浅析地铁CBTC无线系统受Wi-Fi干扰带来的启示

李 伟，杨 淼，戴慧玲

（国家无线电监测中心频谱管理研究处，北京 100037）

浅析地铁CBTC无线系统受Wi-Fi干扰带来的启示

李 伟，杨 淼，戴慧玲

（国家无线电监测中心频谱管理研究处，北京 100037）

在分析地铁CBTC无线系统受Wi-Fi干扰事件的基础上，本文简要介绍了CBTC无线系统中常用的车-地无线通信传输方式、调制方式，以及我国对2.4GHz频段的管理要求。最后，从无线电管理角度，深入分析得出此干扰事件的实质就是无线电磁兼容的问题，无线电磁兼容分析的基础就是无线电频谱资源时间、空间和频率这三要素，从而启发我们要充分理解这三要素及它们之间的相互制约关系。

CBTC无线系统；频谱资源三要素；Wi-Fi；无线干扰；2.4GHz

1 引言

2012年11月，深圳地铁蛇口线、环中线多趟列车在运行途中突然紧急停驶，每次暂停时间为一到两分钟，造成大量乘客被迫换乘数次，并滞留于沿线车站。由于类似事件发生次数频繁，引发了公众对轨道交通安全的担忧。深圳地铁集团初步断定故障为乘客随身携带的Wi-Fi路由器干扰了地铁信号系统，造成信号指令异常导致列车急停。

凤凰网、新浪网、南方都市报等各大门户网站及多家媒体对此事进行了转载或报道，Wi-Fi逼停深圳地铁事件一时引起市民议论纷纷，受到社会各界的广泛关注。2012年11月9日，深圳地铁集团通过深圳新闻网就深圳地铁停运发布通告，对因列车紧急制动带来的影响致歉。同时，深圳地铁集团立即成立了调查领导小组、专家组和检测工作组，对故障产生原因进行全面排查、检测和分析。为了方便开展故障排查测试工作，2012年11月15和16日，深圳地铁集团分别通过运营商短信和官方微博发布通知临时关停蛇口线和环中线手机3G信号。

2 MiFi“头号嫌疑犯”

地铁事故发生后，深圳地铁集团在当地无线电管理局的帮助下进行了故障定位测试。在排除各种可能因素后，深圳地铁集团最终将原因锁定在乘客随身携带的Wi-Fi路由器（MiFi）上，并开展了便携式Wi-Fi路由器打开、关闭状态下的对比测试。测试表明：便携式Wi-Fi路由器打开，地铁信号系统指令异常，列车紧急制动；便携式Wi-Fi路由器关闭，地铁信号系统指令正常，列车平稳行驶。由此，深圳地铁集团认为是乘客所使用的便携式Wi-Fi路由器干扰了地铁信号系统。

在2G时代，Wi-Fi路由器连接在室内的ADSL或小区宽带，将有线信号转化为无线信号。如今的便携式Wi-Fi路由器（MiFi）是公众移动通信宽带化发展的产物。MiFi是一个便携式宽带无线装置，大小相当于一只手机，集调制解调器、路由器和接入点三者功能于一身。内置调制解调器可接入一个无线信号，内部路由器可在多个用户和无线设备间共享这一连接[1]。这类便携式Wi-Fi路由器主要用于将3G信号转换为Wi-Fi信号供无线终端使用，其采用的无线标准协议和无线数据传输频段与地铁信号系统都完全相同，分别为IEEE802.11无线协议以及公众免费频段2.4GHz。

3 地铁CBTC无线系统

据深圳地铁集团技术人员介绍，蛇口线、环中线、龙岗线三条线路的地铁信号系统全部使用CBTC（Communication Based Train Control）系统，它是以无线通信技术为基础的列车运行自动控制系统，是当前主流的地铁信号系统[2]。

