主頁（http://www.130131.com）：軌道交通PIS與CBTC無線組網(wǎng)技術(shù)及干擾

　　基于無線局域網(wǎng)技術(shù)(WLAN)在城市軌道交通系統(tǒng)中的迅速發(fā)展，本文首先簡單介紹并比較幾個常用WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不同特點，通過分析乘客信息系統(tǒng)(PIS)和信號基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(CBTC)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及傳輸數(shù)據(jù)的特點，得出兩個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，并通過比較研究PIS和CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)特點，探討PIS與CBTC在地鐵隧道環(huán)境下使用 WLAN 技術(shù)可能存在的相關(guān)問題。根據(jù)對PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的帶寬分析，PIS只能采用802.11a或802.11g技術(shù)。當(dāng)PIS系統(tǒng)采用802.11a技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時，兩系統(tǒng)之間可避免干擾，并且接口簡單，工程實施性較容易;采用802. 11g 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時，PIS系統(tǒng)需與CBTC系統(tǒng)避讓頻點，增加了兩系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)上的工程接口。同時，兩系統(tǒng)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)考慮其他無線網(wǎng)絡(luò)的干擾。

　　目前越來越多的城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)(簡稱PIS系統(tǒng))采用基于WLAN技術(shù)組建車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)，車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)作為覆蓋全線車站、區(qū)間和車輛段的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為地鐵列車和地面之間提供視頻、數(shù)據(jù)、語音等信息的傳輸通道。而在國內(nèi)目前在建軌道交通項目中，除了PIS系統(tǒng)需要采用WLAN技術(shù)外，信號系統(tǒng)中基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(簡稱CBTC系統(tǒng))也大都采用WLAN技術(shù)，因此就需要避免兩系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)在各種隧道環(huán)境中產(chǎn)生相互干擾以及其他系統(tǒng)對它們的影響。

　　1 基于IEEE802.11系列的WLAN技術(shù)概述

　　IEEE的802.11工作組是無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)組織之一，開發(fā)的主要是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多年努力，IEEE802.11已經(jīng)發(fā)展成為了一個系列標(biāo)準(zhǔn)，表1是常用的四個標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)參數(shù)。其中 2.4GHz是一個開放的ISM(企業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻譜，只要其無線接入點(AP)的發(fā)射功率及帶外輻射滿足無線電管理機構(gòu)的要求，則無需提出專門的申請即可使用此ISM頻段;而5.8 GHz的頻譜需要向國家無線電管理委員會申請有償使用。

　　802.11a使用了5.8GHz的頻譜，與802.11b及802.11g不可兼容，使用的5.8GHz頻譜干擾較少，可提供更多的非重疊頻道，傳輸速度較高。802.11b及802.11g都使用2.4GHz的頻譜，可以互相兼容使用，較早時期，由于低成本的緣故，802.11b標(biāo)準(zhǔn)最為普及。目前由于對速率的需求，基于802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)最多。

　　802.11n是在802.11a/b/g后新出現(xiàn)的一個無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，2009年才獲得IEEE的正式批準(zhǔn)。802.11n可以同時工作在2.4GHz和5.8GHz頻段而互不干擾。它可以將WLAN的傳輸速率由目前802.11a/g提供的54Mbps提供到300Mbps甚至600Mbps。MIMO(多入多出)與OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)相結(jié)合而應(yīng)用的MIMOOFDM 技術(shù)，不僅提高了無線傳輸質(zhì)量，也使傳輸速率得到極大提升;在覆蓋范圍方面，802.11n采用智能天線技術(shù)，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可以動態(tài)調(diào)整波束，保證讓W(xué)LAN用戶接收到穩(wěn)定的信號，并減少其它信號的干擾。因此其覆蓋范圍得以擴大;在兼容性方面，802.11n采用了軟件無線電技術(shù)(SDR)，由于SDR是一個完全可編程的硬件平臺，使得不同系統(tǒng)的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現(xiàn)互通和兼容，這使得WLAN的兼容性得到極大改善。這意味著WLAN 將不但能實現(xiàn)802.11n向前后兼容，而且可以實現(xiàn)WLAN與無線廣域網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，比如3G網(wǎng)絡(luò)。

