地鐵CBTC系統(tǒng)WiFi干擾測(cè)試

吳中奇

摘 要：地鐵CBTC信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信采用的是2.4G開放頻段，由于地鐵內(nèi)密集的人流使用各類電子設(shè)備，導(dǎo)致空間場(chǎng)上存在大量的WiFi信號(hào)，WiFi信號(hào)與CBTC處于相同工作頻段，存在互相干擾的可能性，這些干擾信號(hào)可能引起列車CBTC的車地通信失效從而出現(xiàn)緊急制動(dòng)導(dǎo)致列車晚點(diǎn)等狀況，給人們的出行帶來了極大地不便。本文主要介紹了干擾源模擬搭建以及靜態(tài)場(chǎng)景測(cè)試情況。

關(guān)鍵詞：CBTC;無線通信;地鐵;WiFi;干擾測(cè)試

中圖分類號(hào)：U284.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 概述

目前我國地鐵大多采用基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）。CBTC利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)“車～地通信”實(shí)時(shí)傳輸列車位置信息。CBTC的工作頻段為開放的

2.4 GHz頻段。地鐵內(nèi)人流密度大，智能手機(jī)以及各類便攜熱點(diǎn)設(shè)備繁雜，地鐵站臺(tái)上和車廂內(nèi)都存在各式各樣的WiFi信號(hào)，WiFi使用的也是2.4 GHz頻段，所有使用2.4 GHz的設(shè)備均可視為CBTC無線通信系統(tǒng)的干擾源，如果有寬頻帶、大功率設(shè)備的干擾，CBTC的無線通信系統(tǒng)可能無法正常工作，在上海、深圳等地鐵線路中均出現(xiàn)過因信號(hào)干擾暫停運(yùn)行的事件。

一般地鐵公司會(huì)關(guān)閉SSID廣播功能，民用設(shè)備不能搜索到SSID，避免了隨意連接，即使有用戶嘗試連接，由于其專有的安全機(jī)制，非法用戶也不能建立連接。本次測(cè)試主要驗(yàn)證CBTC工作頻率內(nèi)有大量民用WiFi信號(hào)的情況下，CBTC是否能夠正常運(yùn)行。利用多個(gè)大功率WiFi信號(hào)發(fā)生器同時(shí)工作，模擬多人次同時(shí)使用WiFi產(chǎn)生的干擾場(chǎng)強(qiáng)，在不同靜態(tài)場(chǎng)景下，分別測(cè)量CBTC天線接收到的騷擾電壓值和CBTC設(shè)備機(jī)柜附近的空間場(chǎng)強(qiáng)值，并通過CTBC工作狀態(tài)及其性能指標(biāo)來判斷是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生干擾。

1 WiFi信號(hào)模擬源

根據(jù)基本的功率密度的計(jì)算公式：

考慮信號(hào)的在自由空間的衰減，3米處的功率密度為1米處的1/9，再考慮到人的遮擋問題要遠(yuǎn)小于1/10。因此本次 WiFi信號(hào)源模擬只考慮天線附近3米范圍內(nèi)的設(shè)備信號(hào)疊加，預(yù)計(jì)3米范圍內(nèi)列車能容納60人左右。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試手機(jī) WiFi覆蓋強(qiáng)度與無線路由器 WiFi覆蓋強(qiáng)度，二者相差15 dB左右，15 dB=20 lg（路由/手機(jī)）即一個(gè)無線路由器的覆蓋強(qiáng)度近似相當(dāng)于6個(gè)手機(jī)。本次試驗(yàn)同時(shí)利用10個(gè)無線路由器連接并傳輸數(shù)據(jù)來模擬多用戶同時(shí)使用 WiFi功能。計(jì)算機(jī)2到計(jì)算機(jī)10通過10個(gè)路由器的連接和計(jì)算機(jī)1進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，10個(gè)路由器一次連接。為了達(dá)到對(duì)CBTC信號(hào)最大的干擾可能性，10個(gè)路由器均選擇WiFi頻段中1號(hào)信道進(jìn)行通信（該信道與CBTC工作頻段相同）。

2 不同場(chǎng)景干擾測(cè)試

首先把WiFi信號(hào)模擬源放置在CBTC機(jī)柜附近，觀察CBTC系統(tǒng)工作是否正常，如果工作正常，利用天線和測(cè)量接收機(jī)測(cè)試CBTC機(jī)柜附近的WiFi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，通過測(cè)試得到的場(chǎng)強(qiáng)值，指導(dǎo)CBTC設(shè)備在電磁兼容輻射抗擾度試驗(yàn)中所需要使用的場(chǎng)強(qiáng)值;如果CBTC工作不正常，減少 WiFi信號(hào)模擬源中的路由器數(shù)量至CBTC正常工作后，再進(jìn)行CBTC機(jī)柜附近的 WiFi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試。模擬干擾源在CBTC機(jī)柜附近產(chǎn)生的空間輻射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值，場(chǎng)強(qiáng)頻譜圖見圖1。

機(jī)柜附近WiFi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)最大值為135.21（表的讀數(shù)加上天線系數(shù)33.1 dB），根據(jù)換算公式（測(cè)量值/）以及，換算值約為

