无线局域网技术在地铁轨道交通建设中的应用

无线局域网技术在地铁轨道交通建设中的应用
陈鹏宇1，2
(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；
2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)
摘要：相同频谱的WiFi信号，对以IEEE802.11标准的开放频段为ISM2.4 GHz的通信作用下的列车控制系统在轨道交通中受到外界干扰，导致发生停车事故，列车运营受到影响。

故此，分析C B T C系统所采取的无线传输技术及其所存在的问题，给出采取基于IEEE802.11标准下的私有协议、采取专用无线频谱及专网技术的解决无线干扰的方案。

关键词：列车控制系统（CBTC）；WiFi；无线干扰；ISM2.4 GHz
Abstract: For the same spectrum WiFi signal, if ISM2.4GHz frequency channel in IEEE802.11 standard is used for a train control system, external interferences may cause stop accidents of the trains with the train control system to affect transportation. Therefore, the paper analyzes the wireless transmission technology adopted in CBTC system and existing problems, and puts forward solutions to resolve radio interferences under taking proprietary protocols in IEEE802.11 standard and radio spectrum and private network technology. Keywords: CBTC; WiFi; radio interference; ISM2.4 GHz
DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2017.01.015
以通信为基础的列车控制系统（C B T C），多应用I E E E802.11标准的全球性免费开放的I S M2.4 G H z频段，此频段具有用户量大的特点。

在通信领域里，基于I S M2.4 G H z所开发的产品含有“数字无线键盘以及无线耳机”等，其技术含有“蓝牙、WiFi”等[1]。

当下，以ISM2.4 GHz为基础的技术产品，其应用范畴日趋扩大，当上述设备同CBTC系统置于同一环境时，且工作频点会重叠，干扰CBTC系统的无线传输。

原则上而言，无线电台于I S M2.4 G H z频段，若是出现彼此干扰，是不会受到任何法律法规的保护，务必对CBTC系统传输技术实施有效的抗干扰措施，故此，对其抗干扰措施进行探讨，以保障CBTC信号系统得以顺利运行[2]。

1 2.4 GHz无线传输技术概述
1.1
2.4 GHz无线技术传输机制
无线技术传输系统，若是选取I E E E802.11标准下的I S M2.4 G H z频段，意味着其所采取的是“先听后说”的、即为载波监听/冲突避免的访问机制，在信道的使用上，每时每刻每个信道只有1个用户能使用，当用户传输数据之前，首先需判定信道的实际状况，在信道使用的“机会、时间”上，每个用户皆平等。

若有终端使用W L A N的通信方式时，首先便要监听信道，此时有2种结果：其一，信道被人占用，要进行监听，直至信道空出。

其二，信道空闲，即可占用信道。

WLAN是采取“终端竞争到完全占用信道，用完再接着竞争”。

若2个终端应用同一信道，竞争会导致接收端的吞吐性能减弱。

此外，与临频互相干扰而形成波形叠加，让接收端不能精准的还原，无法识别信号，导致数据发生重复传输的问题，降低了无线网传递水平。

1.2 调制模式及抗干扰措施
I S M2.4 G H z频段，为世界通用及开放的频段，存有诸多干扰信号，I S M2.4 G H z频段下的IEEE802.11 b/g系统，因诸多干扰源而导致物理层性能减弱。

2.4 G H z无线通信技术为了强化设备抗干扰水平及提升无线网可用性，多会采取干扰抑制
及躲避的手段，一般情况下，多采取“直接序列扩频（DSSS）、正交频分复用（OFDM）及跳频扩频（F H S S）”技术。

工作原理：1）D S S S 技术：意指将原“功率高、带宽窄”的原始功率频谱，分别散布于极宽带宽上，如此，能够在发射信号时，仅使用少许能量便可输送出去。

其采取的扩频码序列为“高码率”，发送端实施信号频谱拓展，接收端采取同样的扩频码序列实施解扩，将拓宽之后的扩频信号，还原为原始信息[3]；
2）FHSS 技术:即系以扩频码序列，采取“移频键控（F S K）”的调制措施，导致“载波频率”跳变。

需要进行数据传送时，接收者与发送者双方事先商定好，于某频道上传输相应时间后，便同步跳至另外的某频道上，再继续进行数据传送。

接收数据一方的端口处所实施的解扩方式采取和发送一方的端口处一致的本地发生器所形成的“扩频码”，对数据实施解调后，可对信息给予精准恢复；3）O F D M 技术：其系无线高速传递信息技术的一种。

于频域里，OFDM 可将所指定的信道，分为多个正交的子信道，每个子信道上皆采取1个子载波实施调制，而子载波之间可并行传输，因于OFDM 系统内子信道上，当载波彼此呈现正交时，频谱亦会重叠，如此，极大地降低了子载波彼此干扰水平，又让频谱的利用率得以加强。

2 阐述CBTC系统无线传输技术的应用
C B T C 系统，均采取符合或是以I E E E802.11为标准的、频段为I S M2.4 G H z 的无线通信技术，于轨旁布设A P，以及“天线”、“波导”及“漏缆”等传输媒介，创设车地冗余无线（WL A N）的传输网络，达成“轨旁、车载”设备的实时信息交流，实现连续管控列车的目的，如图1
所示。

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C B T C 系统无线传输技术，常规下多采取2种传输模式：1）无线通信的协议，标准需符合IEEE802.11 b/g，频段为ISM2.4 GHz，以IP 地址为前提的空间传输信息，它的无线调制方式，一般采取“
D S S S，O F D M 及F H S S”3种，以提升系统抗干扰水平，其他抗干扰手段包含“无线冗余覆盖、实时处理、多址、编码、信号检测、分级传输/接收、无线链路预算”等技术；2）私有协议的标准为IEEE802.11 b/g、频段为ISM2.4 GHz，非I P 地址为基础的空间传输信息，改进系统设备其“物理层与MAC 层”，且对无线信道实施特殊划分，与I
E E E802.11标准不同。

