城市轨道交通CBTC系统2.4 GHz无线传输技术的应用研究

杜 成

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

城市轨道交通CBTC系统2.4 GHz无线传输技术的应用研究

杜 成

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

鉴于采用IEEE802.11标准ISM2.4GHz开放频段基于通信的列车控制系统(CBTC)在城市轨道交通应用中被外界采用相同标准和频谱的WiFi信号干扰,而造成停车事故,影响列车正常运营;为此,通过对CBTC系统采用的无线传输技术分析和研究,提出目前CBTC系统无线传输技术存在的问题和无线干扰处理方法及未来城市轨道交通CBTC系统车地无线通信技术的发展方向。

CBTC;WiFi;ISM2.4GHz;无线干扰

1 概述

目前,城市轨道交通基于通信的列车控制系统(CBTC)均采用IEEE802.11标准ISM2.4GHz频段。由于2.4 GHz频段是一个全球性免费开放频段,使用无需审批及付费,只需遵守一定无线电规则即可。基于2.4 GHz开发的产品具有全球通用性,因此,该频段用户量极大,在通信领域,各厂商均针对2.4 GHz开放频段开发多种应用产品和技术,产品主要有数字无绳电话、、无线鼠标、无线键盘、无线耳机、微波炉等,技术主要包括无线网络技术、蓝牙技术、无线上网(WiFi)和封闭协议通信技术。目前,基于2.4 GHz的产品和技术的使用范围也迅速扩大,当这些设备与CBTC系统处于相同的环境同时工作频点重叠时,就不可避免地对CBTC无线传输系统产生同频干扰。由于ISM2.4GHz频段内无线电台之间产生的干扰,原则上不受保护,因此,有必要对CBTC系统采用的无线传输技术进行抗干扰分析和研究,确保CBTC信号系统的正常运行。

2 基于2.4 GHz无线传输技术介绍

20世纪90年代,无线通信技术与计算机网络相结合产生了无线局域网(WLAN)技术。WLAN是指采用无线介质传输的计算机局域网,采用的标准是IEEE802.11系列,可为移动用户提供高效、优质、低成本的宽带接入业务。Wi-Fi为Wireless Fidelity的缩写,意思为无线局域网。由于Wi-Fi产品遵循IEEE所制定的802.11系列标准,所以一般的802.11系列标准都属于Wi-Fi。

2.1 2.4 GHz频谱介绍

WLAN建设中广泛使用的是802.11b和802.11g协议。根据IEEE 802.11b及国家相关标准的规定, WLAN工作频段为2.4～2.483 5 GHz,可提供1、2、5.5、11 Mbit/s的自适应速率,在2.4 GHz的ISM频段上共有14个频宽为22 MHz的频道可供使用,其中共有13个子信道,这13个子信道是互相重叠的,只有3个频点是相互之间没有重叠,可以同时使用的,就是一般的1、6、11信道。由于只有3个互不干扰的频道可供选择,且此频道公开,任何运营商、企事业和个人用户均可使用这几个频道,增加了WLAN无线网络的干扰。802.11b/g各频道之间的频率划分方式如图1所示。

图1 2.4 GHz频率划分

2.2 2.4 GHz无线技术传输机制

基于IEEE802.11标准的2.4 GHz无线传输系统采用载波监听/冲突避免(CSMA/CA)访问机制,即采用先听后讲机制,先确定信道未被占用,再发送数据,当信道被占用时,则继续等待空闲时间发送数据,即在1个信道中每时刻仅存在1个用户在占用信道,同时每个用户占用信道时间和机会都是公平的。如果1个终端需要使用WLAN进行通信时,首先要监听信道,这时就会出现2种情况。一是如果信道当时有人在使用,就一直监听下去直到信道空闲。二是如是信道空闲,就使用这个信道,此时信道被占用。由于WLAN是采用竞争的,终端竞争到就完全使用该信道,使用完后终端继续竞争。如果2个终端使用相同信道,竞争会使接收端性能退化,吞吐性能下降。而同时,同临频干扰产生波形的叠加或者衰落,导致接收端无法准确识别、还原信号,大量数据重传更增加了带宽开销,使无线网络的传送性能更加恶化。

