城市軌道交通WiFi車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的安全性研究

徐 嘉

(深圳市地鐵集團有限公司資源開發(fā)分公司,518026，深圳∥工程師)

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城市軌道交通WiFi車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的安全性研究

徐 嘉

(深圳市地鐵集團有限公司資源開發(fā)分公司,518026，深圳∥工程師)

系統(tǒng)描述了地鐵WiFi系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)及優(yōu)化整改過程中遇到的系統(tǒng)間干擾等問題，詳細(xì)闡述了基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)采用的信道切換、窄帶壓縮及鎖頻等防干擾措施,通過地鐵WiFi系統(tǒng)預(yù)估用戶模型及業(yè)務(wù)模型計算出地鐵WiFi車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的寬帶需求,并分析了車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的頻段選擇,可為地鐵WiFi系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

城市軌道交通；無線局域網(wǎng)；車地?zé)o線傳輸；通信安全

Author′s address Resources Development Branch of Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,518026,Shenzhen,China

深圳地鐵集團有限公司首先提出了建設(shè)基于IEEE 802.11系列無線通信協(xié)議的地鐵WiFi系統(tǒng)的概念,并于2014年7月是率先開通試運行了包括列車WiFi覆蓋在內(nèi)的全套地鐵移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為廣大乘客提供WiFi接入的同時,也為地鐵各類商業(yè)服務(wù)的經(jīng)營提供一個全新的業(yè)務(wù)平臺。本文針對地鐵WiFi系統(tǒng)建設(shè)、經(jīng)營過程中的系統(tǒng)間干擾、平臺架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)等方面的經(jīng)驗教訓(xùn)進行總結(jié)。

1 系統(tǒng)間干擾的防控

地鐵WiFi系統(tǒng)建設(shè)遵循的是IEEE 802.11系列協(xié)議,包含IEEE 802.11 a/b/g/n/ac等幾個陸續(xù)推出的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中IEEE 802.11 b/g/n/ac系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)因其在實際應(yīng)用中的廣泛性及相互間的兼容特性在市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位(用戶使用的如手機、平板電腦等各種移動終端均支持該系列無線通信協(xié)議),因此,地鐵WiFi系統(tǒng)建設(shè)過程中接入子系統(tǒng)也必須支持此類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該系列協(xié)議工作于2.4 GHz和5 GHz頻率范圍。其中IEEE 802.11 b/g只支持2.4 GHz頻段,IEEE 802.11 n工作在2.4 GHz及5 GHz并向下兼容b/g協(xié)議,IEEE 802.11 a/ac工作在5 GHz頻段。

考慮到對現(xiàn)有及未來用戶終端的普遍支持能力,地鐵WiFi用戶接入子系統(tǒng)需要2.4 GHz與5.8 GHz頻段的雙頻覆蓋,同時支持IEEE 802.11 a/b/g/n/ac協(xié)議。由于很多地鐵基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)(PIS)均采用了IEEE 802.11系列協(xié)議進行信號傳輸，并工作在2.4 GHz頻段,不可避免地帶來了系統(tǒng)間的信號干擾問題。

1.1 2.4 GHz 頻段WiFi信道分布

表1為2.4 GHz頻段WiFi信道分布。2.4 GHz頻段共分配有13個WiFi信道(某些國家有14個信道)。但信道間并未充分隔離,相鄰信道的中心頻點間隔僅為5 MHz,每個信道總帶寬為22 MHz。信道間頻譜范圍互不交叉的前提是中心頻點間隔25 MHz以上,即信道間隔5個以上,因此互不干擾的信道最多只可以提供3個(1、6、11或2、7、12或3、8、13信道)。綜上所述,2.4 GHz頻段范圍雖然提供了13個信道,但信道間沒有充分隔離,因此在系統(tǒng)建設(shè)實施過程中,如不事先規(guī)劃統(tǒng)一部署,很容易導(dǎo)致同頻、鄰頻干擾現(xiàn)象發(fā)生。

表1 2.4 GHz頻段WiFi信道分布表 MHz

1.2 CBTC系統(tǒng)的抗干擾措施

CBTC系統(tǒng)的通信保證涉及到地鐵列車行車安全,必須全力保障,但2.4 GHz頻段是針對WiFi免費開放的公眾頻段,沒有任何法律依據(jù)限制運營商及廣大群眾對該頻段的使用。因此，對CBTC系統(tǒng)進行升級改造,提高其抗干擾能力勢在必行。

1.2.1 信道切換

為保證在受到干擾的情況下仍可實現(xiàn)車地系統(tǒng)間正常通信,CBTC設(shè)置了主備2個通信信道。當(dāng)主信道受到干擾時,系統(tǒng)會主動切換到備用信道,從而保證通信信號的正常傳輸。