　　2 PIS 車地?zé)o線系統(tǒng)與信號CBTC系統(tǒng)的比較與分析

　　2.1 PIS車地?zé)o線組網(wǎng)與帶寬分析

　　2.1.1 PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　PIS系統(tǒng)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計算機系統(tǒng)為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。它不但可以地向乘客播放軌道交通列車到達預(yù)告、換乘信息及時間等與乘車有關(guān)的信息，還可以播放重要新聞、天氣預(yù)報、廣告等資訊信息。利用車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，PIS系統(tǒng)還可實現(xiàn)對列車的實時視頻監(jiān)視，將列車駕駛室及車廂客室內(nèi)的監(jiān)控畫面實時傳送到控制中心，便于控制中心有關(guān)人員及時了解司機駕駛和客室內(nèi)的乘客流量狀況，提高運營管理水平及安全管理能力。軌道交通PIS系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　采用WLAN方式時，在隧道沿線布置無線AP設(shè)備，在車站設(shè)置交換機設(shè)備，在控制中心設(shè)置無線控制設(shè)備，列車上安裝車載天線和無線接入設(shè)備。

　　2.1.2 PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬分析

　　根據(jù)PIS車載子系統(tǒng)的功能，要求移動的列車與地面之間具有實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰�，在列車高速運行時，應(yīng)保證圖像質(zhì)量，不會出現(xiàn)馬賽克、中斷等現(xiàn)象，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)能支持快速移動通信及漫游切換。其中無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要分為車載視頻播放信息和車載視頻監(jiān)控信息。

　　2.1.2.1 車載視頻播放信息

　　每列列車接收來自控制中心下發(fā)的1路MPEG-2編碼的標(biāo)清數(shù)字視頻信息，每路信息占用的帶寬一般為4～8MHz，加上預(yù)留10%的視頻重傳技術(shù)，因此一般在4～8MHz×110%=4.4～8.8MHz。除此之外，還包括PIS系統(tǒng)的文本信息和控制信息，一般在100KHz左右。因此車載視頻播放信息所需帶寬總共大約在4.5～8.9MHz。

　　2.1.2.2 車載視頻監(jiān)控信息

　　在區(qū)間運營中的每列列車要求上傳2路MPEG-4編碼的視頻圖像信息，每路占用的帶寬約為2MHz，因此總帶寬約為2×2MHz=4MHz。

　　由上述分析可得，PIS系統(tǒng)在車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)中所需要的總帶寬至少應(yīng)該在13MHz以上。

　　2.2 CBTC無線技術(shù)組網(wǎng)與帶寬分析

　　目前國內(nèi)新建軌道交通項目中的CBTC系統(tǒng)采用的WLAN技術(shù)一般基于802.11b或802.11g標(biāo)準(zhǔn)，由于信號專業(yè)的特殊性，目前能夠提供基于通信的移動閉塞的信號廠家采用的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，產(chǎn)品差別也較大。圖2組網(wǎng)方式是其中采用以無線AP方式接入的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，目前在地鐵隧道中較多使用。

　　CBTC 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕獢?shù)字信息有：列車目的地碼、車次號、本列車的定位信息、本列車的速度信息等。由于信息編碼長度較短，數(shù)據(jù)包長度一般不會超過1000bits，信號系統(tǒng)供貨商一般選擇40 ～100 kbps的凈傳輸速率作為其系統(tǒng)必須保證的最低傳輸速率。

