CBTC系统无线传输系统抗干扰解决方案探讨_李进.docx

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1、Urban Mass Transit 城轨交通 铁路通信信号工程技术 (RSCE) 2014 年 6 月，第 11 卷第3 期 57 CBTC 系统无线传输系统抗干扰解决方案探讨 李 进 (北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073) 摘要 ：对 CBTC 系统车地无线通信如何避免外界信号干扰进行探讨，通过对既有技术分析和比较，提 出对现有 2.4 G H z 无线传输技术进行优化的方案，以提高 C B T C 无线传输系统的抗干扰能力 , 确保城 市轨道交通系统正常运营。 关键词 ： CBTC 系统；车地无线通信系统； MAC 层；直序扩频 Abstract: The paper

2、 discusses how to avoid the interference of outside signals on wireless train-wayside communication in CBTC system. In order to improve the anti-interference ability of CBTC wireless transmission system, it puts forward the solution of optimizing the existing 2.4 GHz wireless transmission technology

3、 through technical analysis and comparison, to ensure the normal operation of urban rail transit system. Keywords: CBTC system; wireless train-wayside communication; MAC layer; direct sequence spread spectrum DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2014.03.015 2012 年 11 月，深圳地铁蛇口线、环中线信号 系统受干扰，导致信号系统安全保护功能启动，列

4、车紧急制动，造成多次列车因重新启动而晚点或清 客。据悉，故障发生后，深圳地铁集团在当地无线 电管理局的配合下进行了故障定位测试，在对故障 产生原因进行全面排查、检测和分析后，将故障原 因锁定在线路信号系统受到列车上乘客所使用的便 携式 3G 无线路由器所产生的信号干扰上（其原理 有 别 于 3G 手 机自 身 W i F i 功 能 ） 。调 查 组有针 对 性 的开展了便携式 W i F i 路由器打开、关闭状态下对 信号 C B T C 车地无线通信传输系统影响的对比测 试，经过故障分析、试验和测试证明，便携式 WiFi 路由器确实干扰了 CBTC 信号系统。此次故障引发 了对全国各条地铁

5、线路信号系统使用的无线传输系 统技术安全问题的普遍关注。 1 现有 CBTC 系统无线传输技术使用现状 自 2003 年开 始， 基于通信的列车控制系 统 （ CBTC）在我国被开始应 用 ，并逐渐成为我国城市轨 道交通领域信号系统主流制 式。 CBTC 是通过车地 无 线通信系统（ TWC）实现轨旁设备与车载设备间双 向、实时的信息交互，完成对列车连续控制的目的。 目前，我国城市轨道交通领域各条运营和在建 的信号 CBTC 系统基本均采用 2.4 GHz 无线频段。 I S M2.4 G H z 为免费公共开放频段，其工作频段为 2.4 2.483 5 GHz，在 2.4 GHz 的 ISM

6、 频段上共 有 14 个频宽为 22 M H z 的频道可供使用，其中共 有 13 个子信 道（ 14 信道为保护频 段 ，不可用 ） ， 每 个子信道带宽为 22 M H z，这 13 个子信道是互相重 叠的，只有 3 个频点相互之间没有重叠，可以同时 使用，就是 1、 6、 11 信道。通常地铁系统会规划 其中的两个信道分配给 CBTC 信号车地无线通信系 统使用，另外一个分配给 P I S 系统使用，用于各自 建立独立的无线传输网络。无线传输一般采用直序 列扩频（ DSSS） 、跳频技术（ FHSS）或正交频分复 用（ O F D M） 调制技术。另外，也采用列车固定标 识、冗余、分频、

7、分级、容错等措施来改善或降低 2.4 GHz 频段内其他无线信号对 CBTC 系统的无线 干扰。 2.4 GHz 无线频段划分如图 1 所示。 2 2.4 GHz 的无线干扰分析 由于 CBTC 系统采用 IEEE 802.11 标准的无线 Urban Mass Transit 城轨交通 铁路通信信号工程技术 (RSCE) 2014 年 6月 2 6 21 5 : 25 4 9 24 0HI 3 8 23 2 7 22 3/528 3/538 3/548 3/558 3/568 3/578 对 2.4 G 频段内的设备形成的干扰。 互调干扰 ： 在模拟信号转换和处理的过 程 （ 如 变频、放大

