地铁CBTC系统干扰原因及干扰预测

     当前，我国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通问题已成为城市发展的“瓶颈”问题。随着我国城市规模和经济建设飞速的发展，城市化进程在逐步加快，城市人口在急剧增加，发展轨道交通是我国大城市解决交通问题最重要的途径。目前国内人口过百万的城市中，很多城市已经开通或者正在建设地铁。预计到2050 年中国城市轨道交通线路总长将超过4500公里。

     基于无线通信的列车控制系统（CBTC）近些年在全世界作为城市轨道交通信号控制技术发展最迅速的一种技术，应用越来越广泛。它也成为了为我国轨道交通信号控制的主流。该系统不依靠轨道电路向车载设备传递信息，而是利用无线通信技术实现“车--地通信”并实时地传递“列车定位”信息。由于无线通信技术的发展，这种技术不仅能双向通信，同时具有信息量大；能够精确快速实现车辆定位，提高运行密度，缩短列车编组；能够减少轨旁设备，便于安装维护等等优点。 

     无线网络是一种能够将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。WiFi是一个无线网络通信技术的品牌，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性。因而WiFi技术所使用的无线频率也是IEEE802.11所指定的频率。目前我国地铁中WiFi系统服务的运营商主要是公众移动通信系统运营商。

     ISM频段由ITU（国际通信联盟）定义的，主要开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，属于免费频段，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。IEEE802.11标准所涉及的两个频段2.420–2.4835GHz;和5.725–5.875 GHz,就是ITU指定的ISM频段。上述频段我国也做出了规定，分配给给工业、科学和医疗（ISM）使用。因此，也是免费频段和不受保护的,一般只要遵守规定，对输出功率做出相应限制即可。这种频段的规定主要是为了方便低、微功耗功耗的用户使用。

 

2　CBTC系统与WiFi通信系统产生干扰的原因

     我国各大城市的地铁系统有很多采用了基于无线通信的CBTC系统，运行状态良好稳定。不过从2012年起，深圳地铁蛇口线和环中线列车多次因信号系统受干扰发生暂停故障，引发了各界对地铁安全运行问题的普遍关注。调查的初步结论是：乘客随身的WiFi干扰了地铁信号系统的车-地通信，造成指令异常导致列车急停。究其原因，主要在移动互联网的爆发催生了地铁内有大量WiFi用户，使用运营商提供WiFi的用户迅速增多成为CBTC系统不可回避的强干扰源，使地铁内电磁环境限值超出了CBTC系统安全标准。

     那么大量用户使用WiFi通信能够干扰到CBTC系统的原因是什么呢？首先，我们要介绍一下基于无线通信的CBTC系统。由于各种原因，我国地铁CBTC系统的无线接口主是WLAN技术还有泄露同轴电缆技术，这两种技术使用的频段也是2.4g的ISM频段，并且WLAN的技术特点与WiFi技术特点类似。因此，分析WiFi干扰的方法同样也适用于分析CBTC系统的无线干扰。WiFi的干扰主要有同频干扰和邻频干扰。这两类干扰会导致系统的信号丢包、误码率增加、降低移动系统的抗干扰能力，极端情况下就能够工作于该频道的设备彻底堵塞，失去通信能力。这样，就能导致CBTC系统车--地通信的彻底阻塞，从而引发地铁列车控制故障。因此，如果大量乘客使用便携式WiFi设备，引起地铁的电磁环境超出了当初移动CBTC 系统设计和试验环境的安全限值，就可能引起CBTC设备的异常。

 

3　分析与预测

     根据标准，在2.4~2.4835 GHz频段内共配置了14个信道（后两个信道在中国不能用，2.4835 GHz向上已划分给其它业务），采用直序扩频技术DSSS,每个信道带宽为20 MHz，实际需要22MHz。理想情况下，该频段最多可以有3个信道组合供实际使用，即No.1,NO.6,No.11。

              

