城市轨道交通CBTC系统无线同频干扰应对策略

1、蔡昌俊 :广州市地下铁道总公司高级工程师 510310广州收稿日期 :2013-06-09城市轨道交通 CBTC 系统无线同频干扰应对策略蔡昌俊摘 要 :目 前 基 于 通信的 列 车 控 制系统 (CBTC 很 多 采用 IEEE 80211标 准 的 无 线 局域 网 (WLAN 技术 来 实现车 -地信息 交 互 ; 针 对 WLAN 无 线 局域 网 通信系统 存在 的同 频干扰问题进 行分析 研究 ; 结合 CBTC 应用环 境 , 提 出 抗 干扰 应对 策略 , 以 提高 CBTC 无 线 通信系统的 健壮 性 和 可 用 性 。关键词 :城市 轨道 交 通 ; CBTC ; 无

2、 线 局域 网 ; 同 频干扰 ; 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概述城市轨道交通 CBTC (基于通信的列车控制系 统 普 遍 使 用 IEEE 802. 11的 无 线 局 域 网(WLAN 技术 , 实现车 -地无线通信 。 WLAN 组网 方式灵活 , 网络结构简单 , 传输性能优异 , 完全满 足 CBTC 通 信 指 标 要 求 , 同 时 其 成 本 价 格 优 势 明显 。但是目前 CBTC 无 线 通 信 系 统 使 用 2. 4GHz (2. 4GHz 2. 4835GHz 工作频段 , 是国家规定 的公用频段 , 在满足允许发射功率指标条件下 , 用 户可以不受限制自由使

5、用 , 因此该频段内可能存在 大量的设备与用户 , 存在着潜在的无线同频干扰 。 如何消除无线同频干扰给 CBTC 带来的影响 , 保证 车 -地传输系统的可靠运行 , 是目前迫切需要解决 的问题 。本文针对 CBTC 应用环境 , 对 2. 4GHz 无线同 频干扰进行分析 、 研究 , 提出解决或降低 CBTC 无 线通信系统受无线电磁干扰影响的方法 , 从而最大 限度地保证车 -地通信的传输效率 。 2干扰原理与分析同频干扰指无用信号的载频与有用信号的载频相同 , 并对接收同频有用信号的接收机造成的干 扰 。 当同频干扰增大到一定程度 , 就会直接影响到 通信质量 。 CBTC 无线通信

6、系统使用 2. 4GHz 公用 频段 , 外界可能存在的 2. 4GHz 无线设备工作信 道与 CBTC 无线通信系统相同 , 从而引发无线信号 干扰 , 导致无线通信系统数据链路性能下降 , 甚至 通信中断 。根据 IEEE 802. 11协议标准规定 , 2. 4GHz 频 段 共 划 分 为 13个 工 作 信 道 , 相 邻 频 点 间 隔 为 5MHz , 单 信 道 带 宽 为 22MHz , 信 道 划 分 参 见 图 1。 实际应用中普遍采用 1, 6和 11三个工作信 道避免相互之间的干扰 。当外界 2. 4GHz 无线设备使用与 CBTC 无线通 信系统相同的无线信道时 ,

7、 其发射载频相同 , 从而 设备间产生相互干扰 , 可能影响 CBTC 无线通信设 备正常接收 , 导致系统通信性能降低 。为 避 免 同 频 干 扰 , 提 高 传 输 成 功 率 , IEEE802. 11标准规定了带有冲突避免的载波侦听 多路访问协议 。 其要求是发送数据前 , 先侦听信道 占用状态 , 若空闲则进行窗口退避以竞争信道使用47 2013年 7月 铁 道 通 信 信 号July 2013第 49卷 第 7期 AILWAYSIGNALLING COMMUNICATIONVol. 49No. 7 图 12. 4GHz 频段信道划分权 , 最早到达竞争窗口的设备率先进行传输 ,