2.3 调制方式和抗干扰措施

ISM2.4 GHz频段是世界范围内的通用和开放频段,该频段也因此存在许多来自各种不同系统的干扰信号,干扰影响的大小与干扰的形式、频率和强度等诸多因素有关,特别是ISM2.4GHz频段的IEEE802.11b/g系统,由于会受到许多干扰源的影响,其物理层的性能会下降。为了提高设备的抗干扰能力,增强无线网络的可用性,2.4 GHz无线通信技术一般采用干扰抑制和干扰躲避的方法来实现,通常采用的技术包括直接序列扩频(DSSS)、跳频扩频(FHSS)和正交频分复用(OFDM)技术,相关具体工作原理介绍如下。

(1)直序扩频技术:是指把原来功率较高,而且带宽较窄的原始功率频谱分散在很宽广的带宽上,使得在整个发射信号利用很少的能量即可传送出去。它直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱,而在收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

直接序列扩频的优点为:①直扩系统射频带宽很宽,小部分频谱衰落不会使信号频谱严重的畸变;②抗干扰性强,即使以同类型信号进行干扰,在不知道信号的扩频码的情况下,由于不同扩频编码之间的不同的相关性,干扰也不起作用;③隐蔽性好,信号在很宽的频带上被扩展,单位带宽上的功率很小,信号功率谱密度很低,隐蔽性好,对于其他电信设备构成干扰小;④易于实现码分多址(CDMA),充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性,分配给不同用户不同的扩频编码,可以区别不同的用户的信号,从而实现了频率复用,使拥挤的频谱得到充分利用,实现多址通信;⑤抗多径干扰,利用扩频编码之间的相关特性,在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号,也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强,从而达到有效的抗多径干扰;⑥通信速率高,直扩通信速率可达2,8,11 M,无须申请频率资源,建网简单,网络性能好。

(2)跳频扩频技术:跳频扩频就是用扩频的码序列去进行移频键控(FSK)调制,使载波的频率不断地跳变。当传送数据时,根据收发双方预定的协议,在一个频道传送一定时间后,就同步“跳”到另一个频道上继续通信。在接收端,用与发送端完全相同的本地发生器产生的扩频码进行解扩,通过解调正确地恢复原有的信息。

调频扩频技术的优点为:①具有抗单频及部分带宽干扰的能力,当跳变的频率数目足够多时,跳频带宽足够宽时,其抗干扰能力很强;②利用载波频率的快速跳变,具有频率分集的作用,从而使系统具有抗多径衰落的能力;③利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统,共享频谱资源,并具有承受过载的能力;④跳频系统无明显的远近效应,大功率信号只在某个频率上产生远近效应,当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。

(3)正交频分复用技术:OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。OFDM在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输,由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱相互重叠,这样就减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。

OFDM技术优点为:①在窄带带宽下也能够发出大量的数据,信道利用率高,可最大的利用频谱资源;②能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,能动态地与之相适应,保证持续地进行成功的通信;③自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信;④可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,系统总的误码率小。

3 CBTC系统无线传输技术应用介绍

目前,CBTC无线传输系统均采用符合或基于IEEE802.11标准ISM2.4 GHz频段的无线通信技术,通过在轨旁布置AP,漏缆、天线或波导、车载安装移动电台和天线等无线传输介质建立车地冗余无线(WLAN)传输网络,实现轨旁设备与车载设备双向、实时的信息交互,完成对列车连续控制。车地无线网络布置如图2所示。

图2 车地无线网络布置示意

CBTC系统无线传输技术一般采用2种传输制式:(1)一种为符合IEEE802.11b/g标准ISM2.4 GHz频段的标准无线通信协议,空间传输的信息基于IP地址,无线调制方式通常采用DSSS、FHSS、OFDM以此来提高系统的抗干扰能力,采用的其他抗干扰措施还包括无线冗余覆盖、编码技术、多址技术、信号检测技术、实时处理技术、无线链路预算、分级传输/接收等;(2)另外一种为基于IEEE802.11b/g标准ISM2.4 GHz频段的私有协议,空间传输的信息不基于IP地址,通过对系统设备的物理层和MAC层进行改进,将无线信道进行特殊划分,不同于IEEE802.11标准。无线调制方式一般采用DSSS或FHSS制式,通过增加有效传输时间、实时处理技术、容错能力、无线冗余覆盖和无线链路预算等技术来提高系统的抗干扰能力。

4 CBTC系统无线传输技术存在的问题

4.1 背景介绍

调查显示,2012年7月以来,深圳地铁蛇口线和环中线列车陆续因信号系统受干扰发生暂停故障。11月以来,由于发生次数频繁,引发了各界对地铁安全运行问题的普遍关注。调查的初步结论是:乘客随身的WIFI干扰了地铁信号系统的车-地通信,造成指令异常导致列车急停。