5.76 V/m。WiFi信號(hào)長(zhǎng)期處于的場(chǎng)強(qiáng)值為120.5，約為1? V/m。WiFi模擬信號(hào)源在機(jī)柜附近產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)最大值與一般EMC輻射抗擾度在2.4 GHz頻段的場(chǎng)強(qiáng)限值5 V/m（EN50121-3-2：2015）接近，只要CBTC信號(hào)設(shè)備能通過電磁兼容輻射抗擾度試驗(yàn)，設(shè)備不會(huì)被WiFi信號(hào)產(chǎn)生的輻射干擾。

將儀表通過射頻三通及衰減器連接至CBTC車載天線與車載設(shè)備之間，將WiFi信號(hào)模擬器放置在站臺(tái)靠近線路側(cè)，測(cè)試WiFi信號(hào)模擬源產(chǎn)生的場(chǎng)被CBTC天線接收的場(chǎng)強(qiáng)值，通過適當(dāng)調(diào)整WiFi信號(hào)模擬源的位置找到接收?qǐng)鰪?qiáng)最大值，在列車停放狀態(tài)下，觀察CBTC工作狀態(tài)。在臨近站臺(tái)上設(shè)置WiFi信號(hào)干擾源，利用本車的車載CBTC天線測(cè)試CBTC接收信號(hào)受到的干擾，測(cè)試結(jié)果如圖2。

在圖中可以看出，CBTC主控端發(fā)射信號(hào)很強(qiáng)，CBTC接收信號(hào)要小于WiFi干擾信號(hào)，其中光標(biāo)M2的值為CBTC接收信號(hào)的電平值為﹣66.5 dBm，WiFi干擾信號(hào)的值為光標(biāo)M1為﹣55.5 dBm。單從頻譜測(cè)量上看，CBTC有用信號(hào)頻段存在WiFi干擾信號(hào)，并與WiFi干擾號(hào)之間有﹣11 dB的信噪比，有用信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒;干擾超過10分鐘，全程CBTC設(shè)備沒出現(xiàn)重啟、主控切換等現(xiàn)象，但CBTC設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸成功率存在低于95%（設(shè)備正常使用的最佳傳輸成功率）的情況。

兩輛列車交匯停放，將WiFi信號(hào)模擬器放置在其中一輛列車內(nèi)，并利用另一輛機(jī)車內(nèi)CBTC天線，測(cè)試WiFi信號(hào)模擬源產(chǎn)生的場(chǎng)被CBTC天線接收的場(chǎng)強(qiáng)值，通過適當(dāng)調(diào)整WiFi信號(hào)模擬源的位置找到接收?qǐng)鰪?qiáng)最大值，并觀察CBTC工作狀態(tài)。在臨近?？康牧熊嚿显O(shè)置WiFi信號(hào)干擾源，利用本車的車載CBTC天線測(cè)試CBTC接收信號(hào)受到的干擾，測(cè)試結(jié)果如圖3。

在圖中可以看出，CBTC主控端發(fā)射信號(hào)很強(qiáng)，CBTC接收信號(hào)與WiFi干擾信號(hào)比較接近，其中光標(biāo)M2的值為CBTC接收信號(hào)的電平值為﹣65.5 dBm，WiFi干擾信號(hào)的值為光標(biāo)M1為﹣68.5 dBm。單從頻譜測(cè)量上看，CBTC有用信號(hào)頻段存在WiFi干擾信號(hào)，并與WiFi干擾號(hào)之間有3 dB的信噪比;干擾持續(xù)超過10分鐘，全程CBTC設(shè)備沒出現(xiàn)重啟、主控切換等現(xiàn)象，但CBTC設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸成功率存在低于95%的情況。

在車載CBTC設(shè)備通過相關(guān)電磁兼容檢測(cè)的情況下，不會(huì)受到WiFi信號(hào)在設(shè)備機(jī)柜附近產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的影響;WiFi信號(hào)在CBTC工作頻段存在較大同頻率騷擾， CBTC設(shè)備在存在騷擾的情況下，依靠自身抗干擾性能，試驗(yàn)期間工作正常，未出現(xiàn)緊急制動(dòng)、自動(dòng)切換主控端的現(xiàn)象。

3 結(jié)語

無線局域網(wǎng)技術(shù)還在飛速的發(fā)展，公用頻段通信網(wǎng)絡(luò)的各類電子產(chǎn)品也越來越多，地鐵空間內(nèi)的電磁環(huán)境更越發(fā)復(fù)雜，地鐵高峰時(shí)刻乘客異常擁擠，同時(shí)也就伴隨著大量的WiFi信號(hào)，會(huì)干擾地鐵CBTC的無線通信系統(tǒng)，輕者性能下降重者可能會(huì)影響行車。這對(duì)CBTC系統(tǒng)來說將是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。因此，我們有必要合理規(guī)劃頻段，避開公用無線網(wǎng)絡(luò)可能帶來的不安全因素。另外也可以考慮應(yīng)用新型無線傳輸技術(shù)來避免無線干擾帶來的風(fēng)險(xiǎn)。只有這樣，才能保障地鐵安全高效地運(yùn)營。

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