                                                  图1　2.4G频段划分示意图

     对于5.8GHz频段，我国做出了专门规定，指定该频段在我国可用于点对点或点对多点扩频通信系统、高速无线局域网、宽带无线接入、蓝牙技术设备、车辆自动识别系统等各类无线电台站使用；同时，规定5725～5850MHz频段为无线电定位业务及工业、科学和医疗等非无线通信设备的共用频段。也就是说该频段也可以用于WiFi和CBTC系统。目前，WiFi通信系统和CBTC系统虽然还没有使用5.8G频段，但随着发展，该频道也必然会被使用。因此本文将该频段也一并分析。同样的，对于5.8 GHz频段，能够利用的信道相对多了一些，最多可以有5个信道，信道号149,153,157,161,165，每个信道带宽也是20MHz。

     由此可见，在地铁站台和车厢的环境中，大量的移动用户使用公众移动运营商提供的WiFi系统上网时，必然与铁路无线通信CBTC系统争抢无线信道，在2.4G频段最多仅有3个无线信道，5.8G最多仅有5个无线信道的情况下，相互产生干扰从而导致铁路CBTC系统异常,这种情况也是可以预料的。

                            

 

                     图2　公众移动WiFi用户同时处于公用移动系统AP和CBTC系统AP覆盖范围内

     公众移动通信系统的WiFi系统与CBTC系统AP处于同一空间，同样也是全范围覆盖，在正常情况下这两套系统的AP相互之间可以不产生干扰。当公众移动用户的数量很大，数据业务量很大，并且用户不仅处于公众移动通信系统的AP覆盖范围，也处于地铁CBTC系统AP范围，从而产生了对地铁CBTC系统AP的干扰。

     本文尝试借助语音业务量与呼损率的分析，来预测对CBTC系统AP干扰产生的条件。假设移动WiFi用户的业务量和分布特征与语音业务的相同（实际情况下，移动数据用户的使用时间应大于移动语音用户的使用时间）。当呼损率高于一定数值时，此时公众移动WiFi用户会因通信大量堵塞、延迟产生大量的信号发送，因此产生了对于CBTC系统的干扰。这样我们考虑的问题就演变成为：在信道数确定的情况下，计算用户容量的问题。因此我们可以利用通信系统中爱尔兰公式进行计算。

     根据爱尔兰公式：

     

     B为呼损率，A为系统流入话务量，n为设备数量

     由此可以得到呼损率和话务量与信道数与信道利用率的关系表，下面仅列出有关部分，即信道数为3和信道数为5的部分。

 

            

                                     表1　呼损率和话务量与信道数和信道利用率的关系

　　对于我们考虑的WiFi系统，这里设定如下条件：每天每个用户平均发起通信10次，每次占用信道的平均时间为80秒，集中系数为K=0.125，呼损率分别考虑10％和25%，即每用户忙时话务量a=0.125, 经计算得到下表：

           

                                    表2　呼损率和话务量与信道数和用户数的关系

　　由上表我们可以进行简单的估计：假设在25%的系统呼损下WIFI系统中可能会产生严重的误码、通讯堵塞，由此产生对CBTC系统产生干扰，那么此时系统容量分别为2.4G频段17人和5.8G频段36人。

 

4　结语

　　地铁中的公众移动WiFi系统会对地铁基于无线通信的CBTC系统产生干扰，本文分析了干扰产生的原因，尝试提出了干扰产生条件的分析思路，并针对设定条件进行了初步计算。

　　基于无线通信的CBTC系统在欧洲和美国有很多应用，基本没有被干扰的报道，但是在国内的系统却因公众移动WiFi用户过多产生了故障。分析原因，主要是因为国内用户数目过于庞大。我国的大城市，地铁高峰时刻乘客异常拥挤，远超欧美各个国家。这些人也是公众移动WiFi的高频率用户，导致基于无线通信的地铁CBTC系统被干扰，不能正常工作。这里需要指出的是：在经过大量现场观察测试，准确测量出公众移动WiFi系统用户的使用情况;并且统计出在地铁CBTC系统被干扰时WiFi系统的用户使用情况，可能就可以比较准确的估计出系统呼损多大时，CBTC系统会被干扰。在此基础上，在保障地铁CBTC系统能正常工作的前提下，还能使公众移动WiFi系统在地铁中正常使用。