CBTC數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的無(wú)線干擾
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0引言
隨著城市化進(jìn)程的加快，為了緩解城市交通的擁堵，全國(guó)各大城市都在加緊修建地鐵。在整個(gè)地鐵系統(tǒng)中，列車的自動(dòng)控制系統(tǒng)起到核心控制作用。目前國(guó)內(nèi)新建地鐵線路大多采用基于通信的列車控制系統(tǒng)（cbtc），它采用無(wú)線通信系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)放的數(shù)據(jù)通信（DSC）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了高可靠、高精度列車自身定位，以及連續(xù)、高容量的車／地雙向數(shù)據(jù)通信。DSC子系統(tǒng)采用IEEE802．11g標(biāo)準(zhǔn)、2．4GHz公共頻段的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)提供車地?zé)o線系統(tǒng)連接，且大多采用無(wú)線接入點(diǎn)（AP）接入方式的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)今城市無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣泛，CBTC系統(tǒng)的無(wú)線車地通信容易受到外界的干擾，特別是采用同樣2．4GHz公共頻段，應(yīng)用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的WiFi無(wú)線設(shè)備。本文分析了地鐵CBTC中DSC的無(wú)線通信系統(tǒng)存在的干擾問(wèn)題，并給出了具體的解決措施。
1CBTC系統(tǒng)的無(wú)線干擾分析
1．1同頻干擾分析
軌道邊的無(wú)線AP，需要工作在2．4GHz的某個(gè)頻點(diǎn)上。當(dāng)無(wú)線AP的無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)有兩個(gè)以上的AP時(shí)，需要為每個(gè)AP設(shè)定不同的頻段，以免共用信道發(fā)生沖突。常用的IEEE802．11g將2．4G～2．4835G的頻段分成13個(gè)相鄰的子信道如圖1所示，AP可以使用1、6、11信道。在同頻工作模式下，兩輛列車可能同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)AP的頻段中，這樣兩者就會(huì)發(fā)生干擾。
1．2多徑干擾分析
當(dāng)無(wú)線信號(hào)在沿地鐵線路傳輸時(shí)，無(wú)線信號(hào)在隧道內(nèi)壁以及其他物體上進(jìn)行反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生多徑問(wèn)題。即傳輸信號(hào)并非通過(guò)單一路徑到達(dá)接收器，而是經(jīng)過(guò)了多個(gè)不同路徑。最終接收到的信號(hào)實(shí)際上是所有信號(hào)分量疊加形成，傳輸信號(hào)分量經(jīng)過(guò)不同的路徑和不同的延遲到達(dá)接收器。這樣接收到的信號(hào)就產(chǎn)生了畸變。
1．3外部周圍環(huán)境的干擾
地鐵沿線外部周圍的障礙物、企業(yè)或者家用WLAN設(shè)備都可能對(duì)軌道交通CBTC的2．4GWLAN系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。對(duì)于外部周圍環(huán)境的障礙物，主要產(chǎn)生干擾的原因是一些廣告牌和燈箱可能會(huì)出現(xiàn)在CBTC信號(hào)覆蓋的第一菲涅爾區(qū)域內(nèi)，從而降低信號(hào)的可用度。
1．4電磁干擾分析
在地鐵線路區(qū)域內(nèi)，除了地鐵列車的電氣設(shè)備外，還有無(wú)線發(fā)射站等多種無(wú)線電磁干擾源，特別是工作于2．4G頻段的無(wú)線AP、MiFi、醫(yī)療設(shè)備微波治療儀等。電磁干擾可能會(huì)導(dǎo)致地鐵設(shè)備誤動(dòng)作，甚至?xí)霈F(xiàn)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)頻繁出現(xiàn)故障等問(wèn)題。
1．5軌道交通內(nèi)部其它通訊系統(tǒng)的干擾
對(duì)于軌道交通內(nèi)部的其它通訊系統(tǒng)，同樣它們工作在不同于無(wú)線控制點(diǎn)的2．4GHz－2．483GHz范圍內(nèi)，對(duì)2．4GWLAN系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。
1．6CBTC與PIS系統(tǒng)間的干擾
在地鐵的隧道環(huán)境中，除了CBTC系統(tǒng)需要采用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)之外，PIS系統(tǒng)也可能采用基于802．11的解決方案。在隧道中有兩套無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)，從圖1中可見(jiàn)，同時(shí)只有3個(gè)信道是互不重疊的，其它信道使用的頻率相互重疊，可能互相干擾。
2CBTC無(wú)線干擾的解決措施
2．1CBTC系統(tǒng)內(nèi)部干擾的解決措施