目前，CBTC系统普遍采用基于IEEE 802.11标准2.4GHz频段的无线局域网（WLAN）技术，其所使用2.4GHz频段的频率范围为2.4GHz-2.4835GHz，该频段以无线局域网业务应用为主，各类应用和用户大量集中，潜在的无线干扰普遍存在[3]。列控系统通过骨干网发送和接收信息，骨干网与沿轨道分布的接入点（AP）连接。AP通过定向天线（或泄漏电缆、裂缝波导管），车载天线等无线传输介质建立车-地无线传输网络，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[4]。

深圳受干扰的蛇口线和环中线采用了定向天线实现与车载天线之间的通信。采用定向天线有如下特性：信号传输方式为自由空间传播，衰耗相对较大并且要考虑不同电磁环境下的防干扰问题；实现空间的重叠覆盖，单个接入设备故障不影响系统的正常工作；轨旁设备少，且安装与钢轨无关，安装和维护比较简便[5]。

CBTC无线系统调制方式主要有三种：跳频扩频方式（FHSS）、直接序列扩频（DSSS）、OFDM（正交频分复用）[6]。FHSS抗干扰能力较强，隐蔽性好；DSSS具有较强的保密性、抗多径衰落以及抗窄带干扰能力；OFDM抗码间干扰能力和数据传输能力较强。深圳受干扰的蛇口线和环中线采用是抗干扰能力最差的调制方式OFDM。

4 国家对2.4GHz频段的管理要求

我国关于2.4GHz频段管理规定主要包括两个文件：一个是《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》（信部无[2002]353号）[7]，另一个是《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》（信部[1998]178号）[8]。2.4GHz频段为不受保护的免执照频段，依据国际通行做法和我国无线电管理规定，符合发射功率限制等技术要求的各类无线电通信设备及工业、科学和医疗等非无线通信设备均可使用。便携式Wi-Fi路由器使用该频段频率是合法的，使用该频段频率的地铁CBTC无线系统如果符合国家型号核准及其他相关要求也是合法的。

而对于如何处理使用2.4GHz频段合法无线电台之间的干扰问题，文件《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》规定：“在该频段内的无线电台站之间产生干扰，原则上不受保护，应自行解决或协商解决。为便于协调而需查找干扰源，可请当地无线电管理机构协助查找”。

因此，根据国家有关规定，在该频段内的无线电台站之间产生干扰，原则上不受保护，应由被干扰方自行解决或双方协商解决。

5 地铁干扰事件的启示

地铁CBTC无线系统被便携式Wi-Fi路由器干扰的原因是多方面的，发生此干扰问题的实质就是无线电磁兼容的问题，无线电磁兼容分析的基础就是无线电频谱资源的三要素（时间、空间和频率）。要解决无线电磁兼容问题，就必须充分理解三要素及它们之间的相互制约关系。

5.1 无线电频谱资源三要素的理解

无线电频谱资源的三要素为：时间、空间、频率。在同一地域，要使得工作在相同频率的无线电通信业务或系统相互不产生干扰，可以通过时间隔离实现，即它们在不同时间段工作。在同一时间，要使得工作在相同频率的无线电通信业务或系统相互不产生干扰，可以通过空间隔离实现，即它们在不同地理区域工作。在同一时间、同一地域，要使得无线电通信业务或系统相互不产生干扰，可以通过频率隔离实现，即它们在不同频率段工作。

一般而言，无线电通信业务或系统，在相同的时间、相同的地点工作在同一频率上，势必会相互干扰。然而，我们需要通过无线电频谱资源的第四维特性（技术手段），解决无线电通信业务或系统之间的干扰问题。比如码域，CDMA系统的扩频码分技术，通过扩频码实现同时同地同频用户的隔离；功率域，通过功率控制或功率分配技术，实现不同无线电通信业务或系统的同时同地同频共存，UWB系统和3G移动通信系统就是一个典型的例子。

5.2 无线电频谱资源三要素的重要意义

无线电频谱资源的三要素，也就是通常所说的电磁环境，它们构成了无线电磁兼容分析的基础。地铁CBTC无线系统与Wi-Fi之间的干扰问题，实质上就是系统兼容共存的边界条件被打破，即原本完美的空间隔离“堡垒”因MiFi的出现而被无情地摧毁。

