轨道交通PIS与CBTC无线组网技术及干扰

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　　基于无线局域网技术(WLAN)在城市轨道交通系统中的迅速发展，本文首先简单介绍并比较几个常用WLAN技术标准的不同特点，通过分析乘客信息系统(PIS)和信号基于通信的列车自动控制系统(CBTC)的车地无线网络组网结构及传输数据的特点，得出两个系统的网络带宽需求，并通过比较研究PIS和CBTC系统车地无线网络特点，探讨PIS与CBTC在地铁隧道环境下使用 WLAN 技术可能存在的相关问题。根据对PIS车地无线网络系统的带宽分析，PIS只能采用802.11a或802.11g技术。当PIS系统采用802.11a技术标准时，两系统之间可避免干扰，并且接口简单，工程实施性较容易;采用802. 11g 技术标准时，PIS系统需与CBTC系统避让频点，增加了两系统在无线网络上的工程接口。同时，两系统的车地无线网络还应考虑其他无线网络的干扰。

　　目前越来越多的城市轨道交通乘客信息系统(简称PIS系统)采用基于WLAN技术组建车地无线传输网络，车地无线传输网络作为覆盖全线车站、区间和车辆段的高速数据传输网络，为地铁列车和地面之间提供视频、数据、语音等信息的传输通道。而在国内目前在建轨道交通项目中，除了PIS系统需要采用WLAN技术外，信号系统中基于通信的列车自动控制系统(简称CBTC系统)也大都采用WLAN技术，因此就需要避免两系统的无线网络在各种隧道环境中产生相互干扰以及其他系统对它们的影响。

　　1 基于IEEE802.11系列的WLAN技术概述

　　IEEE的802.11工作组是无线局域网标准的开发组织之一，开发的主要是IEEE802.11标准。经过多年努力，IEEE802.11已经发展成为了一个系列标准，表1是常用的四个标准的主要技术参数。其中 2.4GHz是一个开放的ISM(企业、科学和医疗)频谱，只要其无线接入点(AP)的发射功率及带外辐射满足无线电管理机构的要求，则无需提出专门的申请即可使用此ISM频段;而5.8 GHz的频谱需要向国家无线电管理委员会申请有偿使用。

　　802.11a使用了5.8GHz的频谱，与802.11b及802.11g不可兼容，使用的5.8GHz频谱干扰较少，可提供更多的非重叠频道，传输速度较高。802.11b及802.11g都使用2.4GHz的频谱，可以互相兼容使用，较早时期，由于低成本的缘故，802.11b标准最为普及。目前由于对速率的需求，基于802.11g标准的无线局域网最多。

　　802.11n是在802.11a/b/g后新出现的一个无线传输标准协议，2009年才获得IEEE的正式批准。802.11n可以同时工作在2.4GHz和5.8GHz频段而互不干扰。它可以将WLAN的传输速率由目前802.11a/g提供的54Mbps提供到300Mbps甚至600Mbps。MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的MIMOOFDM 技术，不仅提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升;在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围得以扩大;在兼容性方面，802.11n采用了软件无线电技术(SDR)，由于SDR是一个完全可编程的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN 将不但能实现802.11n向前后兼容，而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合，比如3G网络。

　　2 PIS 车地无线系统与信号CBTC系统的比较与分析

　　2.1 PIS车地无线组网与带宽分析

　　2.1.1 PIS车地无线网络组网结构

　　PIS系统是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。它不但可以地向乘客播放轨道交通列车到达预告、换乘信息及时间等与乘车有关的信息，还可以播放重要新闻、天气预报、广告等资讯信息。利用车地无线网络，PIS系统还可实现对列车的实时视频监视，将列车驾驶室及车厢客室内的监控画面实时传送到控制中心，便于控制中心有关人员及时了解司机驾驶和客室内的乘客流量状况，提高运营管理水平及安全管理能力。轨道交通PIS系统车地无线网络组网结构如图1所示。