8、等）中，由于器件的非线性可能会产生 寄生信号，从而在相邻信道上产生干扰。当非线性 3/523 3/533 3/543 3/553 3/563 3/573 3/583 3/595 器件被许多载波同时使用时，就会产生互调产物， 2 3/5 HI 局域网工作在无线开放空间，信号传播具有不确 定因素，而且工作于 ISM（ Industrial Scientific Medical，工业、科学、医疗）频段，使用其频率资 源不需要牌照。因此其信号传播必然会受到链路上 其他无线信号的干扰，包括来自带内干扰、带外干 扰和信道竞争干扰。 1）带内干扰是指工作在 2.4 G 频段内的设备 相互之间形成的干扰，主要

9、包括 : a . 同频干 扰 ： 是指与有用信号处在相同载波频 率的干扰。 b . 邻频干扰 ： 邻频干扰可以分为带内干扰和带 外干扰。前者是指干扰信号的中心落入期望信号带 宽之内，干扰信号落入期望带宽之外的则是带外干 扰。具有相同功率级的邻频干扰和同频干扰同时存 在，邻频干扰通常影响较小。 c . 码间干 扰（ I S I） ： 码间干扰是数字通信系 统 中除噪声之外最重要的干扰。造成码间干扰的原因 很多，信道衰减和群时延失真都可能导致信号波形 失真，产生 ISI。实际上，只要传输通道的频带是有 限的，就会不可避免地造成一定的 ISI。以一定速度 传 输的波形序列受到非理想信道的影响表现为各

10、码 元波形持续时间拖长，从而使相邻码元波形产生重 叠，造成判决错误。而当线性失真严重时， ISI 就会 比较严重。 d . 远近效 应 ： 远近效应发生在移动通信 中 。 假 设存在两个移动台，其中一个距离接入点远，另一 个距离较近，如果两个移动台的发射机同时以相同 的功率和相同频率发射，远端弱信号就会被近端强 信号湮没。由于距离不同而造成的路径损耗称为远 近干扰，表示为多条路径的路径损耗之比。 e . 多径干 扰 ： 是由无线系统中信号的反 射 、 衍 射和散射而导致的多径效应产生。 2）带外干扰 ： 带外干扰是指工作 在 2.4 G 相 邻频段的设备由于邻信道功率 比（ A C P R）

11、较高而 从而导致信号的失真。 3） 信道竞争分 析 ： W i F i 设备之间形成的干 扰 还可以分为非协议干扰和协议干扰。 a . 非协议干扰 ： 主要以不能识别的信号来 呈 现，可通过信噪比来衡量信号干扰的强度。 b . 协议干扰 ： 协议规定无线信道的访问方 式， 一方占用时，另一方只能等待，与信噪比并不关联。 多辆列车都要与地面通信，就会争抢信道资源，而 同一时刻地面只能与一辆列车通信，其他的只能延 后，这就造成系统内的延时干扰。轨道线路附近其 他的 I S M 频段的无线网络，也会对车地通信产生干 扰。比如其他 WLAN、蓝牙用户，甚至微波炉的使 用，由于它们的工作频率都有重叠，所

12、以将产生协 议干扰。 综上所述，基于 I S M2.4 G H z 频段的无线干扰 可大致分为非协议干扰和协议干 扰 ： 非协议干扰主 要以不能识别的信号来呈现，可通过信噪比来衡量 信号干扰的强度。协议干扰则有所不同，协议规定 无线信道的访问方式，一方占用时，另一方只能等 待，与信噪比并不关联。由于 I S M2.4 G H z 为开放 频段，使用此频段的各种类型产品非常多，带来的 干扰主要以带内干扰为主。 3 CBTC 无线传输系统抗干扰解决方案 对基于 2.4 G H z 频段的 C B T C 系统车地无线 传输的抗干扰解决方案应考虑不影响既有线正常运 营的基础上进行，并且不能因为对传输

13、系统的改进 而影响既有信号系统的安全性、可靠性和完整性。 由于 2.4 G H z 为公用开放频段，因此不能彻底规避 其他采用此频段的设备产生的带内干扰，只能通过 采取必要的方法和技术措施来改善或抑制无线干扰， 提高无线传输系统的抗干扰能力，最大限度的减弱 因存在的干扰而对 CBTC 系统造成的影响。 3.1 技术可行性 从技术上来说， I E E E802.11 协议由物理层和 Urban Mass Transit 城轨交通 No.3 李 进： CBTC 系统无线传输系统抗干扰解决方案探讨 59 M A C 层组成。物理层可以采用抗干扰能力强的调 制解调技术（如 D S S S、 F H S