　　2.3 PIS與CBTC無線網(wǎng)絡(luò)比較與干擾分析

　　2.3.1 PIS與CBTC無線網(wǎng)絡(luò)的比較

　　PIS系統(tǒng)在軌道交通項目中的主要作用是提高乘客服務(wù)質(zhì)量，提升服務(wù)滿意度，體現(xiàn)以人為本，即使車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)干擾甚至中斷，也不會對行車安全產(chǎn)生威脅。而信號系統(tǒng)作為軌道交通中的安全控制系統(tǒng)，任何干擾、中斷或者非法入侵都將直接影響到整個列車的行駛安全，因此信號系統(tǒng)對無線網(wǎng)絡(luò)的安全性和實時性要比PIS系統(tǒng)高很多。表2給出PIS和CBTC車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在速率、安全性和實時性等方面的對比情況。

　　2.3.2 干擾分析與解決探討

　　由于在軌道交通中信號系統(tǒng)的特殊性和重要性，PIS系統(tǒng)一般采取兩種方式規(guī)避與信號系統(tǒng)的沖突，一種是PIS采用工作在5.8GHz頻段的802.11a技術(shù)，另一種則是PIS采用802.11b/g技術(shù)，并與信號系統(tǒng)的頻點錯開使用。目前這兩種方式在軌道交通已建和在建的項目中均有使用。

　　方式一：采用5.8GHz頻段的802.11a技術(shù)，遠離了信號系統(tǒng)的2.4GHz頻段，單獨設(shè)置一套PIS系統(tǒng)自己的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，不會對信號系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，同時也減少了與信號系統(tǒng)的接口問題，便于工程的實施。采用這種方式的優(yōu)點是兩系統(tǒng)之間的接口簡單，工程實施性相對容易。缺點是5.8GHz的頻段需要向無線電管理委員會申請許可，每年需要交納一定的頻率使用費。

　　方式二：對PIS系統(tǒng)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析可知，802.11b無法滿足PIS系統(tǒng)至少應(yīng)該在13MHz以上的帶寬需求，因此在軌道交通項目中通常采用802.11g技術(shù)，與信號CBTC系統(tǒng)一樣工作在2.4GHz頻段。采用這種方式的優(yōu)點是不需要申請許可，技術(shù)相對成熟，缺點是增加了兩系統(tǒng)之間工程接口的難度，需要協(xié)調(diào)頻點使用并解決與信號系統(tǒng)的無線信號干擾問題。

　　如圖3所示，國內(nèi)規(guī)定可以使用的2.4GHz頻段上只有3個不重疊的頻點。系統(tǒng)工作在這三個頻點上時，相互之間沒有干擾可以同時運行。

　　為避免相鄰AP之間無線信號的同頻干擾，提高無線系統(tǒng)整體性能，構(gòu)建CBTC無線系統(tǒng)時應(yīng)采用按相鄰AP設(shè)置不同信道的原則，即CBTC系統(tǒng)必須使用3個不重疊的頻點中的2個頻點，此時，PIS系統(tǒng)可采用的頻點有以下兩種情況：

　　第一，PIS占用1個頻點的情況。此種模式下，CBTC系統(tǒng)的無線AP如使用頻點1和11(其中一個頻點工作，一個頻點備份)，則PIS系統(tǒng)的無線AP均工作在頻點6，同時在軌旁以及車載部分的AP均應(yīng)采用小角度定向天線進行接收與發(fā)送。與全向天線不同，定向天線的發(fā)射角度較小，在隧道封閉環(huán)境中產(chǎn)生反射的情況大大較少，在一定程度上也能克服多徑干擾問題。