据悉,故障发生后,深圳地铁集团在当地无线电管理局的配合下进行了故障定位测试,在排除各种可能因素后,将原因锁定在乘客随身携带的WIFI路由器(WIFI),开展了便携式WIFI路由器打开、关闭状态下的对比测试。测试表明:便携式WIFI路由器打开,信号系统指令异常,列车急停;便携式WIFI路由器关闭,信号系统正常。由此经过故障分析确认是便携式WIFI路由器干扰了信号系统。

4.2 CBTC系统2.4 GHz无线传输技术干扰分析

4.2.1 无线干扰的类型

(1)按照干扰机理分类

无线干扰可以定义为影响通信的一种信号,当干扰信号进入接收机时,会影响正常的判决过程。根据其形成机理,可以分成2种类型:一种为加性干扰,一种是乘性干扰。加性干扰可以视为类噪声源,包括来自其他相似系统、本系统内部或者元件非线性产生的噪声,主要包含同频干扰、邻频干扰、互调干扰、码间干扰(ISI)、远近效应等类型;而乘性干扰是由无线系统中信号的反射、衍射和散射而导致的多径效应产生。

(2)按干扰来源分类

系统外干扰:系统外干扰是指来自其他系统的干扰。例如ISM频段存在大量无线设备,每个系统都可能承受来自其他系统的干扰。

系统内干扰:系统内干扰是无线通信中的另一类主要干扰,其产生原因是同一无线通信系统内,由于多个用户要求同时通信,而又不能完全隔离彼此信号而引起的干扰。

4.2.2 2.4 GHz无线干扰分析

临床疗效：参照AB Miller WTO 《癌症疗效判定》[3]进行疗效判断：分别为完全缓解(CR)、部分缓解(PR)、稳定(SD)以及病情进展(PD)，治疗有效率为(CR+PR)/总人数×100%。跟踪随访：随访2年，无进展生存时间指治疗有效后未发展至病情进展时间。不良反应：参照美国国立癌症研究所制定的通用药物不良反应标准[4]，划分为Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ 、Ⅳ、Ⅴ级，按由轻到重评定。

由于CBTC无线传输系统采用IEEE 802.11标准ISM2.4 GHz频段的无线局域网工作在无线开放空间,信号传播具有不确定因素;而且ISM频段的频率资源使用不需要牌照。因此其无线传输信道与其他采用同频段设备的信道重叠时,信号必然会受到干扰,并以带内干扰为主。

目前在2.4 G频段内的设备主要有:Bluetooth、ZigBee、Wifi、WirelessUSB、无绳电话、微波炉等。Bluetooth的工作范围一般在几米到十几米,物理层采用跳频,跳频范围大,传输功率小,零星使用不会形成大的干扰;ZigBee(2.4 G)面向短距离、低速率、低功耗的应用,一般传输功率不大,也很少民用,形成干扰的可能性不大;WirelessUSB和无绳电话一般是近距离和低发射功率的应用,该类产品的管理不大严格,大功率的产品流入市场的可能性存在,但目前尚未发现大的影响。应该说,目前最主要的影响因素还是采用802.11标准系列的Wifi无线设备自身,一方面设备数量庞大,另一方面设备的发射功率还可能比较高(可至500 mW或更高)。随着技术的发展,社会对于无线资源的利用会越来越广泛,在公开频段下的干扰是很难预测和回避的。

Wifi设备之间形成的干扰还可以分为非协议干扰和协议干扰。非协议干扰主要以不能识别的信号来呈现,可通过信噪比来衡量信号干扰的强度。协议干扰则有所不同,协议规定了无线信道的访问方式,一方占用时,另一方只能等待,与信噪比并不关联。

CBTC车地无线传输系统与乘客信息系统(PIS)为工作在在同一频段内的兼容性系统,如果管理不好或者系统本身的性能或者质量不好,也可能会产生严重干扰。

由于基于IEEE802.11标准的ISM2.4 GHz频段的无线传输技术采用CSMA-CA机制,在同一区域内,同信道设备越多,竞争就越激烈,竞争开销就越大,而系统实际可享用的传输带宽就越小。具体说来,多辆列车都要与地面通信,就会争抢信道资源,而同一时刻地面只能与一辆列车通信,其他的只能延后,这就造成系统内的延时干扰。轨道线路附近其他的ISM频段的无线网络,也会对车地通信产生干扰。比如其他WLAN、蓝牙用户,甚至微波炉的使用,由于它们的工作频率都有重叠,所以会对CBTC无线传输系统造成干扰导致无线通信中断,而发生列车非预期停车的事故。