5.2.1 空间隔离完美解决系统间干扰问题

在2G公众移动通信时代，基于IEEE 802.11协议的Wi-Fi技术十分成熟，广泛应用于大型商业中心、办公区以及家庭环境等场所中，克服了有线网络的弊端，解决了无线宽带接入“最后一公里”的问题，实现了将个人电脑、手持终端（如PAD、手机）等设备以无线的方式接入到网络中。然而，各类无线终端的信号是由有线网络提供，比如ADSL、小区宽带等。无线终端通过无线接入点（AP）连接到有线网络，简单来说AP就是无线终端设备共享上网的无线交换机，它是移动终端用户进入有线网络的接入点。因此，要通过AP实现无线接入，就必须部署有线网络到企业、家庭内部。

当时，CBTC无线系统以国内外通行的2.4GHz频段进行无线数据传输，虽然与Wi-Fi使用的频率一致。但是，一方面2G公众移动通信系统属窄带系统，不能支持移动AP节点，也就没有MiFi这种无线设备的出现。另一方面，地铁运营部门根本不会考虑在地铁空间内部署有线网络，安装AP节点，为乘客提供无线服务。因此，CBTC无线系统完全不会遭受Wi-Fi信号的干扰，即：从空间上对Wi-Fi和CBTC无线系统进行隔离，那么Wi-Fi和CBTC系统在同一时间可以互不干扰地使用开放的2.4GHz频段。此外，城市地铁隧道基坑深度一般为15米至30米，在如此深的地下封闭环境，隔绝了自由空间存在的诸多无线电干扰，使地铁的电磁环境基本可知可控，几乎不存在其他无线电系统的干扰，即使在地铁中可能有与Wi-Fi共用频率的少量蓝牙设备，但因出现几率低以及符合微功率限值，尚不能构成较大的干扰。

5.2.2 空间隔离被无情打破

斗转星移，随着公众移动通信系统的高速发展，公众移动通信逐步走向宽带化，无线移动终端逐步走向智能化。3G，4G新型宽带移动通信技术相继诞生，基于IOS系统、Windows系统、Android系统的智能终端完全占领了手机市场，类似平板电脑、蓝牙、ZigBee等各式各样具有Wi-Fi功能的无线移动设备广泛被公众接受，正大规模使用。随之，出现一种新的无线终端接入网络方式。即：无线终端通过MiFi直接接入到公众陆地移动通信网络。这样，现在的无线终端通过AP不仅能接入到有线网络，还能接入到3G、4G网络之中。

MiFi便捷携带的特性，正好契合人们随时随地能上网的需求。尤其是长时间乘坐公共交通，靠上网聊天看视频等娱乐打发时间。因此，大量MiFi设备被广大市民带入地铁里。此时，运营商的Wi-Fi和地铁CBTC无线系统工作在相同时间、相同地点、相同频率，运营商的Wi-Fi不言而喻地成为了CBTC无线系统不可回避的强干扰源，使地铁内电磁环境限值超出了CBTC系统安全标准。

地铁中的Wi-Fi干扰可分为同频干扰和邻频干扰。这两类干扰会导致CBTC无线系统的信号丢包、误码率增加、降低CBTC无线系统的抗干扰能力，从而引发地铁列车控制故障。所以，探究深圳地铁发生列车暂停故障事件的深层原因是，地铁空间的电磁环境超出了当初CBTC无线系统设计和试验环境的安全限值，而且电磁环境随着乘客使用便携式Wi-Fi路由器功率的大小以及频繁程度而随机变化。可以说，目前地铁CBTC无线系统安全风险日益增高。

5.2.3 再次实现空间隔离

地铁被Wi-Fi逼停的事件，可以说是公众移动通信高速发展带来的新问题。AP接入有线网络演进到AP可以接入无线网络，引发原本在空间隔离的Wi-Fi和地铁CBTC无线系统，又回到了同一空间区域，干扰必将发生。如何降低干扰确保Wi-Fi和地铁CBTC无线系统共存，出发点还是以无线电频谱资源的三个基本要素为总指导原则。

