PIS和CBTC共存WLAN干扰问题的研究

申利民,刘冬香

(广州铁路职业技术学院,广东广州,510430)

PIS和CBTC共存WLAN干扰问题的研究

申利民,刘冬香

(广州铁路职业技术学院,广东广州,510430)

通过分析乘客信息系统（PIS）和列车自动控制系统（CBTC）的功能及无线局域网IEEE802.11a特点，以及通过无线局域网技术（WLAN）技术实现PIS与CBTC双向通信网络带宽需求，详细论证了PIS对CBTC系统的同频干扰、邻道干扰问题，并给出了在工程实现解决上述干扰问题的具体方案。

CBTC系统； PIS系统 ；WLAN；同频干扰

1.PIS和CBTC系统

基于通信的列车控制系统(communication Based Train Control，CBTC)通过建立地面轨旁与列车的实时通信系统，增强对列车的控制与监督，提高了列车的安全性和运输效率，地面设备对列车传输的信息包括：线路特征信息(位置、坡道及曲线)、前方许可的移动授权(目标距离)、限速信息和目标速度等；列车对地面设备传输的信息包括：列车目的地码、车次号、本列车的定位信息及本列车的速度信息等，这些信息都是数字信息，信息编码长度较短，因而CBTC 只要求带宽2 MHz。另外，因CBTC系统直接控制列车的速度和移动，属于安全控制系统，因此，CBTC系统对数据传输的安全性、可靠性和实时性要求级别很高。

乘客信息系统(passenger Information System，PIS)是依托多媒体网络技术，以地铁车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。地面设备对列车传输的信息包括：数字图像资讯信息、列车的紧急疏散信息、列车的预告信息等。列车对地面设备传输的信息包括：列车车厢内的视频监控图像信息、车辆运行状态信息(根据需要)等。这些信息基上都是图像信息，但是为保障列车播放图像的高清晰，目前PIS所需最低带宽为8M，考虑到车辆内部监控还需4M带宽(每列车有多个摄像头，同时只上传两路图像)，平均无线网带宽应在12M左右，带宽是保障图像高质量的最基本要求。PIS系统为非安全系统，其传输数据的安全等级不是很高，即使信息完全中断也不会影响地铁系统的正常运营。

CBTC系统和PIS系统实现双向车地通信均通过在地铁沿线设置无线传输网络设备和天线，以达到实时、无缝地传输车辆和地面之间的图像和数据。在目前绝大多数的城市轨道交通系统中，CBTC系统和PIS都是采用IEEE802.11标准的无线局域网技术实现车地双向通信的。

2. 无线局域网技术

无线局域网 (wireless LAN，WLAN)作为一种成熟的集成通信技术，其最通用的标准是IEEE定义的802.11系列标准，其中802.11a工作在5.8GHz频段，其速率高达54Mbps，分频采用OFDM(正交频分复用)技术，但最高速率的无障碍接入距离降到30~50m；802.11b通常也被称为Wi-Fi(Wireless Fidelity)，工作在2.4GHz频段，可支持最高11Mbps的共享接入速率；802.11g也采用OFDM技术，与802.11a一样可支持最高54MbPs的速率，它工作在2.4GHz频段。

图1 无线局域网的信道分布示意图

图2 CSMA/CA方式成功发送一帧信息的示意图

目前CBTC系统中广泛使用的是基于IEEE802.11g标准的WLAN，频率范围为ISM频段2412MHZ到2484MHz，共划分了14个信道，国内仅使用1~11信道，每个信道的带宽为22MHz，相邻两个信道的中心频率间隔为5MHz，如图1所示。从图1中容易看出，11个可用信道中仅有3个独立信道(互相之间没有重叠频率范围)，分别是1、6和11，这也是无线局域网中经常使用的三个信道。PIS除了使用802.11g标准外，还可以使用802.lla标准，即采用5.8GHz频段。对工作在2.4GHz的CBTC系统会造成干扰，影响列车的正常通信甚至行车安全。

3.PIS对CBTC系统干扰的分析

3.1 同频干扰

列车运行过程中，CBTC系统和PIS的车载与地面AP会分别建立关联，进行无线通信。当CBTC系统和PIS共用2.4GHz频段的相同信道时，两者都需要占用信道进行通信，而通信链路只有一条，无法同时发送数据，对于多个站点同时利用相同信道发送数据帧的情况，则信号在信道上就会发生碰撞或冲突，导致数据发送的失败。MAC层引入了载波侦听多路接入/碰撞避免(CamersenseMultiple Aecess/CollisionAvoidanee，CSMA/CA)机制来解决这一问题。现假设信道没有噪声干扰，即不考虑信道误码引起的重发。

图2即为成功发送一帧数据的时序示意图。发送站从t0时刻侦听信道，如果信道空闲便等待时间Tw，此时信道仍然空闲，发送站便开始组织发送数据，这需要一定的时间Ts，然后信息才能真正发送到介质上，当预检测帧PD发到介质上以后，由于传播时延的存在，真正到达接收站时要延迟TD时间，接收站接收到无误的预检测帧后，便发回应答信息ACK（PD），发送站收到正确的ACK（PD）后，方能确定本次发送没有冲突，续发正式数据M，如果没有收到正确的应答信息，即认为发生冲突，后续数据不发，随机延时等待下一次发送，只要限定条件TW＞TS+2TD=t7−t4，那么另一站发送信息的时刻也不会落在（t7−t4）区间内，便可保证发送正式数据M期间不会发生冲突，即说，若发生冲突，也仅在预检测帧上发生，只要M的平均长度LM远大于检测帧的手法时间，冲突浪费时间久很小，从而使信道利用率提高。