14、 S 等 ） ， M A C 层可以 通过修改媒体访问协议以提高无线信道的使用优先 级等方法来优化 2.4 G 的数据传输，可以通过增强 编解码方式来取得额外的处理增益。也可以采用综 合方法来提高抗干扰的能力，包括采用特殊分频、 增强系统容错能力和实时传输能力、增加无线链路 冗余预算等，以尽可能降低或抑制同频内其他设备 无线干扰带来的影响，通过升级的无线通信设备保 持原有 CBTC 系统的信息传输层（ TCP/IP）的一 致性，尽管物理层或 M A C 层有所改变，但对信号 系统的应用接口维持不变。 3.2 优化方案 根 据 以 上 分 析， 针 对 目 前 已 经 在 线 运 用 的 C B

15、 T C 无线传输系统，为提高其抗干扰能力，不再 发生类似用户移动 WiFi 逼停列车的故障，可提供 3 种优化方案提高现有 CBTC 无线传输系统的抗干扰 性。 3.2.1 方案一：工作模式的修改 1）解决方案描述 将 IEEE802.11 AP/Station 的工作模式改为 窄带低码率的工作模式，理论上处理增益有 10 d B， 应具有一定的抗干扰能力提升。抗干扰能力会有所 改善。 2）改造方案 所有现有设备（包括信号系统、轨旁 A P、 车 载 A P） 及各种传输媒介（地下段漏缆、地面段天 线）都不需要作任何改动，只是修改一下轨旁 A P 的软件配置参数即可，但是需要进行相关测试工作

16、， 以检测抗干扰情况。如果轨旁 A P 不支持该配置参 数的修改，则需要更换轨旁 A P 设备，但这种概率 很低。 本方案与现有系统完全兼容，在一条地铁线上， 修改后的 A P 设备和原有的 A P 设备可以完全兼容 运行，可以逐段进行改造。如需更换 A P 设备也可 采用该方案进行改造，逐段替换轨旁 A P 设备，然 后替换车载 AP 设备。 3）优点及不足 本方案优点 ： 成本较 低 、改造方便快 捷 ，现 有 设备不需要进行任何改动。 不 足 ： 理论 上 ，此方式 是 3 种方案中抗干扰 能 力相对较弱的系统解决方案。 风险 ： 需要对现场设备进行确认评 估 ，以确 认 是否可以进行相

17、关参数修改，如不能修改，需更换 AP 设备。 基于 W i F i 技术的无线传输系统技术成熟，有 完整的产业链支持，也是现在地铁无线通信主要使 用 的 无线 系 统 。 整个 系 统验证 修 改周 期 很 短 ： 系 统 的现场验证修改实施方案预计可在 1 个月内完成， 验证修改内容包括现场设备确认、配置修改、测试 验证等项 目 ； 如需替 换 A P 设 备 ，待试验线路确 定 后，预计 2 个月内既可以进行 A P 供货， A P 生产 和现场验证修改可以并行进行，整体周期预估可在 2.5 个月内完成。 3.2.2 方案二 : 底层软件的修改 1）解决方案描述 通过对设备 M A C 层

18、协议的修改增加对无线信 道访问的优先权，根据对 I E E E802.11 协议 M A C 层的研究，可以通过改变 M A C 层的信令结构，使 C B T C 无线传输系统对无线信道资源的竞争能力大 大增强，减小竞争开销，增大系统实际可享用的传 输带宽，以使系统抗干扰能力有明显的增强。 2）改造方案 所 有 设 备（ 包 括 信 号 系 统、 轨 旁 A P、 车 载 A P） 及各种传输媒介（地下段漏缆、地面段天线） 都不需要作任何改动，只是需要修改轨旁 A P 的软 件，进行软件升级，但是需要进行相关测试工作， 以检测抗干扰效果。如果轨旁 A P 设备硬件不支持 软件的修改，则需要更换

19、轨旁 AP 设备。 本方案与现有系统完全兼容，在一条地铁线上， 修改后的 A P 设备和原有的 A P 设备可以完全兼容 运行，可以逐段进行改造。如果更换设备也可采用 该方案进行改造，逐段替换轨旁 A P 设备，然后替 换车载 AP 设备。 3）优点及不足 本方案优点 ： 成本不 高 、改造方便快 捷 ，现 有 设备可能不需要进行任何改动。 不 足 ： 理论 上 ，本方案 在 3 种方案中抗干扰 方 案效果居中，比第 1 种方案效果要好，但是有一定 的软件开发测试工作。 Urban Mass Transit 城轨交通 铁路通信信号工程技术 (RSCE) 2014 年 6月 4 风险 ： 需要对

