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摘要：在国内轨道交通信号系统车地通信不可避免的受到其他无线频段的干扰，使部分城市轨道交通线路发生了无线频率干扰导致车地通信中断、影响列车正常运营的事件。为了更好了解轨道交通信号车地通信干扰问题，本文在不同技术标准方案、传输媒介、传输制式、干扰源研究分析，为信号系统车地通信媒介、系统方案设计、干扰源提供了参考依据。
关键词：信号系统：车地通信：抗干扰：研究分析
现阶段，国内城市轨道交通CBTC系统车地通信采用WLAN技术，并均工作于2.4GHz ISM频段，该频段为开放频段，随着无线通信技术的发展推广、应用范围不断扩大，CBTC车地通信受到民用WIFI设备等同频干扰风险日益增加，中国城市轨道交通协会和北京、上海、浙江、河南等省市城市轨道交通建设单位以及多家信号系统设计单位、系统供货商对车地通信干扰问题进行了大量的分析、研究、试验工作。
1传输媒介研究
基于无线通信技术的移动闭塞系统，地通信采用无线局域网技术。国内主要供货商大多采用IEEE802.11系列标准的扩频或正交频分调制技术，但无线通信采用的传输媒介不尽相同。下面对基于无线通信ATC系统采用的几种车地传输媒介抗干扰分析研究及比较。
城市轨道交通项目中，通常轨道交通的线路设计有地下、地面和高架三种形式，每条线路的线路形式有可能是其中单独的一种形式，也可能是几种形式的组合。基于无线通信的移动闭塞信号系统为了满足车地双向通信的需要，必须在线路沿线进行无线场强覆盖，其可供选择的传输媒介方式包括：无线电台、漏泄同轴电缆、漏泄波导管。
1.1无线电台
国内外目前能够采用无线电台进行车地双向通信的系统供货商有泰雷兹公司、阿尔斯通、西门子、安萨尔多和庞巴迪及国内的卡斯柯、交控等。某地铁8号线、某地铁8、10号线、某地铁4、5号线、某地铁二号线等项目均将采用此方式。
根据IEEE 802.11无线局域网的标准，目前广泛采用的是基于2.4GHZ 的ISM频带，无线电台方式传输的最大距离约为400米，由于轨道交通线路多穿行于城市区域，其弯道和坡道较多，增加了无线场强覆盖的难度，为了保证场强覆盖的完整性，保证通信的质量和可靠性，一般在地下线路300米左右设置一套，在地面和高架线路250米左右设置一套。
无线电台的体积较小，安装比较灵活，受其它因素的影响小，可以根据现场条件和无线场强覆盖的需要进行设计和安装，且安装和维护容易。无线电台在隧道内传输受弯道和坡道影响较大，同时隧道内的反射比较严重，需要考虑多径干扰等问题。无线电台在地面和高架线路安装比较容易，但线路周围不能有高大密集的建筑物，否则也会产生反射和衍射，导致传输质量的下降和通信速率的降低。无线电台的传输距离小，为了保证在一个AP故障时，通信不能中断，提供通信的可靠性，往往需要在同一个地点设置双网覆盖，如下图所示。
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图1.1-1 无线电台布置示意图
1.2漏泄同轴电缆
利用漏泄同轴电缆进行无线传输的信号系统供货商有阿尔斯通、庞巴迪、卡斯柯、交控等。目前在国内应用的项目为某大城市地铁2、3号线。漏泄同轴电缆传输媒介方式也是采用基于2.4GHZ的 ISM频带，漏缆的传输特性和衰减特性较好，传输距离较远，最大传输距离达到600m，且沿线无线场强覆盖均匀，且呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。减少列车在各个AP之间的漫游和切换，提高了无线传输的连续性和可靠性。
另外，安装要求不是很高，可以根据现场条件安装在隧道侧墙（仅适用于全地下线路），或隧道顶部（仅适用于全地下线路，且三轨供电）。其与列车车载天线的安装位置基本对应。漏泄同轴电缆对于地面和高架线路安装比较困难，且美观效果较差，并且电缆在地面和高架线路的老化防护困难，电缆寿命较短。因此，供货商可采用漏泄同轴电缆与无线电台混合组网的方式，如对于地下线路部分采用漏泄同轴电缆覆盖，地面及高架线路部分采用无线电台进行覆盖，解决了漏泄同轴电缆在地面及高架区段安装的问题。