8、传输 完成后 , 信道再次空闲 , 再次进入窗口退避竞争阶 段 , 如此循环 。根据协议定义 , WLAN 无线设备 (AP 和应用 终端 互相竞争发射 , 当同一信道存在多个设备 , 信道繁忙概率将提升 , 进行数据报文发送时可能需 要不断进行信道侦听和占用请求 , 从而会降低数据 报文发送的物理速率 , 使得带宽利用率下降导致通 信性能下降 。3抗同频干扰策略根据上述对同频干扰的分析 , 实际应用中可以 通过提高系统自身信号强度 , 降低接收到的干扰源 信号强度的方式来降低同频干扰的影响 。结合 CBTC 具体应用环境特点 , 需要从无线通 信系统设计和设备性能二个方面 , 优化增强系统的

9、 抗干扰能力 。3. 1系统设计3. 1. 1冗余设计根据数据报文传送的可靠性要求 , CBTC 无线 通信系统为数据报文提供 2条对等独立的网络传输 通道 。 车 -地无线通信网络采用双网冗余覆盖方案 , 沿线部署 2套完全独立的 WLAN 无线网络 , 2个网 络分别使用不同的工作信道 ,(1、 6、 11信道中选 择 , 实现 2个无线网络之间的完全隔离和冗余 。 列车安装 2套车载无线单元 , 分别接入到轨旁 2个不同的无线网络 。 2个车 -地无线通信网络并行 工作 , 同步传递相同的数据报文 , 即使受到干扰影 响 , 引发单网通信故障 , 也不会影响车 -地数据报 文的传输 。3

10、. 1. 2优化无线覆盖方式采用合理的无线覆盖方式 , 将有效增大自身有 用信号强度 , 降低外界信号干扰 , 可以极大的提高 系统的抗干扰能力 。目前无线信号覆盖通常有 3种 方式 :天线的空间波覆盖方式 、 漏 泄同轴电缆方式及波导管作为传输 线和分布天线的覆盖方式 。 其中漏 泄同轴电缆和波导管信号覆盖具有 较强的方向性和较短的垂直覆盖距 离 。 通过合理的布设可以有效减低 外界干扰信号强度 , 提高系统的抗 干扰能力 。 车载天线使用定向天线 , 在保证自身设 备场强覆盖要求下 , 降低覆盖范围 。考虑到车厢内乘客使用设备的无线干扰 , 可以 对车载天线加装金属屏蔽 , 屏蔽来自车辆内

11、部的干 扰信号 。3. 2信道复用技术针对多设备信道抢占干扰问题 , 利用高效的信 道复用技术 , 最大限度地降低相互干扰 , 提高信道 重用程度 。 信道复用技术核心思想是提高无线设备 的信道空闲评估门限来提高设备的可用性 。 信道空 闲评估是指无线设备在发射无线信号前需要评估信 道是否为空闲状态 。 若信道为空闲状态 , 则在执行 完冲突退避算法后就可以进行数据报文的发送 ; 若 信道被其他用户占用 , 则需要进行发送等待 。 通过合理提高信道空闲评估门限值 , 可以忽略 同一区域内使用相同工作信道的部分 WLAN 无线 设备 , 降低信道使用竞争 , 提高信道抢占成功率 。 信道空闲评估

12、门限提高后 , 即使同信道的无线设备 正在发送信号 , 只要信号强度不超过设备设定门限 值 , CBTC 无线通信系统将忽略正在使用同一信道 的外界无线设备 , 仍然能够正常发送自己的无线 信号 。3. 3主动链路传输技术根据当前无线信号强度 、 历史发送状态等信 息 , 无线通信系统动态计算当前报文合适的发送速 率 , 有效降低发送报文的空口占用时间 , 提高信道 的利用率 , 优化共存环境下设备的工作效率 。 传输过程中对数据报文采用分片的方式进行传 输 , 当某一数据片传输失败或者错误 , 只需要对该 数据片重新进行传输 , 从而提高了传输效率 , 降低 重传误码风险 。 同时利用主动链

