主頁（http://www.by236.com）：軌道交通PIS與CBTC無線組網技術及干擾

　　基于無線局域網技術(WLAN)在城市軌道交通系統中的迅速發展，本文首先簡單介紹并比較幾個常用WLAN技術標準的不同特點，通過分析乘客信息系統(PIS)和信號基于通信的列車自動控制系統(CBTC)的車地無線網絡組網結構及傳輸數據的特點，得出兩個系統的網絡帶寬需求，并通過比較研究PIS和CBTC系統車地無線網絡特點，探討PIS與CBTC在地鐵隧道環境下使用 WLAN 技術可能存在的相關問題。根據對PIS車地無線網絡系統的帶寬分析，PIS只能采用802.11a或802.11g技術。當PIS系統采用802.11a技術標準時，兩系統之間可避免干擾，并且接口簡單，工程實施性較容易;采用802. 11g 技術標準時，PIS系統需與CBTC系統避讓頻點，增加了兩系統在無線網絡上的工程接口。同時，兩系統的車地無線網絡還應考慮其他無線網絡的干擾。

　　目前越來越多的城市軌道交通乘客信息系統(簡稱PIS系統)采用基于WLAN技術組建車地無線傳輸網絡，車地無線傳輸網絡作為覆蓋全線車站、區間和車輛段的高速數據傳輸網絡，為地鐵列車和地面之間提供視頻、數據、語音等信息的傳輸通道。而在國內目前在建軌道交通項目中，除了PIS系統需要采用WLAN技術外，信號系統中基于通信的列車自動控制系統(簡稱CBTC系統)也大都采用WLAN技術，因此就需要避免兩系統的無線網絡在各種隧道環境中產生相互干擾以及其他系統對它們的影響。

　　1 基于IEEE802.11系列的WLAN技術概述

　　IEEE的802.11工作組是無線局域網標準的開發組織之一，開發的主要是IEEE802.11標準。經過多年努力，IEEE802.11已經發展成為了一個系列標準，表1是常用的四個標準的主要技術參數。其中 2.4GHz是一個開放的ISM(企業、科學和醫療)頻譜，只要其無線接入點(AP)的發射功率及帶外輻射滿足無線電管理機構的要求，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標準最為普及。目前由于對速率的需求，基于802.11g標準的無線局域網最多。

　　802.11n是在802.11a/b/g后新出現的一個無線傳輸標準協議，2009年才獲得IEEE的正式批準。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(正交頻分復用)技術相結合而應用的MIMOOFDM 技術，不僅提高了無線傳輸質量，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，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可以動態調整波束，保證讓WLAN用戶接收到穩定的信號，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(SDR)，由于SDR是一個完全可編程的硬件平臺，使得不同系統的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現互通和兼容，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802.11n向前后兼容，而且可以實現WLAN與無線廣域網絡的結合，比如3G網絡。

　　2 PIS 車地無線系統與信號CBTC系統的比較與分析

　　2.1 PIS車地無線組網與帶寬分析

　　2.1.1 PIS車地無線網絡組網結構

　　PIS系統是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。它不但可以地向乘客播放軌道交通列車到達預告、換乘信息及時間等與乘車有關的信息，還可以播放重要新聞、天氣預報、廣告等資訊信息。利用車地無線網絡，PIS系統還可實現對列車的實時視頻監視，將列車駕駛室及車廂客室內的監控畫面實時傳送到控制中心，便于控制中心有關人員及時了解司機駕駛和客室內的乘客流量狀況，提高運營管理水平及安全管理能力。軌道交通PIS系統車地無線網絡組網結構如圖1所示。

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

　　2.1.2 PIS車地無線網絡帶寬分析

　　根據PIS車載子系統的功能，要求移動的列車與地面之間具有實時數據傳輸的能力，在列車高速運行時，應保證圖像質量，不會出現馬賽克、中斷等現象，無線網絡系統應能支持快速移動通信及漫游切換。其中無線網絡傳輸的數據主要分為車載視頻播放信息和車載視頻監控信息。

　　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的1路MPEG-2編碼的標清數字視頻信息，每路信息占用的帶寬一般為4～8MHz，加上預留10%的視頻重傳技術，因此一般在4～8MHz×110%=4.4～8.8MHz。除此之外，還包括PIS系統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 車載視頻監控信息

