张雯柏;朱文发;李立明;闫冰;唐颖栋;冯晨
【摘 要】上海地铁10号线采用卡斯柯公司提供的Urbalis888信号系统,当地铁信号系统受到干扰时,会导致信号系统安全保护功能启动而造成列车紧急制动,从而引发列车因重新启动而晚点或清客等情况.为避免类似情况的发生,对车地无线通信系统的特性进行分析,探讨车站内部PIS系统对CBTC系统的干扰以及外部ISM通信频道的干扰,提出减少无线干扰的措施. 【期刊名称】声波识别《上海工程技术大学学报》
【年(卷),期】2015(029)001
【总页数】7页(P43-48,56)
【关键词】列车自动控制系统;数据通信子系统;乘客信息系统;无线接入点;频段
【作 者】gtem小室张雯柏;朱文发;李立明;闫冰;唐颖栋;冯晨
【作者单位】泡沫仪上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海201620;上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海201620;上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海201620;上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海201620;上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海201620;上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海201620
【正文语种】中 文
【中图分类】U285.44
近年来，随着中国轨道交通事业的快速发展，基于无线通信的列车自动控制系统（Communication Based Train Control System，CBTC）被广泛应用于国内新建城市轨道交通线路.CBTC系统代表着当前世界上轨道交通列车运行控制系统的发展趋势，上海地铁6号线至13号线，以及16号线都采用该技术，其中，6、7、8、9号线，11号线及其延伸段采用了上海自仪泰雷兹公司和加拿大阿尔卡特公司联合设计的Sel Trac-CBTC技术，10、12、13号线采用了上海卡斯柯公司和法国阿尔斯通公司联合设计的Urbalis888-CBTC技术.
在CBTC的数据通信子系统（Data Communication Subsystem，DCS）中，采用无线接入
点（Access Point，AP）接入方式的车地通信（Traffic Wayside Communication，TWC）线路已越来越多，上海地铁10号线就采用了该种无线接入方式.AP接入具有成本低、带宽高、可部分使用商用设备、安装调试方案灵活、施工时间短等优点.DCS中的无线接入点一般采用公用的2.4 GHz或5.8 GHz的ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）. 10号线采用自由空间无线电波传输，区别于采用裂缝波导管、漏泄电缆和交叉感应环线.无线接入点作为无线电波接收和发送的门户通道，它的正常工作保证了车地通信的安全.布置好无线接入点的位置，保证其在区间中能够无线重叠覆盖也很重要，只有重叠覆盖达到一定程度，才能更好地保证信号的可靠性.在一段区间，当一点或多点天线发生故障时，不会影响到信号正常的覆盖，这样，即使列车在区间运行时，快速无缝切换也能够正常进行，从而更好地实现车地无线通信.
上海地铁10号线的DCS有线网络由骨干网络和接入网络两部分组成.DCS有线传输系统的骨干网络采用基于同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）技术的多业务网络解决方案，SDH具有比较完善的光纤保护机制及双纤单向通道保护环和双纤双向复用段保护环网络自愈功能，可以确保信号通信有更高的可靠性.SDH通过增加开销的虚容器技术保证了ATS网（双网冗余，每个网带宽20 Mb/s）传输通道、信号安全网（双网冗余，每个
网带宽45 Mb/s）传输通道、维护监测传输通道（单网，带宽4 Mb/s）的带宽划分和各通道间的相互隔离、互不干扰.对于ATS网和信号安全网来说，即使在同一节点发生灾难性双重故障，至少其中一个网络还可以通过其他地点的路径继续通信.DCS接入网络主要由以太网交换机及光电转换器组成.承载在骨干网上的专用局域网（用于SIG、ATS、维护监测）可接入到沿线设有SDH节点的每个车站，通过交换机组成的接入网与其他子系统设备相连接.非集中站的ATS设备可由光电转换器通过独立的光缆分别接入到相邻的设备集中站.
上海地铁10号线Urbalis888信号系统中的无线部分采用国际标准的IEEE802.11g无线协议进行无线传输，无线网络带宽为6 Mb/s，802.11g工作频段在2.4～2.483 GHz之间的83.5 MHz内，共划分为13个信道，每个信道带宽为22 MHz，最多可以提供3个不重叠的信道同时工作，使用正交频分复用技术（OFDM）传播模式和二相相移键控（BPSK）调制.Urbalis888系统中提供的OFDM调制技术使其信道隔离非常小，可显著提高频谱的效率.此外，与直接序列扩频（DSSS）和跳频序列扩频（FHSS）相比，OFDM具有更高的接收性能.在-90 dBm的信号强度下，OFDM最大可接收6 Mb/s的数据速率，DSSS为2 Mb/s，而FHSS则小于1 Mb/s.同时，OFDM频谱下的CBTC包括协议开销的业务数据最大速率为双向100 kb/s，仅占用6 Mb/s无线通道的4%（单方向为2%）. CBTC系统需求的信息数据 包约为200个字节，OFDM每40 ms（单向传递100 kb/s）中，仅需0.3 ms完成一次CBTC数据的传递；而FHSS则每4 ms中需2 ms传递CBTC数据.所以，OFDM可以利用最短的时间完成数据的传递，极大提高了系统的抗脉冲干扰能力.根据传输介质的不同，卡斯柯的DCS系统可提供3种无线解决方案.方案1为波导管方案，轨旁设备由轨旁无线设备（Trackside Radio Equipment，TRE）、耦合单元、波导管及其附件构成，车载设备由波导管天线、车载无线设备（Movement Radio Equipment，MRE）及其附件构成；方案2为自由无线方案，轨旁设备由TRE、天线及附件构成，车载设备由MRE、车载电源装换模块、定向天线及其附件构成（上海10号线使用）；方案3为波导管和自由无线混合配置，该种方案对DCS安装有特殊要求.