　　采用WLAN方式时，在隧道沿线布置无线AP设备，在车站设置交换机设备，在控制中心设置无线控制设备，列车上安装车载天线和无线接入设备。

　　2.1.2 PIS车地无线网络带宽分析

　　根据PIS车载子系统的功能，要求移动的列车与地面之间具有实时数据传输的能力，在列车高速运行时，应保证图像质量，不会出现马赛克、中断等现象，无线网络系统应能支持快速移动通信及漫游切换。其中无线网络传输的数据主要分为车载视频播放信息和车载视频监控信息。

　　2.1.2.1 车载视频播放信息

　　每列列车接收来自控制中心下发的1路MPEG-2编码的标清数字视频信息，每路信息占用的带宽一般为4～8MHz，加上预留10%的视频重传技术，因此一般在4～8MHz×110%=4.4～8.8MHz。除此之外，还包括PIS系统的文本信息和控制信息，一般在100KHz左右。因此车载视频播放信息所需带宽总共大约在4.5～8.9MHz。

　　2.1.2.2 车载视频监控信息

　　在区间运营中的每列列车要求上传2路MPEG-4编码的视频图像信息，每路占用的带宽约为2MHz，因此总带宽约为2×2MHz=4MHz。

　　由上述分析可得，PIS系统在车地无线网络中所需要的总带宽至少应该在13MHz以上。

　　2.2 CBTC无线技术组网与带宽分析

　　目前国内新建轨道交通项目中的CBTC系统采用的WLAN技术一般基于802.11b或802.11g标准，由于信号专业的特殊性，目前能够提供基于通信的移动闭塞的信号厂家采用的无线局域网标准不同，产品差别也较大。图2组网方式是其中采用以无线AP方式接入的组网结构，目前在地铁隧道中较多使用。

　　CBTC 无线网络传输的主要数字信息有：列车目的地码、车次号、本列车的定位信息、本列车的速度信息等。由于信息编码长度较短，数据包长度一般不会超过1000bits，信号系统供货商一般选择40 ～100 kbps的净传输速率作为其系统必须保证的最低传输速率。

　　2.3 PIS与CBTC无线网络比较与干扰分析

　　2.3.1 PIS与CBTC无线网络的比较

　　PIS系统在轨道交通项目中的主要作用是提高乘客服务质量，提升服务满意度，体现以人为本，即使车地无线网络出现干扰甚至中断，也不会对行车安全产生威胁。而信号系统作为轨道交通中的安全控制系统，任何干扰、中断或者非法入侵都将直接影响到整个列车的行驶安全，因此信号系统对无线网络的安全性和实时性要比PIS系统高很多。表2给出PIS和CBTC车地无线网络系统在速率、安全性和实时性等方面的对比情况。

　　2.3.2 干扰分析与解决探讨

　　由于在轨道交通中信号系统的特殊性和重要性，PIS系统一般采取两种方式规避与信号系统的冲突，一种是PIS采用工作在5.8GHz频段的802.11a技术，另一种则是PIS采用802.11b/g技术，并与信号系统的频点错开使用。目前这两种方式在轨道交通已建和在建的项目中均有使用。

　　方式一：采用5.8GHz频段的802.11a技术，远离了信号系统的2.4GHz频段，单独设置一套PIS系统自己的车地无线网络，不会对信号系统产生干扰，同时也减少了与信号系统的接口问题，便于工程的实施。采用这种方式的优点是两系统之间的接口简单，工程实施性相对容易。缺点是5.8GHz的频段需要向无线电管理委员会申请许可，每年需要交纳一定的频率使用费。

　　方式二：对PIS系统的车地无线网络带宽需求分析可知，802.11b无法满足PIS系统至少应该在13MHz以上的带宽需求，因此在轨道交通项目中通常采用802.11g技术，与信号CBTC系统一样工作在2.4GHz频段。采用这种方式的优点是不需要申请许可，技术相对成熟，缺点是增加了两系统之间工程接口的难度，需要协调频点使用并解决与信号系统的无线信号干扰问题。