无线调制模式常规下多采取FHSS、DSSS，经加大“传输时间、容错水平、实时处理能力、无线冗余覆盖面积以及无线链路预算”等技术，以推动系统抗干扰性能的提升。

3 CBTC系统无线传输技术存在的问题
3.1 研究背景
我国频频发生乘客随身W i F i 干扰“车-地”地铁信号系统的状况，因指令异常造成列车急停，引发国内民众的广泛关注。

而对此类事件进行调查后，得出的结论是：乘客的W i F i 路由器打开时，导致车-地信号系统指令出现异常；反之关闭，则信号系统正常。

经故障剖析判认W i F i 路由器，对信号系统造成干扰。

3.2 2.4 GHz无线传输技术的干扰
1）干扰类型。

由干扰机理角度实施分类，无线干扰，是通信信号最强的干扰要素之一，比如，若接收机接收到干扰信号，将对判决的正确性带来一定的负作用。

干扰类型，依其生成的机理分为“乘性、加性”2类。

乘性干扰，其为多径效应的干扰类型，为发自系统内部的“散、反、衍”射等信号现象；加性干扰，其为类噪声源，包含其他的“类似系统”、“系统内部”或是“元件非线性”所发出
的噪声，主要的类型有：“同频、邻频、互调”干扰以及“远近效应”等类型。

2）依干扰源实施分类：a.系统之外的干扰：源自外面系统的干扰。

例如，诸多的设备共存于ISM 频段内，系统之间出现彼此干扰；b.源自系统
内部自身的干扰：其所生成的主因为同一个无线通信系统里，因多个用户要求下、在同一时间里通信，却无法将相互信号所造成的干扰彻底隔离。

4 抗干扰的主要措施
采取IEEE802.11标准的、频段为ISM2.4 GHz 的“C B T C无线传输系统”，若和其他采用I S M频段的设备，置于同一“区域及时间”展开工作时，则将会遭到同频设备其所带来的无线干扰。

故此，给出下列2种无线“抗干扰”措施。

方案1：采取“专网技术+专用无线频谱”的手段。

其为轨道交通C B T C系统专用的抗干扰措施，确保列车安全运行。

方案2：采取I E E E802.11标准下的私有协议。

IEEE802.11协议，由“MAC层及物理层”构成。

物理层，可采取抗干扰性能强的“D S S S与FHSS”等解调技术；MAC层，对媒体访问协议模式实施修改，强化信道应用优先级力度等手段，优化2.4 GHz数据输送，能经强化编解码的模式，以获取处理后的额外增益。

亦能选取综合手段提升抗干扰水平，包含采取“特殊的分频、提升系统容错水平、实时传输水平”等，力求降低及管控同频里、其他设备无线产生的干扰问题。

5 CBTC系统无线传输技术的应用前景
5.1 无线传输技术特有的局限性
采取ISM2.4 GHz公用频段的CBTC系统，尽管能够经采取以标准为I E E E802.11前提下的私有协议，实现降低ISM2.4 GHz频段中CBTC系统出现干扰的机率，可是，只是相应的制约了干扰，尚无法完全杜绝无线的干扰，故此，无法从根上来解除实际存有的干扰，需控制地铁环境范围内的、其他I S M频段设备使用数量，以确保C B T C系统良性运转。

5.2 无线传输技术的应用前景
来自移动互联网的“3G+W i-F i”，已成为CBTC系统干扰源之首，导致CBTC系统安全性因
地铁电磁环境限值的远远超出而受到威胁，地铁同频干扰，造成CBTC系统在传输信号过程中，出现误码及丢包，致使“车-地”信号交互断裂，导致“非预期性停车”事故的发生。

随着社会的发展，会有大量的WiFi产品涌现，加大CBTC系统遭遇干扰的机率，致使其运行受限[4]。

C B T C系统在今后的研发上，将向“大密度、高速化及低成本”方向迈进，要求“车-地”无线传输系统具有容量高、吞吐力强、移动切换快的承载效应，来实现车-地无线通信的高功用性。

无线传输技术，采取2.4 GHz频段为基础，因受自身性能的制约，无法顺应城市轨道交通“C B T C系统”的未来发展，与“车-地”通信业务需求。

故此，让C B T C系统在良性运转的同时，又能规避其免受干扰，C B T C系统的前景技术将会采取专用专网“频段授权模式及技术”，为其未来发展趋势。

6 结论
基于I S M频段的无线产品会愈来愈多，应用领域将不断扩大，提升了无线干扰强度，对ISM2.4 GHz频段内的CBTC车-地通信系统造成极大的安全隐患。

故此，城市地铁交通中，列车控制系统的通信功能里，需要实施“无线抗干扰”手段，力求实现抗干扰水平的增加；此外，需采取新的无线“频谱及传输技术”，消除无线干扰，充分发挥地铁通信作用的“C B T C系统”优势，进而实现运营效率的提升。

参考文献
[1]李晓刚.车地通信延时对C B T C系统列车运行控制的影响分析[J].铁路通信信号工程技术．2011（6）：110-113．[2]张林.CBTC系统中点式控制与连续控制转换处理[J].铁路通信信号工程技术.2013，10（11）：91-93．
[3]徐纪康.基于车-车通信的新型CBTC系统分析[J].铁道通信信号，2014，1（6）：67-69.
[4]朱力，宁滨.基于IEEE 802.11g标准的CBTC车地通信系统设计[J].中国铁道科学．2010，11（5）：23-26.
（收稿日期：2016-05-11）。