对上海地铁10号线的信号强度测试采用Fluke公司的Airmagnet WiFi分析仪，该仪器的测试界面如图1所示.由图可以看出，根据测试要求设置选择2.4 GHz和5.8 GHz两个频段，图中选择的是2.4 GHz，左侧竖栏显示的是该频段的13个信道，每一竖列又分类显示在该信道上的AP、STA以及Ad-Hoc个数.可根据测试需求选择13个信道上的任意一个进行放大查看.如图中右侧，放大的是6号信道，进入信道后，可以查看处于该信道上的所有信号源，以及SSID、信号强度、MAC地址、帧/字节传输量以及该信号源的信号强度随时间的动态变化
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图，如图中右下角框中所示，且可以清楚地查看到该信道的吞吐量和信道利用率.
实际地铁隧道中AP布置覆盖如图2所示.每组TRE单元包含AP两个天线，分别朝左朝右水平覆盖，每段分区都有两条网同时重叠覆盖，列车切换重叠区域有前后两组共4条网络信号重叠覆盖.
由于所测试的江湾体育馆车站至五角场车站区间内的AP所处信道在3号，所以把3号信道放大显示，如图3所示.
站在车头，从列车开始出站记录数据.在图中可以看到4组波峰，每组波峰有两根细线表示，这表明沿途区间内总共有4组AP，每组2个.此外，从信号强度图下方也可以看到这8个AP的MAC地址以及它们各自的SSID，每组AP的SSID名称相同，分别是DCS-red和DCS-blue，但MAC地址各不相同.这4组波形随着时间从右到左依次出现，每组波形的形状大致相同，反映了列车相对AP位置变化的3个状态：接近、平行、远离.这3个状态也是行驶列车与轨旁信号设备通信过程中信号强度变化的普遍过程.
上海地铁10号线采用无线局域网技术承载列车控制系统CBTC和乘客信息系统（Passenge
r Information System，PIS）.信号系统保证行车安全，PIS为乘客提供乘车信息，保证CBTC和PIS能够在同一无线局域网正常通信，又不相互干扰.目前，在TWC业务的带宽需求下，CBTC信号系统带宽需求为110 kb/s；PIS的下行带宽的需求为10 Mb/s；针对车载监控业务的上行带宽的需求为5.28～8 Mb/s.
2.1 CBTC系统中的同频干扰分析
当两段不同来源的无线电磁波信号同时采用同一频率时，一段电磁波会影响到另一段电磁波接收机对有用信号的接收，从而产生同频干扰. IEEE802.11系列标准的MAC层引入了载波侦听多路接入/碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）机制来解决这一问题.但是，Urbalis888的WiFi传输系统只能做整个信道带宽级（20/40/80 MHz）的信号强度检测，颗粒度粗，反馈不及时，只能分时反馈信道质量，无法及时跟踪信道质量.在无法避免同频干扰时，这种粗线条的干扰检测机制带来的不准确度可能导致数据帧的发送具有一定的延时，另外，帧传送前虽然延迟随机时间，但可能发生碰撞，而当碰撞发生又侦测不出来时，此时传送的帧就会漏失掉，导致丢包，如图4所示.
例如10号线中使用的PIS系统，采用无线通信方式向乘客提供信息服务，无线频段采用IEEE802.11标准中的2.4 GHz.当PIS和CBTC系统占用相同信道时，会导致数据包的碰撞，CBTC工作站发送数据帧会产生延时和丢包，影响吞吐量；只有当PIS信息传输完毕不占用信道时，才能使用列车要接收或发送的数据包，这就是PIS对CBTC系统造成同频干扰的一个重要原因.磨具制造
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2.2 CBTC系统中的邻道干扰分析
当两个相邻或相近的信道所传输的信号超过其宽度，就会对临近信道所传播的信号造成邻道干扰，即当PIS系统传输的数据超过原来信道的带宽时，或者TWC传输的信号宽度超过原来固有的带宽时，都可能会产生主动或者被动的邻道干扰或邻道抑制.例如，当10号线CBTC系统和PIS系统的WLAN使用相邻信道，或信道中心频率间隔小于5 MHz时，会有一部分信道重叠，导致信号之间产生影响，这就是邻道干扰对CBTC无线通信系统的影响.信道越接近，重叠的部分越大，影响越严重；反之，信道越远，重叠的部分越少，影响越小.地铁系统内部产生的干扰和外界其他的邻道干扰也是造成列车接收或发送信息干扰的一个重要原因.
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