13、路传输技术在网络 应用 层 设 计 主 动 重 传 机 制 , 保 证 数 据 传 输 的 可 靠性 。 57AILWAYSIGNALLING COMMUNICATION Vol. 49No. 720134专用频率建议无线通信始终面对复杂的无线电磁环境 , 无线 干扰将是一个无法避免的问题而长期存在 , 为了圆 满解决无线干扰对系统安全性的影响 , 需要从频谱 管理方面进一步开展工作 。在频谱使用上 , 通过相应行政管理手段 , 为 CBTC 无线通信系统设置专用频段 , 可将使用公用 频段引发的风险降到最低 。根据我国无线电频率划分规定及相应无线产品 设备 使 用 情 况 , 建 议 考 虑

14、 使 用 5. 8GHz 或 者 1. 8GHz 作为 CBTC 无线通信系统专用频段 。 图 25. 8GHz 频段 WLAN 信道划分示意图 4. 15. 8GHz (5. 725 5. 850GHz 4. 1. 1频率划分我国无线电频率划分规定 5. 8GHz (5. 725 5. 850GHz 频段作为宽带无线接入系统使用频 段 。 实际上使用 5. 8GHz 频段需要报所在省 、 自 治区 、 直辖市无线电管理机构批准 。 4. 1. 2设备选择IEEE 802. 11协议标准规定 5GHz 频段 (5. 150 5. 250GHz , 5. 250 5. 350GHz , 5. 4

15、70 5. 725GHz , 5. 725 5. 875GHz 可以作为 WLAN 工作频率 , 频 率信道参见图 2。我国无线电频率划分规定 WLAN 工作频率为 5. 8GHz (5. 725 5. 850GHz 频段 , 共计 5个信 道 , 操 作 信 道 号 分 别 为 :149、 153、 157、 161、 165; 每个信道占用 20MHz 频带带宽 , 互不干扰 ; 5. 8GHz 频段信道配置见表 1。表 15. 8GHz 频段 WLAN 信道配置表信道 中心频率 /GHz信道低端 /高端频率 /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 无线通信系统使用的 IEEE 802. 11无线产品可以支持使用 5. 8GHz 频段 。选用 5. 8GHz 频段作为 CBTC 无线通信系统专 用频段 , 只需要对目前 CBTC 采用的 IEEE 802. 11无线产品进行升级调整 , 整体网络架构可以保持 不变 。但是 5. 8GHz 与 2. 4GHz 无线传播特性不同 , IEEE 802. 11无线产品性能特性和无线场强覆盖方 式都需要经过试验研究 , 以保证系统的可用性 , 满

17、 足 CBTC 性能指标要求 。 4. 21. 8GHz (1. 7851. 805GHz 4. 2. 1频率划分我国无线电频率划分规定 1. 8GHz (1. 785 1. 805GHz 频段可以为宽带无线接入系统使用 , 实际使用前需要向省 、 自治区 、 直辖市无线电管理 机构申请批准使用 。 4. 2. 2设备选择国家无线电频率划分并未对 1. 8GHz 频段采 用的无 线 接 入 技 术 进 行 规 定 , 目 前 包 括 SCDMA (同步码分多址 、 LTE (3GPP 长期演进技术 等 技术设备均可以支持在 1. 8GHz 频段的使用 。 上述技术设备都未曾在 CBTC 系统应用 , 从整 体网络架构设计 、 无线设备性能特性等各方面都需 要经过大量的试验研究 , 综合考虑设备造价 、 设备 厂商等诸多方面因素 , 以论证应用于 CBTC 系统的可行性 。5结束语本文 针 对 城 市 轨 道 交 通 CBTC 系统无线通信系统存在的同 频 干 扰 进 行 分 析 研 究 ,在现行频段使用 方 式 下 , 可以从系统规划和优化设备技术 2个方面进行抗干扰 设计 , 增强设备的抗干扰能力 。配置专用频率应是一个未来最终解决同频干扰 的方法 , 但其涉及国家频率统一规划和审批 , 同时 需要从技术层面和产品层面满