CBTC信道選擇原則是:主備2個信道必須充分遠(yuǎn)離,從而保證在主信道受到干擾并切換至備用信道后,不會繼續(xù)遭受同一干擾源的信號干擾。例如:主信道設(shè)備2信道可能受到來自1至7信道中任何一個干擾源的干擾,且最遠(yuǎn)端在7信道；而7信道干擾源所占用的信道與2—11信道間的任何一個信道都有交叉,即理論上可以干擾到2—11信道間的任何一個信道。所以,只有將備用信道設(shè)定在12信道以后的信道,才能保證信道切換后不會再受到來自同一個干擾源的重復(fù)干擾。在實際應(yīng)用中,CBTC常選擇將主、備信道設(shè)置為信道2和信道13。

1.2.2 窄帶壓縮

設(shè)置了信道切換功能后，雖然在有1個干擾源的情況下，CBTC通信信道的主備信道切換可確保系統(tǒng)通信安全；但2.4 GHz頻段范圍內(nèi)的13個信道均為向公眾免費開放的信道,無法確保在覆蓋范圍內(nèi)只有1個干擾源。所以只設(shè)置主備信道并不能完全確保CBTC系統(tǒng)的運營安全。為了確保CBTC系統(tǒng)安全,還需其他可讓系統(tǒng)間信道遠(yuǎn)離的方法,窄帶壓縮的解決方案由此而生。

根據(jù)香農(nóng)定理,信道容量與信道載頻帶寬直接相關(guān),帶寬的壓縮將直接導(dǎo)致信道容量的下降。與WiFi、PIS等系統(tǒng)不同,CBTC系統(tǒng)只應(yīng)用于列車與軌行區(qū)間的控制信號傳送,其數(shù)據(jù)量較小，對信道帶寬要求不大,可適應(yīng)窄帶壓縮后的信道帶寬。因此,該方法只適用于CBTC系統(tǒng),但不宜在WiFi或PIS等需要帶寬保證的系統(tǒng)實施。

根據(jù)CBTC系統(tǒng)的5 MHz窄帶壓縮理論要求，將2信道的實際覆蓋范圍由2 401 MHz～2 423 MHz調(diào)整到2 414.5 MHz～2 419.5 MHz,13信道由2 461 MHz～2 483 MHz 壓縮到2 469.5 MHz～2 474.5 MHz(如表1所示)。壓縮之后的2信道與5信道(2 421 MHz～2 443 MHz),以及13信道與10信道(2 446 MHz～2 468 MHz)之間的頻譜主能量分布區(qū)已經(jīng)分離,信道間已基本隔離;而5信道和10信道間隔5個信道,其頻譜范圍也基本不重疊,如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)窄帶壓縮后的WiFi頻譜環(huán)境示意

由圖1可見,經(jīng)過窄帶壓縮處理后,除增加了CBTC系統(tǒng)自身的抗干擾能力之外,其所處的WiFi無線環(huán)境中,互不干擾的信道最大數(shù)量也由原來的3個(1、6、11或2、7、12或3、8、13信道)變成了4個(2、5、10、13信道)。因此,經(jīng)過窄帶壓縮,在軌行區(qū)2.4 GHz環(huán)境中,有可能容納CBTC(2、13信道)、PIS(5信道)、WiFi(10信道)等系統(tǒng)在互不干擾的情況下共同工作。

1.2.3 鎖頻

WiFi信號發(fā)射設(shè)備大多具備信道自動選擇功能。該功能開發(fā)的本意是在信號發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備之間,選擇一個干擾相對較小的信道,避免系統(tǒng)間的干擾。但在地鐵環(huán)境中,該功能的激活將有可能導(dǎo)致發(fā)射設(shè)備(如WiFi設(shè)備)選擇將工作頻率設(shè)置到鄰近的CBTC系統(tǒng)信道,從而威脅CBTC系統(tǒng)的安全運行。因此，建議WiFi系統(tǒng)的發(fā)射信道固定在遠(yuǎn)離CBTC系統(tǒng)工作頻段的信道之上(例如5信道或10信道)。

綜上所述,在地鐵WiFi的建設(shè)、改造過程中,通過對2.4 GHz無線環(huán)境的綜合管理及改造,可實現(xiàn)CBTC、PIS及WiFi等系統(tǒng)在互不干擾的條件下安全共存。

2 地鐵WiFi車地系統(tǒng)設(shè)計及干擾的預(yù)防

地鐵WiFi系統(tǒng)主要由控制中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)和車地傳輸子系統(tǒng)(包含車地?zé)o線傳輸子系統(tǒng)及站間有線傳輸子系統(tǒng))構(gòu)成(見圖2)。其車地系統(tǒng)的建設(shè)是決定其用戶使用體驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖2 地鐵WiFi系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.1 需求預(yù)估

列車車廂內(nèi)空間相對狹小,高峰期人員密度較大,WiFi終端的接入密度較大,通過深圳地鐵WiFi系統(tǒng)前期建設(shè)經(jīng)驗總結(jié),提出以下估算模型。