20、现场设备进行确认评 估 ，以确 认 是否轨旁 A P 硬件支持软件的修改，如不支持，则 需更换 AP 设备。 基于 W i F i 技术的无线传输系统是现在地铁无 线通信主要使用的系统，而且本方案中软件相关的 修改也可以公开，用以形成通用标准，所以该方案 技术成熟且有完整的产业链支持，协议具有公开性。 3.2.3 方案三：物理层改造 1）解决方案描述 将无线设备物理层改造为直序扩频模式，增加 扩频因子，物理层的变化改变了空口的数据传输方 式（也包括数据调制和解调的方式 ） ，但保持射频侧 设备（如天线、功放、分合路器、漏缆、波导管等） 的兼容性，这样处理增益可大大改善，既提高了抗 干扰能力，也

21、避免了协议干扰，同时 M A C 层则仍 保持着相应的功 能， M A C 层与上层的接口保持原 状，利于已有信号系统的改善性升级。 2）改造方案 所 有 设 备（ 包 括 信 号 系 统、 轨 旁 A P、 车 载 A P） 及各种传输媒介（地下段漏缆、地面段天线） 都不需要作任何改动，只是需要替换轨旁 A P 及车 载 A P 设备，并进行相关测试工作，以验证抗干扰 性及相关性能。 本方案需要同时进行全线设备更新及测试。因 此，建议可利用专线试验段或开通调试期间，完成 轨 旁 A P 的替 换 、列车的改造和测 试 。本方案改 造 时，根据现场设备环境情况，应该只替换轨旁 A P、 车载

22、A P 设备及相关接口即可，可以保留原有布线 及波导管等设备。具有较低的改造成本及改造周期。 3）优点及不足 本方案优 点 ： 本方案 是 3 种方案中抗干扰方 案 效果最好的，有较强的抗干扰性、且支持很低的信 噪比，可以抵御目前环境下的各种干扰。 不足 ： 本方案成本比其 他 3 个方案高，且改造 方案可能比其他 2 个方案复杂。但是比整个系统的改 造及全部重新布线施工要简单很多，成本也低很多。 风险 ： 需更换 AP 设备，进行相应的测试验证。 基于 W i F i 技术的无线传输系统技术成熟且有 完整的产业链支持，也是现在地铁无线通信主要使 用的无线系统，而且本方案的硬件、软件技术均基

23、于现有通用的无线通信技术及 W i F i 协议进行修改 完善，以适应地铁的需求，相关技术及完善部分可 以公开，形成通用标准，所以该方案技术成熟且具 有公开通用性。 通过上述技术和措施对比，虽然对系统设备的 物理层 和 M A C 层进行修改可提升系统的无线抗干 扰能力，但也存在着协调难度大、追加相对应改造 成本的问题，尽管可以改善或降低 2.4 G H z 频段内 其他无线信号对 CBTC 系统的干扰，可是从使用公 用开放频段的角度思考，还存在将来无线应用技术 发展所伴随的其他类型的干扰风险，那么要想杜绝 可能发生的干扰问题，不仅需要对应用在地铁环境 中其他采用 I S M 频段的设备采取一

24、定的限制措施， 还需进行持续的跟踪、评估和优化工作，以保证 CBTC 系统的正常运行。 4 总结 基于以上分析，既有 2.4 G H z 无线传输系统优 化具备条件和可行性，可作为已建地铁信号系统的 抗干扰解决方案实施。对于以上提出的实施方案， 还需进一步专项研究和试验验证。若想彻底解决 C B T C 系统无线传输干扰问题，各地铁运营城市应 当结合自身 CBTC 系统运行情况和未来城市数字化 的发展方向，统一规划公用频段的使用。当然，解 决 CBTC 无线干扰问题的最终解决方案是各地铁公 司向工信部无线电管理局提出 CBTC 系统在专用无 线频段的申请，从而避免公用频段内的众多干扰。 据悉目前多家信号供货商已经对不同的专用无线频 段进行技术研究和开发工作，然而这些研究和解决 方案还需要做大量的试验验证工作，同时新技术的 产品到产业化的设备提供仍然需要一个长期的过程。 （收稿日期： 2014-03-26）