3.2 邻道干扰

当CBTC系统的WLAN和PIS的WLAN使用相邻信道，或信道中心频率间隔小于5的时候，比如1信道和3信道，如图3所示，分别在2412MHz和2422MHz频率上，由于每个信道有22MHz的带宽，会有一部分信道重叠，所以信号之间会产生影响，这个一般称为邻道干扰。信道越接近，重叠部分越大，影响越严重；反之，信道越远，重叠的部分越少，影响越小。

引入干扰因子，干扰因子是衡量信道间干扰情况的一个重要参数，它定量描述了两个信道在整个工作频段上的频率重叠程度。干扰因子的计算方式，归一化的OFDM信号复包络为：

IEEE802.11标准无线网卡发送端和接收端的IF滤波器会对通过的OFDM信号产生影响，使其两侧的功率谱密度大大降低，引入使用的PRISMⅡ网卡IF滤波器频率响应函数：

其中，ω是角频率。引入交叠函数，它代表信道i和信道j在频率F上的交叠成程度：其中，

对该函数在2350MHZ到2550MHZ频段上进行积分，可以计算得出信道i和信道j之间的干扰因子，计算公式如下：

其中olf0是干扰因子的归一化常量，它定义为同信道干扰因子，计算公式如下：

通过计算，获得了表1不同信道间干扰因子。

表1 不同信道的干扰因子

图3 邻道干扰

由表1可以看出，随着信道间隔逐渐加大，信道间干扰逐渐减小。当信道间隔为1时，干扰因子为0.6522，数据传输受相邻信道干扰很大。当信道间隔达到5时，如1信道和6信道之间，干扰因子己经下降到0.0074，但还是不可避免的会有一些干扰。这与实际中干扰的情况基本相符合。

对于处在5.8GHz频段的802.11a而言，可以借助同样的方法来计算其与802.11g某一信道之间的干扰因子。因此，分别将5.8GHz和2.4GHz代入式(2-3)

中计算，两个频段的衰减差值如下式所示:

由此可以判断滤波器的过滤效果很好，高频信号几乎被完全过滤，干扰会很小。

4.应对措施

使PIS 与CBTC两个WLAN 共存将是工程上需解决的问题，主要有如下措施。

（1） CBTC 和PIS 系统采用同一家WLAN 供货商。基于目前W L A N 技术，采用802.11g 的正交频分复用（OFDM） 技术， 最大可提供54 Mbit/s 的传输速率，完全可以满足C B T C 系统和P I S 系统的要求。现在相关系统供货商也在致力于CBTC 和PIS 系统的集成工作，这种方式可节省无线频率资源，节约工程投资，有效避免C B T C和PIS 的相互干扰，避免两家无线供货商之间工程接口上的责任不明确和协调困难。

（2 ）选择不同W L A N 供货商时，分开CBTC 和PIS 系统的使用频段。当系统间出现全波段干扰时，最好的办法是将两个系统用不同的频段隔开，例如：C B T C 使用2 . 4GHz 频段，PIS 系统使用5.8 GHz 频段（5.8 GHz 为付费频段，会增加运营成本）或其他无线频段。这样也能有效地避免干扰，但需申请频段并得到无线电管理委员批准。

（3 ）选择不同W L A N 供货商时，但采用同频段。当两系统采用同频段（如ISM 频段）时可采取以下措施尽量减少相互间的干扰。第一，选择不同天线极化方向。垂直极化无线电波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化无线电波要用具有水平极化特性的天线来接收，当微波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中要产生极化损失，通常都不能有效地通信。因此，若CBTC 用垂直极化天线，PIS就用水平极化天线。第二，规划无线频段。目前，CBTC 系统无线通信和乘客信息系统都使用802.11 标准。根据供货商采用的信道编码技术，尽量地将两个系统使用的频段分开。为了将相同频道和交叠频道干扰的影响降至最低，IEEE 802.11定义并应用了带冲突避免的载波侦听多址协议（CSMA/CA）。另外，在无线信息传输中，信噪比（SNR）必须保持在一定值以上（如6 dB）, 系统才能正确地接收信号，否则将会产生信道的阻塞。两系统的信号相互间被认为是干扰信号，在系统设计时，通过合理布置双方AP 位置，增加AP 移交点处的信噪比，从而达到两系统兼容。

5. 结束语

基于IEEE802.11的WLAN技术的特点，随着信道间隔的增大，干扰因子减小，在信道间隔为5时，干扰因子己经在10-3数量级上；而当PIS和CBTC系统分别使用5.8GHz频段和2.4GHZ频段时，干扰因子大概在10-5数量级上，干扰已经非常小。从成本上和满足实际工程的需求上看，由于CBTC系统本身占用了1、11信道，PIS利用6信道时两者的共存是最为合理的。

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Research on interference between PIS and CBTC in WLAN

Shen Limin, Liu Dongxiang
(Guangzhou Institute of Railway Technology, Guandong Cruangzhou ,510430)

It is analyzed that include the function of passenger information system（PIS） and communication based train control（CBTC）, as well as wireless LAN IEEE802.11 characteristics and bandwidth requirements implementing intercommunication between PIS and CBTC . Co-channel interference and adjacent channel interference of PIS and CBTC are demonstrated in detail , and the specific solution of the interference problem is given out in the project.

CBTC System; PIS System; WLAN; Co-channel interference

申利民（1978-），男， 广东省邵阳人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为无线传感网络，嵌入式系统。

刘冬香（1967-）， 女， 广东省广州市人， 副教授， 硕士，主要研究方向为电力牵引与传动控制。