 信 道 帶 寬 為 22MHz , 信 道 劃 分 參 見 圖 1。 實際應用中普遍采用 1, 6和 11三個工作信 道避免相互之間的干擾 。當外界 2. 4GHz 無線設備使用與 CBTC 無線通 信系統相同的無線信道時 ,

7、 其發射載頻相同 , 從而 設備間產生相互干擾 , 可能影響 CBTC 無線通信設 備正常接收 , 導致系統通信性能降低 。為 避 免 同 頻 干 擾 , 提 高 傳 輸 成 功 率 , IEEE802. 11標準規定了帶有沖突避免的載波偵聽 多路訪問協議 。 其要求是發送數據前 , 先偵聽信道 占用狀態 , 若空閑則進行窗口退避以競爭信道使用47 2013年 7月 鐵 道 通 信 信 號July 2013第 49卷 第 7期 AILWAYSIGNALLING COMMUNICATIONVol. 49No. 7 圖 12. 4GHz 頻段信道劃分權 , 最早到達競爭窗口的設備率先進行傳輸 ,

8、傳輸 完成后 , 信道再次空閑 , 再次進入窗口退避競爭階 段 , 如此循環 。根據協議定義 , WLAN 無線設備 (AP 和應用 終端 互相競爭發射 , 當同一信道存在多個設備 , 信道繁忙概率將提升 , 進行數據報文發送時可能需 要不斷進行信道偵聽和占用請求 , 從而會降低數據 報文發送的物理速率 , 使得帶寬利用率下降導致通 信性能下降 。3抗同頻干擾策略根據上述對同頻干擾的分析 , 實際應用中可以 通過提高系統自身信號強度 , 降低接收到的干擾源 信號強度的方式來降低同頻干擾的影響 。結合 CBTC 具體應用環境特點 , 需要從無線通 信系統設計和設備性能二個方面 , 優化增強系統的

9、 抗干擾能力 。3. 1系統設計3. 1. 1冗余設計根據數據報文傳送的可靠性要求 , CBTC 無線 通信系統為數據報文提供 2條對等獨立的網絡傳輸 通道 。 車 -地無線通信網絡采用雙網冗余覆蓋方案 , 沿線部署 2套完全獨立的 WLAN 無線網絡 , 2個網 絡分別使用不同的工作信道 ,(1、 6、 11信道中選 擇 , 實現 2個無線網絡之間的完全隔離和冗余 。 列車安裝 2套車載無線單元 , 分別接入到軌旁 2個不同的無線網絡 。 2個車 -地無線通信網絡并行 工作 , 同步傳遞相同的數據報文 , 即使受到干擾影 響 , 引發單網通信故障 , 也不會影響車 -地數據報 文的傳輸 。3

10、. 1. 2優化無線覆蓋方式采用合理的無線覆蓋方式 , 將有效增大自身有 用信號強度 , 降低外界信號干擾 , 可以極大的提高 系統的抗干擾能力 。目前無線信號覆蓋通常有 3種 方式 :天線的空間波覆蓋方式 、 漏 泄同軸電纜方式及波導管作為傳輸 線和分布天線的覆蓋方式 。 其中漏 泄同軸電纜和波導管信號覆蓋具有 較強的方向性和較短的垂直覆蓋距 離 。 通過合理的布設可以有效減低 外界干擾信號強度 , 提高系統的抗 干擾能力 。 車載天線使用定向天線 , 在保證自身設 備場強覆蓋要求下 , 降低覆蓋范圍 。考慮到車廂內乘客使用設備的無線干擾 , 可以 對車載天線加裝金屬屏蔽 , 屏蔽來自車輛內

11、部的干 擾信號 。3. 2信道復用技術針對多設備信道搶占干擾問題 , 利用高效的信 道復用技術 , 最大限度地降低相互干擾 , 提高信道 重用程度 。 信道復用技術核心思想是提高無線設備 的信道空閑評估門限來提高設備的可用性 。 信道空 閑評估是指無線設備在發射無線信號前需要評估信 道是否為空閑狀態 。 若信道為空閑狀態 , 則在執行 完沖突退避算法后就可以進行數據報文的發送 ; 若 信道被其他用戶占用 , 則需要進行發送等待 。 通過合理提高信道空閑評估門限值 , 可以忽略 同一區域內使用相同工作信道的部分 WLAN 無線 設備 , 降低信道使用競爭 , 提高信道搶占成功率 。 信道空閑評估