在频率使用上，2.4GHz是非牌照频段，符合发射功率限制等技术要求的各类无线电通信设备及工业、科学和医疗等非无线通信设备均可使用。便携式Wi-Fi路由器和地铁CBTC无线系统使用该频段频率都是合法的。此外，对于已建好的系统，更换频率需要付出沉重的经济代价，临时更换频率这条路走不通。在时间使用上，乘客Wi-Fi和地铁CBTC无线系统同时工作，限制市民在地铁上使用MiFi也是不太现实的。

因此，解铃还须系铃人，解决Wi-Fi对地铁CBTC无线系统干扰问题还是得从空间的维度考虑，即又回到空间隔离上，从源头解决干扰问题。由于车厢顶部两侧、车窗位置区域干扰信号泄露功率较大，因此将车载天线部署于车头正前方，实现干扰信号与有用信号空间上的隔离，减小干扰源的影响。

此外，根据无线电频谱资源的第四维特性，我们通过技术手段解决地铁CBTC无线系统遭受Wi-Fi干扰的问题。在调制方式方面，采用OFDM技术存在较大的干扰隐患，跳扩频技术由于具有较高的扩频增益，在抗干扰性上具有明显的优势，我们可采用跳扩频的调制技术。

6 结束语

地铁CBTC无线系统被Wi-Fi信号干扰，造成列车紧急制动。造成该事件发生的原因是多方面的，它们之间的干扰问题，除了均采用IEEE802.11标准2.4GHz公用频段外，从无线电管理的角度看，实质上就是系统兼容共存的边界条件被打破，即原本的空间隔离不复存在。通过此事告诉我们，不管电磁环境多么复杂，解决干扰问题（电磁兼容问题）的根本还是从无线电频谱资源三要素（时间、空间、频率）出发，充分理解三要素及相互关系。

[1] Citing Song, Bingjun Han, Hai Yu, et al., Study On Coexistence and Anti-Interference Solution For Subway CBTC System and MIFI Devices, Proceedings of IEEE IC-BNMT, 174-180, 2013.

[2] 郑莹．基于无线通信的CBTC研究综述[J]．通信技术，2011,4(12):137-141.

[3] 蔡昌俊．城市轨道交通CBTC系统无线同频干扰应对策略[J]．铁路通信信号，2013, 49(7):74-76.

[4] 刘晓娟．城市轨道交通CBTC系统关键技术研究 [D]．兰州交通大学，2009.

[5] 杨安玉．地铁CBTC无线通信传输方式的工程应用[J]．铁路通信信号工程技术（RSCE)，2012, 9(4):51-53.

[6] 杜成．城市轨道交通CBTC系统2.4GHz无线传输技术的应用研究[J]．铁道标准设计，2013, 3(5):129-133.

[7] 信息产业部．关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知[EB/OL], http://www.srrc.org.cn/NewsShow1363.aspx,2002-08-23.

[8] 信息产业部, 微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定[EB/OL], http://wxd.shaanxi.gov.cn/flfg/glgd6.htm,1998-5.

An Analysis of the Enlightenment from CBTC Wireless System in Urban Subway Interfered by Wi-Fi

Li Wei, Yang Sen, Dai Huiling
(Spectrum Management Research Division, The State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

Based on comprehensive analyzing the event of CBTC Wireless System in Urban Subway Interfered by Wi-Fi, train-wayside wireless communication transmission modes, modulation mode, and national regulatory requirements for the 2.4GHz band are introduced. Finally, from radio regulation aspect, the essence of this interference event is wireless electromagnetic compatibility problem. The basis of wireless electromagnetic compatibility analysis is three elements of radio spectrum resources, time, space and frequency, so as to inspire us to fully understand three elements, and the mutual restriction relation between them.

CBTC wireless system; three elements of spectrum resource; Wi-Fi; wireless interference; 2.4GHz

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.08.016

TN92文献标示码：A

1672-7274（2014）08-0060-04

李 伟，男，博士，湖北人，工程师，通信与信息系统专业。