以B型車為例,滿員(按6人/m2為計算標(biāo)準(zhǔn))情況下,車廂載客量是300人/車廂。超出該人員密度的情況下,列車內(nèi)部過于擁擠,不再適合各種終端操作。因此,估算模型不考慮超出6人/m2密度情況下的WiFi接入,其參數(shù)設(shè)置如表2所示。根據(jù)表2,高峰時車廂內(nèi)覆蓋AP(接入點)需要滿足同時接入216個終端,其中，108個終端并發(fā);每列列車需要滿足1296個終端接入,其中648個終端并發(fā)。根據(jù)高峰時并發(fā)使用的數(shù)量,結(jié)合用戶的業(yè)務(wù)模型及其相應(yīng)的帶寬需求，即可計算出整體帶寬需求(如表3及表4所示)。

表2 列車WiFi使用模型

表3 地鐵WiFi系統(tǒng)業(yè)務(wù)使用模型及單用戶帶寬需求估算

表4 車地傳輸帶寬需求估算

由表3可見,平均每用戶業(yè)務(wù)需求估算值為233.5 kbit/s,進而可以估算出，初期車地?zé)o線傳輸帶寬需求為211.09 Mbit/s。考慮到用戶業(yè)務(wù)模型發(fā)生快速變化的可能性,及地鐵隧道內(nèi)施工的困難度,建議在建設(shè)期盡可能實現(xiàn)車地傳輸帶寬的最大化,避免后期改造擴容的難度(該模型中業(yè)務(wù)及用戶比例數(shù)據(jù)均為預(yù)估數(shù)值,各單位可結(jié)合自身具體情況及統(tǒng)計數(shù)據(jù)做出相應(yīng)調(diào)整)。

如前文所述,WiFi車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)需在列車與軌行區(qū)之間建立1個200 Mbit/s以上的無線傳輸通道。為實現(xiàn)如此大的吞吐量,必須結(jié)合IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)MIMO(多入多出)、信道綁定等技術(shù),建設(shè)基于大帶寬的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)。

2.2 頻段的選擇

目前我國分配給WiFi的頻段有2.4 GHz(2 400～2 483.5 MHz)、5.1GHz、5.3 GHz及5.8 GHz(5 150 ～ 5 350 MHz,5 725 ～ 5 850 MHz)頻段。5.4 GHz頻段尚未放開,暫不能使用?？紤]到2.4 GHz頻段的系統(tǒng)間干擾問題等原因,WiFi車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)不建議采用2.4 GHz頻段。

IEEE 802.11ac技術(shù)支持5 GHz頻段的多信道動態(tài)綁定,且最大可支持160 MHz的信道綁定(由8個20 MHz帶寬的信道組成)。該功能為車地大帶寬無線傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了載頻資源基礎(chǔ)。在IEEE 802.11ac的綁定協(xié)商過程中,如計劃綁定的信道已被使用,則系統(tǒng)會自動協(xié)商降低至與已被使用的信道相匹配的最低標(biāo)準(zhǔn)。例如,系統(tǒng)一要求80 MHz綁定,系統(tǒng)二在該80 MHz頻段范圍內(nèi)要求40 MHz綁定,則綁定能力降至40 MHz。考慮到5.8 GHz頻段已為眾多終端所廣泛支持并使用,為避免車地傳輸信道綁定失敗,不建議采用5.8 GHz頻段用于車地系統(tǒng)建設(shè),宜采用5.1 GHz及5.3 GHz頻段,組成2個80 MHz的綁定信道,以確保系統(tǒng)的運行安全。5 GHz的頻段信道如圖3所示。

圖3 地鐵車地?zé)o線通信的5 GHz 頻段信道

3 結(jié)語

本文通過總結(jié)深圳地鐵WiFi系統(tǒng)建設(shè)過程中的經(jīng)驗,對如何設(shè)計建設(shè)地鐵WiFi車地系統(tǒng),才能在避免系統(tǒng)干擾的同時,滿足廣大乘客的使用需求,做出了初步的分析總結(jié)。雖然,該業(yè)務(wù)在全國地鐵范圍內(nèi)尚未全面開展,缺乏實際運營數(shù)據(jù)的支撐,但通過對系統(tǒng)間干擾的研究和對使用及業(yè)務(wù)模型的積極探索，仍可為未來系統(tǒng)建設(shè)提供經(jīng)驗性的理論及數(shù)據(jù)支撐。

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On the Safety of Train/Ground WiFi Communication for Urban Rail Transit

XU Jia

The issues of inter-system interference encountered in metro WiFi system design and implementation phase are described, the corresponding anti-inteference measures based on CBTC are explained in detail, including channel switching, narrow-band compression and screen lock. The broadband requirements for metro WiFi transmission is calculated by analyzing the estimated user model and business model of WiFi system, the selection of train/ground wireless communication spectrum could provide reference for the construction of metro WiFi sestem.

urban rail transit; wireless fidelity (WiFi); train/ground wireless communication; communication safty

U 285.21

10.16037/j.1007-869x.2016.06.017

2015-10-28)