5 2.4 GHz无线传输技术抗干扰解决方案

(1)方案1:采用基于IEEE802.11标准的私有协议

从技术上来说,802.11协议由物理层和MAC层组成。物理层可以采用抗干扰能力强的调制解调技术(如DSSS、FHSS等),MAC层可以通过修改媒体访问协议以提高无线信道的使用优先级等方法来优化2.4G的数据传输,可以通过增强编解码的方式来取得额外的处理增益。也可以采用综合的方法来提高抗干扰的能力,包括采用特殊分频、增强系统容错能力、实时传输能力、增加无线链路冗余预算等,以尽可能降低或抑制同频内其他设备无线干扰带来的影响。

(2)方案2:采用专用无线频谱和专网技术

第2种解决方案为城市轨道交通CBTC系统采用专用的无线频谱和专网技术,以此来彻底解决CBTC无线干扰问题,保障列车的正常运行。

6 CBTC系统无线传输技术应用的前景分析

6.1 既有无线传输技术的局限性

由于目前CBTC系统车地无线传输系统均采用2.4 GHz公用频段,虽然可通过采用基于IEEE802.11标准的私有协议来改善或降低2.4 GHz频段内其他无线信号对CBTC系统的干扰,但仅在一定程度上“抑制”了干扰,还不能彻底规避无线干扰,因此并不能从根本上解决实际上存在的干扰问题,还需对应用在地铁环境中其他采用ISM频段的设备采取必要限制措施,以保证CBTC系统的正常运行。

6.2 未来无线传输技术应用分析

随着时代的进步,科学技术的发展,人们对网络需求的飞速增长,移动互联网的爆发催生了3G+Wi-Fi大规模进入地铁,运营商Wi-Fi成为CBTC系统不可回避的强干扰源,使地铁内电磁环境限值超出CBTC系统安全标准,同频干扰将不可避免,这样会导致CBTC系统车地无线传输发生丢包、误码率增加、降低CBTC系统的抗干扰能力,导致车地无线通信中断,从而造成非预期性停车的事故。随着将来各种基于WiFi技术的产品在地铁领域中大量的应用,使得基于IEEE802.11标准ISM2.4 GHz频段的CBTC无线传输系统受到干扰的可能日益增加,将不能满足CBTC系统正常运行的需求。

另外,将来城市轨道交通CBTC系统将向高速化、大密度和低成本的方向发展,这就要求车地无线传输系统具有大容量、高吞吐率、快速移动切换和多业务统一承载的能力,以满足车地无线通信的更高需求。现有的基于2.4 GHz无线传输技术由于其本身的性能限制将不能满足未来城市轨道交通CBTC系统车地无线通信业务的需求。因此,为了保证CBTC系统的正常运行,避免无线传输系统受到干扰,将来的CBTC系统无线传输技术将采用专用的授权频段和专网技术,是CBTC系统日后发展的必然结果和趋势。

7 结论

随着无线技术的迅猛发展,越来越多采用ISM频段的无线产品的应用领域会进一步扩大而变得不可控,将不可避免地增加无线彼此干扰的可能性,对传统采用ISM2.4GHz频段的CBTC车地无线通信的安全带来越来越大的危害。因此,城市轨道交通基于通信的列车控制系统亟待采用必要的无线抗干扰技术、合理的频点规划、无线设备限制使用等措施来减轻或抑制无线干扰;或采用新的无线频谱和无线传输技术来彻底解决无线干扰造成的危害,这样才能最大限度地发挥CBTC系统的优势,提高运营效率。

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Application Research on 2.4 GHz Wireless Transmission Technology of CBTC System used in Urban Rail Transit

DU Cheng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Communication-Based Train Control System(CBTC)with IEEE802.11 standard ISM2.4GHz opening frequency band in urban rail transit system is often interfered by WiFi signal with the same standard and same spectrum used in the outside,then the shutdown accident may be caused by this interference and the normal operation of the train will be influenced.To solve this problem,through analysis and research on wireless transmission technology adopted in CBTC system,the author points out the existing problems in wireless transmission technology and the solutions for the wireless interference, also proposes the development direction of the train-ground wireless communication technology of CBTC system used in urban rail transit system in future.

CBTC;WiFi;ISM2.4GHz;Wireless interference

U231+.7

A

1004-2954(2013)03-0129-04

2013-01-10

杜 成(1970—),男,高级工程师,2003年毕业于兰州交通大学自动化专业,工学学士,E-mail:dc3559@126.com。