通常情况下，漏泄同轴电缆的安装位置较高，不会影响一般轨旁维护工作，其自身安装调试完成后维护工作量很小。漏缆布置示意图如下。
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图1.2-2 漏泄电缆布置示意图
1.3漏泄波导管
利用漏泄波导管进行无线传输的信号系统供货商有阿尔斯通及国内合作的卡斯柯，该传输方式已经在2002年开通的新加坡东北线及2008年开通的某地铁2号线和机场线中得到成功应用。漏泄波导管采用的是一种长方形铝合金材料，在其表面每隔一段距离（约6cm）刻有一条约2mm宽3cm长裂缝，能够让无线电波从此裂缝中向外漏泄出来，因其波导管物理特性和衰减特性很好，传输距离较远，最大传输距离可达到800m，且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。其传输距离要优于漏泄同轴电缆，减少列车在各个AP之间的漫游和切换，大大提高了无线传输的连续性和可靠性。
波导管布置示意图如下：
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图1.3-3 波导管布置示意图
但波导管的安装要求较高，与列车车载天线的安装位置要求对应。波导管可以根据现场条件安装在隧道底部钢轨旁（适用于地下、地面、高架或混合线路），或隧道侧墙（仅适用于全地下线路），或隧道顶部（仅适用于全地下线路，且三轨供电）。
因波导管的安装位置受到现场制约，且必须与车载天线位置对应，其安装精度要求也比较高，另外，波导管维护量较大，其内部和表面需防止水、沙尘侵入和污物覆盖等。
1.4三种传输媒介的比较
三种传输媒介形式的布置比较示意图如下
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图1.4-4 三种传输媒介形式的布置比较示意图
三种传输媒介形式的特性比较
三种传输媒介特性表 表1.4-1
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三种传输媒介形式的优缺点对比
三种传输媒介优缺点对比表 表1.4-2
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通过上述对基于无线通信移动闭塞系统的三种传输媒介干扰问题优缺点的比较，各移动闭塞信号系统供货商均具有与系统匹配的传输媒介使用方案，且各种传输媒介的使用均有应用业绩。结合工程实际、线路成网以及跨线路等运行的特点，推荐采用无线电台作为传输媒介。
2 传输制式分析
2.1扩频方式
通常情况下使用的通讯方式有两种：窄频通信和扩频通信，窄频通信是指使用刚好够的频宽进行通信，扩频通信是指使用远远超出实际所需的频宽进行通信。虽然使用窄频通信会节省带宽，但是这样的通信抗干扰能力差，所以现在大多都是用扩频通信的方式进行通信，常见的扩频方式有：DSSS（直接序列扩频），FHSS（跳频扩频）以及OFDM（正交频分多路）。
OFDM：为IEEE 802.11a，IEEE 802.11g中使用的载波调制技术，它是多载波传输技术的一种，它的特点是把窄带信号分割成频率较低的多个正交的子载波在信道上并行传送。由于它的正交性，OFDM信号可经由多个子载波信号重叠并行传送而不互相干扰。OFDM比非正交的多载波频分复用技术的带宽利用效率高得多。OFDM的正交多载波信号传送方式使它一方面具有一定的抗多径干扰能力，同时又能保持高的频率效率。每个子载波的频点都必须和相邻载波的零点重叠才能维持正交的关系。这重叠的带宽正是OFDM添加的频谱效率的来源之一。
FHSS（跳频技术）：是另外一种扩展信号频谱的方式。它是用一定码序列进行选择的多频率频移键控，也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。