CBTC和PIS系統(tǒng)，處于共存在2．4GHz開(kāi)放免費(fèi)頻段的情況時(shí)，PIS系統(tǒng)可工作于第三個(gè)不重疊頻點(diǎn)，即安排PIS系統(tǒng)的軌旁AP均工作在頻點(diǎn)6，而CBTC系統(tǒng)的軌旁AP工作在頻點(diǎn)1、13。當(dāng)然，PIS系統(tǒng)也可以根據(jù)自身系統(tǒng)的帶寬需求，選擇工作在5．8G頻段。從信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的角度來(lái)分析，系統(tǒng)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的快速切換具有很高要求，基本要求于毫秒級(jí)，綜合各種切換技術(shù)及列車實(shí)測(cè)情況來(lái)看，本工程使用同頻切換技術(shù)，即在信號(hào)系統(tǒng)中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用一個(gè)統(tǒng)一的頻率（整個(gè)系統(tǒng)占用兩個(gè)互不重疊的信道）。在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)工程實(shí)施中，B網(wǎng)絡(luò)（ESS＿B）使用第1信道，而A網(wǎng)絡(luò)使用第13信道。屬于同一網(wǎng)絡(luò)的AP會(huì)是用同樣的頻率，因此，在覆蓋重疊區(qū)域，相鄰AP之間會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。但是，根據(jù)在軌道交通環(huán)境所作的測(cè)試結(jié)果，相互之間的干擾對(duì)AP的性能影響非常有限，完全可以支持車地之間的雙向通信，并且實(shí)測(cè)中每個(gè)AP有效通信容量（去除協(xié)議開(kāi)銷）約為22Mbit／s，足以支持CBTC車地之間的高速﹑實(shí)時(shí)雙向通信。綜上所述，CBTC系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)，處于共存在2．4GHz開(kāi)放免費(fèi)頻段的情況時(shí)，PIS系統(tǒng)可工作于第三個(gè)不重疊頻點(diǎn)，當(dāng)然，PIS系統(tǒng)也可以根據(jù)自身系統(tǒng)的帶寬需求，選擇工作在5．8G頻段。
2．2CBTC外部干擾的解決措施
（1）針對(duì)多徑反射帶來(lái)的問(wèn)題，采用以下的一些技術(shù)來(lái)克服多徑干擾問(wèn)題：采用雙天線減輕多徑干擾，為每一個(gè)車載無(wú)線單元配置了雙天線，使雙天線工作在分級(jí)模式下，這樣的方式在一定程度上可以有效消除多徑干擾的問(wèn)題。在軌旁以及車載部分采用定向天線方式進(jìn)行接受和發(fā)送，其發(fā)送角度小，在隧道封閉環(huán)境中產(chǎn)生反射的情況大大減少?gòu)亩鴾p輕多徑干擾。采用OFDM（正交頻分復(fù)用）無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù)，用于車－地?zé)o線通信，OFDM最大可接收6Mbit／s的數(shù)據(jù)速率，減少多徑衰落對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的影響。
（2）外部周圍環(huán)境干擾的解決措施:對(duì)于這類情況，需要注意天線安裝的高度，確保軌旁天線和車載天線的通信的第一菲涅爾區(qū)域內(nèi)避免燈箱和廣告牌障礙物的干擾。并且在地面部分采用小角度的定向天線，可以增強(qiáng)定向天線覆蓋的主要區(qū)域的信號(hào)，而減弱干擾信號(hào)。
（3）避免電磁干擾的措施：地鐵交通的環(huán)境比較復(fù)雜，干擾源較多，一般采用以下方式避免電磁干擾：在隧道及地面路段選擇小角度定向高增益天線，天線前后比≥25dB。高指向性天線可以解決對(duì)周邊環(huán)境的電磁干擾；沿線的無(wú)線AP安裝于室外屏蔽箱體內(nèi)，屏蔽箱體可以有效防止隧道內(nèi)的高壓動(dòng)力電纜對(duì)無(wú)線設(shè)備可能造成的干擾；列車司機(jī)駕駛室內(nèi)的車載MR安裝高增益定向天線，指向車頭／車尾軌道沿線的無(wú)線AP天線。
（4）克服軌道交通內(nèi)部其它通訊系統(tǒng)的干擾:通過(guò)它們本身的濾波系統(tǒng)，基本可以過(guò)濾WLAN無(wú)線信號(hào)對(duì)它們的無(wú)線干擾。并且項(xiàng)目選用的任何一款WLAN產(chǎn)品都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的EMIClassB的檢測(cè)，杜絕對(duì)軌道交通內(nèi)部其它通訊系統(tǒng)的干擾。
3結(jié)語(yǔ)
對(duì)于采用基于2．4G無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的CBTC系統(tǒng)，必須要提高無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性，盡量避免運(yùn)行中可能出現(xiàn)的信號(hào)干擾，保證列車的行車安全。那么，就現(xiàn)有的CBTC地鐵線路而言，必須要求相關(guān)技術(shù)人員加大對(duì)信號(hào)干擾源的研究分析，給出相應(yīng)的解決措施。如果要從根本上解決信號(hào)干擾問(wèn)題，必須申請(qǐng)地鐵通信系統(tǒng)的專用頻段。
作者：王琳 單位：武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院