地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)中防WiFi干擾的措施

石軍

摘 要 近年來CBTC列車控制系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營中發(fā)揮著重要作用，但隨著移動WiFi的廣泛應(yīng)用，對CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯干擾。本文先簡要分析WiFi信號對地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因，并在此基礎(chǔ)上提出地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)中防WiFi干擾的可行性措施，為地鐵的健康運(yùn)營與管理提供一定理論參考。

關(guān)鍵詞 地鐵；CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)；WiFi干擾；預(yù)防措施

中圖分類號 TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）200-0124-02

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，地鐵因其高速、便捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢迅速在城市公共交通領(lǐng)域占據(jù)重要位置，并且成為緩解各個城市交通擁擠問題的關(guān)鍵工具。地鐵的順利運(yùn)行主要依靠其核心控制系統(tǒng)即信號系統(tǒng)，其中基于通信的移動閉塞系統(tǒng)CBTC因具有良好的信息傳輸速度與巨大的信息傳輸量，并且性價比高等優(yōu)點(diǎn)，在短時間內(nèi)成為各個城市地鐵建設(shè)中廣泛使用的無線系統(tǒng)。地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)在信息傳輸過程中使用的是2.4GHz開放頻段，無需審核或付費(fèi)，在地鐵運(yùn)行過程中的任何時間都能使用。

在當(dāng)今信息技術(shù)時代，在各類移動終端中使用WiFi已成為日常普遍現(xiàn)象之一，為了方便人們在無WiFi熱點(diǎn)鋪設(shè)的地點(diǎn)也能上網(wǎng)，運(yùn)營商開發(fā)出各類便攜WiFi設(shè)備，因此在人流量巨大的地鐵空間中經(jīng)常有不同的WiFi信號，此類信號使用的也是2.4GHz開放頻段，對地鐵的CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)帶來很大干擾，在上海、深圳等地鐵線路中均出現(xiàn)過因信號干擾被近暫停運(yùn)行的事件，對地鐵的安全穩(wěn)定運(yùn)營帶來很大隱患。

1 WiFi信號對地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因

CBTC屬于十分先進(jìn)的基于無線通信的列車信號控制技術(shù)，在國內(nèi)各大城市的軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而WiFi也是當(dāng)前人們?nèi)粘３鲂兄胁豢扇鄙俚木W(wǎng)絡(luò)工具，幾乎每個人每天都會用到這一工具。地鐵中使用CBTC系統(tǒng)可以大幅提高其運(yùn)行效率，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，由于大量乘客攜帶具有WiFi功能的電子產(chǎn)品搭乘地鐵，該系統(tǒng)受WiFi信號干擾的現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生，造成地鐵的通信質(zhì)量受到影響，甚至多次出現(xiàn)地鐵被迫急停的后果，這一現(xiàn)象還有日益增加的趨勢，因此，解決WiFi信號對地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾問題刻不容緩。這就需要了解WiFi信號對地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的主要原因。

首先，WiFi信號分布極其廣泛，當(dāng)大量移動用戶使用WiFi連接服務(wù)時，該信號需求就會與CBTC系統(tǒng)爭奪數(shù)量有限的無線信道，進(jìn)而雙方之間產(chǎn)生相互干擾作用。并且無論其使用頻段是否與地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)頻段是否一致，因?yàn)镃BTC系統(tǒng)的主要接口方式中會用到WLAN技術(shù)，該技術(shù)與WiFi技術(shù)特征很像，一旦CBTC系統(tǒng)周邊存在WiFi信號，就會受到其同頻或鄰頻干擾，導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼率增加、抗干擾能力減弱及信號包丟失等情況，甚至?xí)笴BTC系統(tǒng)的通信能力完全喪失。

其次，由于地鐵CBTC系統(tǒng)的AP與移動通信系統(tǒng)的WiFi處于相同空間內(nèi)，并且兩者的覆蓋范圍出現(xiàn)重疊性。在正常情況下兩套系統(tǒng)內(nèi)的AP間不會出現(xiàn)干擾，但當(dāng)移動用戶數(shù)量不斷增加的過程中，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量急劇增加，此時乘客使用的WiFi信號AP就會對地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)AP產(chǎn)生一定干擾。

2 地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)中防WiFi干擾的可行性措施

可以從以下4個方面預(yù)防WiFi干擾地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.1 合理分配無線電頻譜資源的時間、空間與頻率三要素

地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)中受到WiFi干擾主要與無線電頻率譜資源的三要素時間、空間及頻率有關(guān)，并且三要素既有獨(dú)特性又有相互制約性，為了減少WiFi干擾，必須同時從3個要素的角度出發(fā)，制定合理的改善對策。

2.1.1 時間方面

客觀來講，當(dāng)?shù)罔FCBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)與WiFi信號處于地鐵這一相同空間內(nèi)時，無論兩者的工作頻率是否一致，都可能會出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象，尤其是當(dāng)兩者的工作時間相同時，這種干擾可能會達(dá)到發(fā)生概率最大且效果最嚴(yán)重的程度，為了避免這一情況，可以通過時間隔離實(shí)現(xiàn)地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)防WiFi干擾的目標(biāo)，合理調(diào)整兩種系統(tǒng)信號的工作時間，使其工作狀態(tài)處于不同的時間段。從實(shí)踐預(yù)期來看，這一措施的應(yīng)用難度相對較大，在地鐵運(yùn)行過程中必須使CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)處于實(shí)時工作狀態(tài)，只能調(diào)整WiFi信號源的工作時間，但這類信號源通常與各類乘客有關(guān)，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的復(fù)雜性、多樣性和動態(tài)性，很難制定全面的政策規(guī)范其使用WiFi的時間。因此，這一措施只能從道德等非強(qiáng)制性層面應(yīng)用，具體實(shí)踐效果與地鐵乘客的個人素質(zhì)及管理機(jī)構(gòu)出臺的地鐵乘坐制度有很大關(guān)系。