DSSS（直接序列扩频技术）：是一种扩展信号频谱的方式，是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱，而在接收端，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。
2.2无线网络的标准
无线技术包括了无线局域网技术和以GPRS/3G为代表的无线上网技术，这些标准和技术发展到今天，已经出现了包括IEEE802.11、蓝牙技术和HomeRF等在内的多项标准和规范，以IEEE（电气和电子工程师协会）为代表的多个研究机构针对不同的应用场合，制定了一系列协议标准，推动了无线局域网的实用化。这些协议由Wi-Fi（Wi-Fi联盟是一家世界性组织，成立的目标是确保符合802.11标准的WLAN产品之间的相互协作性）组织制定和进行认证。下面列出了IEEE 802.11无线局域网标准：
IEEE 802.11a采用OFDM技术调制数据，使用5GHz的频带，避开了当前微波、蓝牙以及大量工业设备广泛采用的2.4GHz频段，因此其产品在无线数据传输过程中所受到的干扰大为降低，抗干扰性较IEEE 802.11b更为出色。数据传输带宽54Mbps。
IEEE 802.11b也被称为Wi-Fi技术，采用CCK调制方式，使用2.4GHz频带。从性能上看，IEEE 802.11b的带宽为11Mbps，实际传输速率在5Mbps左右。
IEEE 802.11g，是在2.4GHz频段实现802.11a的速率要求。802.11g采用PBCC或CCK/OFDM调制方式，使用2.4GHz频段。
2.4GHz频段的信道划分
按照802.11标准的规定，无线网络首选的频率带宽是2.4GHZ ISM，许多工业、科研和医疗设备的发射频率均集中于该频段。该频带为国际频带分配，是不需要授权的，并且将极大地简化无线网络的安装和操作过程。
2.4GHz ISM频段内定义了14个信道，每个信道的频宽为22MHz，相邻两个信道的中心频率之间相差5MHz，即信道1的中心频率为2.412GHz，信道2的中心频率为2.417GHz，以此类推至13信道中心频率为2.472GHz。而信道14是特别针对日本所定义的，其中心频率与信道13的中心频率相差12MHz。14个信道在各个国家开放的情况不一样，在中国开放1~13信道。2.4GHz工作频段划分如下图所示：
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图2.1-5 2.4GHz工作频段划分示意图
从2.4GHz工作频段划分图上可以看到，由于每个频道的频宽为22MHz，相邻两个信道的中心频率之间仅相差5MHz，所以信道1在频谱上和信道2、3、4、5都有交叠的地方，这就意味着如果两个无线设备同时工作，且它们工作的信道分别为1和3，则它们发送出来的无线信号会相互干扰。信道1直到信道6才相互之间不干扰。
因此，为了最大程度的利用频段资源，减少信道间的干扰，通常使用1、6、11；2、7、12；3、8、13；4、9、14这四组互相不干扰的信道进行无线覆盖。
2.4各供货商无线通信扩频方式比较
无线通信扩频方式比较表 表2.1-3
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从目前工程主要选用的是卡斯柯及北京交控应有的OFDM（正交频分多路），多载波频分复用技术使宽带利用效率高，一方面具有一定的抗干扰能力。
3 干扰源分析
3.1信号系统的干扰
1）CBTC系统和PIS系统的干扰问题。因为CBTC和PIS系统都采用IEEE802.11系列标准，他们之间存在相互干扰。
2）同站台换乘车站，不同条线路信号系统之间的干扰。
由于2.4G频段只有3个完全独立的信道，而信号系统一般采用双网覆盖的无线局域网覆盖方式（每条线需要使用两个信道），在换乘站不可避免的会产生同信道的干扰。
3）地铁设备系统之外的干扰问题。
IEEE802.11系列标准工作在ISM频段，ISM频段是开放频段，其它设备和单位也可以使用，如蓝牙、WiFi笔记本电脑等。对于地上线路，特别是城市城区，受建筑物和其他无线设备的影响较大，在初期设计时必须考虑周到才能保证系统的正常开通。
3.2影响车地通信的其他问题