12、門限提高后 , 即使同信道的無線設備 正在發送信號 , 只要信號強度不超過設備設定門限 值 , CBTC 無線通信系統將忽略正在使用同一信道 的外界無線設備 , 仍然能夠正常發送自己的無線 信號 。3. 3主動鏈路傳輸技術根據當前無線信號強度 、 歷史發送狀態等信 息 , 無線通信系統動態計算當前報文合適的發送速 率 , 有效降低發送報文的空口占用時間 , 提高信道 的利用率 , 優化共存環境下設備的工作效率 。 傳輸過程中對數據報文采用分片的方式進行傳 輸 , 當某一數據片傳輸失敗或者錯誤 , 只需要對該 數據片重新進行傳輸 , 從而提高了傳輸效率 , 降低 重傳誤碼風險 。 同時利用主動鏈

13、路傳輸技術在網絡 應用 層 設 計 主 動 重 傳 機 制 , 保 證 數 據 傳 輸 的 可 靠性 。 57AILWAYSIGNALLING COMMUNICATION Vol. 49No. 720134專用頻率建議無線通信始終面對復雜的無線電磁環境 , 無線 干擾將是一個無法避免的問題而長期存在 , 為了圓 滿解決無線干擾對系統安全性的影響 , 需要從頻譜 管理方面進一步開展工作 。在頻譜使用上 , 通過相應行政管理手段 , 為 CBTC 無線通信系統設置專用頻段 , 可將使用公用 頻段引發的風險降到最低 。根據我國無線電頻率劃分規定及相應無線產品 設備 使 用 情 況 , 建 議 考 慮

14、 使 用 5. 8GHz 或 者 1. 8GHz 作為 CBTC 無線通信系統專用頻段 。 圖 25. 8GHz 頻段 WLAN 信道劃分示意圖 4. 15. 8GHz (5. 725 5. 850GHz 4. 1. 1頻率劃分我國無線電頻率劃分規定 5. 8GHz (5. 725 5. 850GHz 頻段作為寬帶無線接入系統使用頻 段 。 實際上使用 5. 8GHz 頻段需要報所在省 、 自 治區 、 直轄市無線電管理機構批準 。 4. 1. 2設備選擇IEEE 802. 11協議標準規定 5GHz 頻段 (5. 150 5. 250GHz , 5. 250 5. 350GHz , 5. 4

15、70 5. 725GHz , 5. 725 5. 875GHz 可以作為 WLAN 工作頻率 , 頻 率信道參見圖 2。我國無線電頻率劃分規定 WLAN 工作頻率為 5. 8GHz (5. 725 5. 850GHz 頻段 , 共計 5個信 道 , 操 作 信 道 號 分 別 為 :149、 153、 157、 161、 165; 每個信道占用 20MHz 頻帶帶寬 , 互不干擾 ; 5. 8GHz 頻段信道配置見表 1。表 15. 8GHz 頻段 WLAN 信道配置表信道 中心頻率 /GHz信道低端 /高端頻率 /GHz1491531571611655. 7455. 7655. 7855.

16、8055. 8255. 735/5.7555. 755/5.7755. 775/5.7955. 795/5.8155. 815/5.835目前 CBTC 無線通信系統使用的 IEEE 802. 11無線產品可以支持使用 5. 8GHz 頻段 。選用 5. 8GHz 頻段作為 CBTC 無線通信系統專 用頻段 , 只需要對目前 CBTC 采用的 IEEE 802. 11無線產品進行升級調整 , 整體網絡架構可以保持 不變 。但是 5. 8GHz 與 2. 4GHz 無線傳播特性不同 , IEEE 802. 11無線產品性能特性和無線場強覆蓋方 式都需要經過試驗研究 , 以保證系統的可用性 , 滿

17、 足 CBTC 性能指標要求 。 4. 21. 8GHz (1. 7851. 805GHz 4. 2. 1頻率劃分我國無線電頻率劃分規定 1. 8GHz (1. 785 1. 805GHz 頻段可以為寬帶無線接入系統使用 , 實際使用前需要向省 、 自治區 、 直轄市無線電管理 機構申請批準使用 。 4. 2. 2設備選擇國家無線電頻率劃分并未對 1. 8GHz 頻段采 用的無 線 接 入 技 術 進 行 規 定 , 目 前 包 括 SCDMA (同步碼分多址 、 LTE (3GPP 長期演進技術 等 技術設備均可以支持在 1. 8GHz 頻段的使用 。 上述技術設備都未曾在 CBTC 系統應用 , 從整 體網絡架構設計 、 無線設備性能特性等各方面都需 要經過大量的試驗研究 , 綜合考慮設備造價 、 設備 廠商等諸多方面因素 , 以論證應用于 CBTC 系統的可行性 。5結束語本文 針 對 城 市 軌 道 交 通 CBTC 系統無線通信系統存在的同 頻 干 擾 進 行 分 析 研 究 ,在現行頻段使用 方 式 下 , 可以從系統規劃和優化設備技術 2個方面進行抗干擾 設計 , 增強設備的抗干擾能力 。配置專用頻率應是一個未來最終解決同頻干擾 的方法 , 但其涉及國家頻率統一規劃和審批 , 同時 需要從技術層面和產品層面滿