　　在區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系統在車地無線網絡中所需要的總帶寬至少應該在13MHz以上。

　　2.2 CBTC無線技術組網與帶寬分析

　　目前國內新建軌道交通項目中的CBTC系統采用的WLAN技術一般基于802.11b或802.11g標準，由于信號專業的特殊性，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標準不同，產品差別也較大。圖2組網方式是其中采用以無線AP方式接入的組網結構，目前在地鐵隧道中較多使用。

　　CBTC 無線網絡傳輸的主要數字信息有：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，數據包長度一般不會超過1000bits，信號系統供貨商一般選擇40 ～100 kbps的凈傳輸速率作為其系統必須保證的最低傳輸速率。

　　2.3 PIS與CBTC無線網絡比較與干擾分析

　　2.3.1 PIS與CBTC無線網絡的比較

　　PIS系統在軌道交通項目中的主要作用是提高乘客服務質量，提升服務滿意度，體現以人為本，即使車地無線網絡出現干擾甚至中斷，也不會對行車安全產生威脅。而信號系統作為軌道交通中的安全控制系統，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，因此信號系統對無線網絡的安全性和實時性要比PIS系統高很多。表2給出PIS和CBTC車地無線網絡系統在速率、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的特殊性和重要性，PIS系統一般采取兩種方式規避與信號系統的沖突，一種是PIS采用工作在5.8GHz頻段的802.11a技術，另一種則是PIS采用802.11b/g技術，并與信號系統的頻點錯開使用。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，遠離了信號系統的2.4GHz頻段，單獨設置一套PIS系統自己的車地無線網絡，不會對信號系統產生干擾，同時也減少了與信號系統的接口問題，便于工程的實施。采用這種方式的優點是兩系統之間的接口簡單，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系統的車地無線網絡帶寬需求分析可知，802.11b無法滿足PIS系統至少應該在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，與信號CBTC系統一樣工作在2.4GHz頻段。采用這種方式的優點是不需要申請許可，技術相對成熟，缺點是增加了兩系統之間工程接口的難度，需要協調頻點使用并解決與信號系統的無線信號干擾問題。

　　如圖3所示，國內規定可以使用的2.4GHz頻段上只有3個不重疊的頻點。系統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，提高無線系統整體性能，構建CBTC無線系統時應采用按相鄰AP設置不同信道的原則，即CBTC系統必須使用3個不重疊的頻點中的2個頻點，此時，PIS系統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均應采用小角度定向天線進行接收與發送。與全向天線不同，定向天線的發射角度較小，在隧道封閉環境中產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系統占用兩個頻點，例如占用頻點6、11，CBTC系統占用頻點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避干擾。此時，PIS系統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之間的干擾，目前在隧道環境中極難實現，并且由于無線空間傳輸的不確定性，當PIS與CBTC同時采用同一頻點即頻點6傳輸時，極易產生頻點干擾。目前，此種方式沒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系統車地無線網絡采用802.11g技術，那么CBTC系統采用3個不重疊的頻點中的2個頻點，PIS系統只能采用剩余的1個頻點。

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

　　2.4 其他無線系統對PIS與CBTC無線網絡的干擾

　　除了PIS與CBTB兩系統之間的無線干擾外，地鐵隧道環境中還有許多其他的無線系統可能對PIS以及CBTC系統的2.4GHzWLAN網絡產生干擾，主要有以下幾種：

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

　　第二、個人無線設備(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、其他隧道設備的電磁干擾：隧道環境復雜，設備多，不可避免會產生一定的電磁干擾，設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，區間隧道的無線接入點需要安裝在金屬箱內進行屏蔽，通過無線接入點安裝箱，可以有效屏蔽區間隧道內強電系統設備對PIS與CBTC無線系統設備產生的電磁干擾。

　　3 結論

　　隨著PIS系統對車地無線傳輸需求的不斷增長，與信號CBTC系統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頻段的收費標準是每個接入點每MHZ帶寬每年40元，隨著PIS系統傳輸數據量的增長，對地鐵運營公司來說無疑是一筆可觀的支出。802.11b技術標準雖然在頻段上與信號系統相同，但是如果做好頻點規劃，合理利用不重疊的3個頻點，那么兩系統之間的干擾問題是可以避免的。同時，在設計和施工中，還要考慮采取合理的技術措施避免其他無線系統對這兩個系統的干擾。