　　如图3所示，国内规定可以使用的2.4GHz频段上只有3个不重叠的频点。系统工作在这三个频点上时，相互之间没有干扰可以同时运行。

　　为避免相邻AP之间无线信号的同频干扰，提高无线系统整体性能，构建CBTC无线系统时应采用按相邻AP设置不同信道的原则，即CBTC系统必须使用3个不重叠的频点中的2个频点，此时，PIS系统可采用的频点有以下两种情况：

　　第一，PIS占用1个频点的情况。此种模式下，CBTC系统的无线AP如使用频点1和11(其中一个频点工作，一个频点备份)，则PIS系统的无线AP均工作在频点6，同时在轨旁以及车载部分的AP均应采用小角度定向天线进行接收与发送。与全向天线不同，定向天线的发射角度较小，在隧道封闭环境中产生反射的情况大大较少，在一定程度上也能克服多径干扰问题。

　　第二，PIS占用2个频点的情况。此种模式下，PIS系统占用两个频点，例如占用频点6、11，CBTC系统占用频点1、6(其中一个频点工作，一个频点备份)，则需要采取天线极化方式规避干扰。此时，PIS系统天线的极化方式必须与CBTC天线的完全不同，若PIS采用水平极化，则信号需采用垂直极化来避免同频干扰。但是使用天线不同极化方式来避免两个系统之间的干扰，目前在隧道环境中极难实现，并且由于无线空间传输的不确定性，当PIS与CBTC同时采用同一频点即频点6传输时，极易产生频点干扰。目前，此种方式没有在轨道交通中成功使用的案例。

　　综上所述，如果采用方式二，即PIS系统车地无线网络采用802.11g技术，那么CBTC系统采用3个不重叠的频点中的2个频点，PIS系统只能采用剩余的1个频点。

　　由于信号系统的重要性，在设计与施工配合上，PIS与CBTC的频点设置分配需要由CBTC首先提出，PIS再使用剩余的那个频点，同时，CBTC需优先于PIS进行隧道无线AP布点的选点勘测，之后将勘测结果告知PIS系统，PIS系统再在干扰CBTC的地址上进行布点设计，CBTC需与PIS系统确认最终的勘察数据，最后才能进行施工安装。

　　2.4 其他无线系统对PIS与CBTC无线网络的干扰

　　除了PIS与CBTB两系统之间的无线干扰外，地铁隧道环境中还有许多其他的无线系统可能对PIS以及CBTC系统的2.4GHzWLAN网络产生干扰，主要有以下几种：

　　第一、民用无线系统：地铁隧道环境中民用无线系统主要有位于900/1800MHz频段的GSM、1900MHz频段的CDMA系统、2010～2025MHz 频段的TD-SCDMA系统以及1940～2145MHz频段的WCDMA系统。这些系统对2.4GHz频段基本上不会产生干扰。

　　第二、个人无线设备(如蓝牙无线信号)：乘客个人蓝牙无线信号的功率在地铁隧道环境中非常小，因此对PIS和CBTC的影响可以忽略不计。

　　第三、其他隧道设备的电磁干扰：隧道环境复杂，设备多，不可避免会产生一定的电磁干扰，设计解决的方法除了在前文中采用定向天线外，天线还需要具有一定的高增益性。同时，区间隧道的无线接入点需要安装在金属箱内进行屏蔽，通过无线接入点安装箱，可以有效屏蔽区间隧道内强电系统设备对PIS与CBTC无线系统设备产生的电磁干扰。

　　3 结论

　　随着PIS系统对车地无线传输需求的不断增长，与信号CBTC系统2.4GHz频段的频点重叠与同频干扰问题将会日益突出，通过前文的分析可以知道，5.8GHz频段的802.11a技术虽然可以解决同频干扰问题，但是需要申请使用许可，每年还要缴纳一定的频率使用费，目前国家无委会对5.8GHz频段的收费标准是每个接入点每MHZ带宽每年40元，随着PIS系统传输数据量的增长，对地铁运营公司来说无疑是一笔可观的支出。802.11b技术标准虽然在频段上与信号系统相同，但是如果做好频点规划，合理利用不重叠的3个频点，那么两系统之间的干扰问题是可以避免的。同时，在设计和施工中，还要考虑采取合理的技术措施避免其他无线系统对这两个系统的干扰。