　　第二，PIS占用2個頻點的情況。此種模式下，PIS系統(tǒng)占用兩個頻點，例如占用頻點6、11，CBTC系統(tǒng)占用頻點1、6(其中一個頻點工作，一個頻點備份)，則需要采取天線極化方式規(guī)避干擾。此時，PIS系統(tǒng)天線的極化方式必須與CBTC天線的完全不同，若PIS采用水平極化，則信號需采用垂直極化來避免同頻干擾。但是使用天線不同極化方式來避免兩個系統(tǒng)之間的干擾，目前在隧道環(huán)境中極難實現(xiàn)，并且由于無線空間傳輸?shù)牟淮_定性，當(dāng)PIS與CBTC同時采用同一頻點即頻點6傳輸時，極易產(chǎn)生頻點干擾。目前，此種方式?jīng)]有在軌道交通中成功使用的案例。

　　綜上所述，如果采用方式二，即PIS系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用802.11g技術(shù)，那么CBTC系統(tǒng)采用3個不重疊的頻點中的2個頻點，PIS系統(tǒng)只能采用剩余的1個頻點。

　　由于信號系統(tǒng)的重要性，在設(shè)計與施工配合上，PIS與CBTC的頻點設(shè)置分配需要由CBTC首先提出，PIS再使用剩余的那個頻點，同時，CBTC需優(yōu)先于PIS進行隧道無線AP布點的選點勘測，之后將勘測結(jié)果告知PIS系統(tǒng)，PIS系統(tǒng)再在干擾CBTC的地址上進行布點設(shè)計，CBTC需與PIS系統(tǒng)確認最終的勘察數(shù)據(jù)，最后才能進行施工安裝。

　　2.4 其他無線系統(tǒng)對PIS與CBTC無線網(wǎng)絡(luò)的干擾

　　除了PIS與CBTB兩系統(tǒng)之間的無線干擾外，地鐵隧道環(huán)境中還有許多其他的無線系統(tǒng)可能對PIS以及CBTC系統(tǒng)的2.4GHzWLAN網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，主要有以下幾種：

　　第一、民用無線系統(tǒng)：地鐵隧道環(huán)境中民用無線系統(tǒng)主要有位于900/1800MHz頻段的GSM、1900MHz頻段的CDMA系統(tǒng)、2010～2025MHz 頻段的TD-SCDMA系統(tǒng)以及1940～2145MHz頻段的WCDMA系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對2.4GHz頻段基本上不會產(chǎn)生干擾。

　　第二、個人無線設(shè)備(如藍牙無線信號)：乘客個人藍牙無線信號的功率在地鐵隧道環(huán)境中非常小，因此對PIS和CBTC的影響可以忽略不計。

　　第三、其他隧道設(shè)備的電磁干擾：隧道環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備多，不可避免會產(chǎn)生一定的電磁干擾，設(shè)計解決的方法除了在前文中采用定向天線外，天線還需要具有一定的高增益性。同時，區(qū)間隧道的無線接入點需要安裝在金屬箱內(nèi)進行屏蔽，通過無線接入點安裝箱，可以有效屏蔽區(qū)間隧道內(nèi)強電系統(tǒng)設(shè)備對PIS與CBTC無線系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。

　　3 結(jié)論

　　隨著PIS系統(tǒng)對車地?zé)o線傳輸需求的不斷增長，與信號CBTC系統(tǒng)2.4GHz頻段的頻點重疊與同頻干擾問題將會日益突出，通過前文的分析可以知道，5.8GHz頻段的802.11a技術(shù)雖然可以解決同頻干擾問題，但是需要申請使用許可，每年還要繳納一定的頻率使用費，目前國家無委會對5.8GHz頻段的收費標(biāo)準(zhǔn)是每個接入點每MHZ帶寬每年40元，隨著PIS系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量的增長，對地鐵運營公司來說無疑是一筆可觀的支出。802.11b技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)雖然在頻段上與信號系統(tǒng)相同，但是如果做好頻點規(guī)劃，合理利用不重疊的3個頻點，那么兩系統(tǒng)之間的干擾問題是可以避免的。同時，在設(shè)計和施工中，還要考慮采取合理的技術(shù)措施避免其他無線系統(tǒng)對這兩個系統(tǒng)的干擾。