2.1.2 空間方面

當(dāng)AP可以接入無線網(wǎng)絡(luò)之后，地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)WiFi處于同一空間區(qū)域，與地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)被WiFi信號干擾的本質(zhì)就是無線系統(tǒng)兼容共存的邊界條件遭到破壞，導(dǎo)致原本隔離兩類信號的空間受損，雙方失去了明顯的界限，干擾必然發(fā)生并且非常明顯。為了防止WiFi對地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，必須從空間隔離的源頭出發(fā)。在實(shí)際調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)，地鐵車廂頂端兩側(cè)和車窗附近等部位最容易泄露干擾信號，并且泄露出的干擾信號功率明顯高于其他部位泄露出的信號功率，所以可以通過把信號源設(shè)備轉(zhuǎn)移空間的做法減少WiFi干擾，比如可以將地鐵的車載天線安置在地鐵車頭的正前方，提高地鐵無線控制信號和WiFi干擾信號間的相互隔離效果。

2.1.3 頻率方面

WiFi干擾地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)的類型包括同頻干擾和鄰頻干擾兩種，無論哪一種干擾方式都會造成CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)的信號丟包后果，造成系統(tǒng)誤碼率大幅增加，從而導(dǎo)致CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)一步降低，最終引起地鐵出現(xiàn)暫停等控制故障。為了防止這類干擾，必須從改善信號頻率的角度入手。endprint

在同頻干擾中，由于地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)和WiFi信號都是采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz公用頻段，因此產(chǎn)生相互干擾的概率更大，可以通過改變其中一種信號頻率的方式避免這一情況，在此過程中可以在有必要的情況下請當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)機(jī)構(gòu)協(xié)助解決。比如可以通過擴(kuò)頻碼技術(shù)完成對同一時間同一地點(diǎn)及同一頻率的信號隔離，或者利用功率控制及功率分配技術(shù)使得同一頻段的不同信號能穩(wěn)定共存，并且彼此不交叉影響。

在鄰頻干擾中，可以通過進(jìn)一步擴(kuò)大不同信號間的工作頻率差達(dá)到減少干擾的目標(biāo)，由于WiFi信號的頻段相對固定，地鐵控制技術(shù)人員可以開發(fā)出與其頻段不相鄰的地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)最佳應(yīng)用頻段，通過頻率完成不同信號間的有效隔離，進(jìn)而減少相互影響。

2.2 保證CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)充分的冗余備份

保證CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)充分的冗余備份可以大大提高地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)防WiFi干擾的效果，在地鐵CBTC中一般是通過兩套完全獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)將其接入無線系統(tǒng)，如果可以同時選擇通過第1和第13頻率作為信號的傳輸應(yīng)用信道，CBTC內(nèi)的控制命令會在兩套各自獨(dú)立的系統(tǒng)中分別傳輸，只要有一套系統(tǒng)傳輸成功就能使地鐵控制命令正常發(fā)揮作用。由于其中使用的是兩個獨(dú)立信道，其中一個信道可以作為冗余備份信道，這樣能夠大幅減少地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)受到WiFi干擾的概率，進(jìn)而從根本上提高地鐵通信的可靠性與穩(wěn)定性。

2.3 采用定向天線強(qiáng)化有用信號并弱化干擾信號

可以在地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)安裝過程中采用小角度的高增益定向天線，以此強(qiáng)化來自軌道方向的有用信號并弱化干擾信號，提高載干比。還可以通過車載雙天線的方式全面消除WiFi多徑干擾信號。

2.4 借助社會各界力量提高地鐵搭乘管理水平

WiFi信號是地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)中通信傳輸?shù)闹饕蓴_類型，而WiFi又是當(dāng)今人們廣泛使用的工具之一，為了在最大程度上避免其對地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)使用產(chǎn)生不良干擾，需要社會各界力量共同配合努力，地鐵相關(guān)管理部門應(yīng)該對其無線系統(tǒng)的應(yīng)用構(gòu)建更加完善且嚴(yán)格的制度體系，統(tǒng)一規(guī)劃地鐵上公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用情況，平衡網(wǎng)絡(luò)資源。與此同時，政府可以通過公益廣告等方式為乘客提供安全意識教育及公德心教育，提醒乘客在乘坐地鐵期間盡量減少對WiFi設(shè)備的使用，并構(gòu)建全面的相互監(jiān)督機(jī)制，鼓勵乘客們彼此監(jiān)督，避免WiFi干擾引發(fā)地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)運(yùn)行遇障。

3 結(jié)論

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)西方發(fā)達(dá)國家的地鐵中也廣泛使用了CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)，但是很少有該系統(tǒng)被其他信號干擾的報(bào)道。我國地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)被WiFi信號干擾的現(xiàn)象卻日益嚴(yán)重，并對地鐵的正常運(yùn)營帶來諸多故障。在此情況下，詳細(xì)分析雙方產(chǎn)生干擾作用的根源，深入查找出現(xiàn)干擾的原理，才能對癥下藥，找出最有效的解決對策，提高我國地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)的安全性。隨著地鐵及移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不斷更新與進(jìn)步，未來可能會出現(xiàn)更多干擾問題，需要通信工作者繼續(xù)深入研究，掃除地鐵CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)發(fā)展中的更多現(xiàn)實(shí)障礙。

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