1）AP设备的休眠问题。已应用的系统中有时存在AP设备休眠问题，并且没有相关的检测手段进行恢复，导致CBTC系统不能运行。
2）AP的无线场强覆盖问题。系统初期AP间隔设置不周到和不太合理，导致不能做到完全冗余覆盖。
对于AP休眠及场强覆盖问题只能在工程的具体实施时解决，对于无线系统间的干扰问题，必须在各线路、各系统的设计过程中得到充分考虑，进行必要的安全防护和检测，才能保证信号系统能够安全可靠地运行。
3.3与WIFI设备的干扰测试分析
针对CBTC系统车地通信设备与民用WIFI设备的干扰进行了测试分析，具体干扰源分析和测试情况如下：
1）信号源强度
实际轨旁AP接入点发射功率20dbm，天线附近实际测量场强-30dbm，切换区内接受场强约为-70dbm，切换门限一般设置为-70dbm。
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图3.3-6 信号源强度图
采用波导天线接入的车载系统距离轨面发射端40-60cm，接收端信号场强测试为-40dbm至-50dbm。
2）带Wifi热点的手机
实测打开无线热点功能，近距离测试发射功率-28dbm，2米以内衰减至-45dbm，考虑列车穿透损耗15dbm，辐射至车载接收天线处的信号强度大约为-60dbm，明显高于切换区信号源强度。
3）室外干扰测试
在室外进行过无线传输抗干扰测试，在接受天线附近放置了一个无线AP，以满功率进行发射，车内有一个笔记本同AP交换机间传输了测试车地传输性能无明显下降，但出现长时间延迟的概率有所上升。
20KM/h车速
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80KM/h车速（正常） 80KM/h车速（异常）
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图3.3-7 室外干扰测试图
4）地铁线路列车运行测试
系统开放下的情况下进行了测试，一般切换性能如下：
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图3.3-8 系统切换性能图
现场试验切换时延分布统计
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图3.3-9 现场试验切换时延分布统计图
4抗干扰对策
4.1时空分离冗余
提供4通道的无线接入，车头、车尾部均接入两个频点。在一个位置需要同时持续性地干扰到两个频点，才能导致一端的车地无线通信中断。在空间上需要持续性地在间隔120米的位置处同时干扰到两个频点才会导致车地通信完全中断。
4.2窄波束天线
采用前后比较大的窄波束天线可以有效地将来至于车厢内的同频辐射干扰削弱20-30db。
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图4.2-10 窄波束同频辐射干扰图
4.3地面干扰监测
采用无线监测技术，地面接入点如果长期监测到带内频谱收到干扰，可以向控制中心报告收到干扰。
4.4车地通信质量监测
采用新设计的网管系统，控制中心在车辆上线后可以实时监测到车辆到地面的通信质量探测帧，当车辆受到干扰长时间无法正常通信的时候，会触发地面报告车地通信故障。
5 结论
相关城市轨道交通项目也进行了不同传输媒介的比较测试，测试结果表明无线电台方式在抗干扰能力上表现优于漏泄同轴电缆和漏泄波导管。
因此，解决与WIFI对信号系统车地通信的干扰，在车地通信系统设计中应从信道选择与使用、车地通信器材选用、网络配置、系统安全机制、设备的电磁兼容环境等角度全面考虑，增强车地无线通信的抗干扰能力，提高网络抗干扰性能。
从长远来看，要根本解决WIFI设备对信号系统车地通信的干扰，信号系统车地通信研究采用新型技术，使用专用频点，并需要尽快制定统一信号系统车地无线通信标准，加强轨道交通的行业成网建设及跨线路运营监管。
参考文献：
[1]张锐.地铁无线CBTC车地通信抗干扰技术分析研究和对策.基层建设.2015年第28期