徐劲松

(宁波轨道交通运营分公司 浙江宁波315000)

1 研究背景

随着城市轨道交通通信技术的不断发展，基于无线通信的列车自动控制(CBTC)系统将逐渐取代基于轨道电路的列车自动控制系统，成为当前轨道交通信号系统的主流。CBTC系统采用的无线传输协议主要运行在2.4 GHz频段的IEEE 802.11 g。此频段为开放频段，是国际规定的免费频段，不需要向国际相关组织缴纳任何费用［1-4］。

我国的2.4 GHz频段总共划分了13个信道，每个信道带宽为20 MHz(见图1)。

在多个信道同时工作的情况下，为保证信道之间不相互干扰，要求两个信道的中心频率间隔不能低于25 MHz。由此可以看出整个2.4 GHz频段最多可以同时支持3组3个不重叠的信道(1/6/11、2/7/12、3/8/13)工作［5］。

图1 2.4 GHz频段信道分布

2 宁波轨道交通信号系统与车载WIFI

2.1 1号线CBTC系统

宁波轨道交通1号线CBTC系统采用的是信道2和信道13(中心频点分别为2 417 MHz和2 472 MHz)，两者是信号系统车地通信互为冗余保护的数据通道;同时，该信号系统通过选用窄带调制方式来提高无线系统的抗干扰性能。窄带调制方式将2.4 GHz无线频点的频宽由20 MHz缩小为5 MHz。窄带调制方式在总发射功率不变的情况下，功率谱密度提高了6 dBm。因此，同等条件下窄带调制方式比原20 MHz的调制方式信噪比提升了6 dB，显著提高了窄带modem抗同频干扰的能力。经实际测试验证，窄带调制方式可显著提高无线系统的抗干扰性能。窄带modem的功率谱密度与原20 MHz的对比详见图2。

图2 调制带宽对比

宁波轨道交通1号线的CBTC系统采用波导管传输解决方案。车地通信是由安装在车厢底部的波导管车载天线和安装在轨道两侧的波导管组成，此方案与传统的自由无线天线方式的解决方案相比有4方面优点。

1)短距离通信。波导管与车载天线之间的通信距离最长50 cm，受其他无线系统的干扰区域大大缩小。

2)使用正对波导管的车载定向天线。

3)波导管上方超过60 cm处无线信号衰落非常迅速，降低对其他无线系统的干扰影响。

4)车载天线安装在车厢底部，波导管位于站台下方，车站站台对于非车载天线视域内的其他无线信号形成屏蔽效果［6-8］。

2.2 1号线车载WIFI系统

宁波轨道交通1号线车载WiFi信号通过安装于车厢侧壁上方的LTE-AP(4G转WiFi的无线接入点)进行覆盖，每节车厢2台，单侧暗装，全列车总共12台。LTE-AP通过接收轨道区间移动4G信号进行通信，车厢内转为WiFi信号，满足乘客无线上网需求。

LTE-AP采用2.4 GHz频段7信道进行数据传输，避开信号系统使用的2和13信道，同时，为了减少LTE-AP间的相互干扰，其发送功率限制为2.512mW。

2.3 车载WIFI与CBTC兼容性测试

为了验证宁波轨道交通1号线车载无线系统与轨道交通信号系统的兼容性，选取1号线的一列车在运营线路上进行测试。

2.3.1 无线系统设置

1)车载WiFi系统配置。WiFi配置:LTE-AP发射频率使用2.4 GHz频段7信道。位置:每节车厢布置2个AP点，全车共12个(见图3)。

图3 车载无线AP分布

2)信号系统车地通信设备配置。信号红网:频率使用2.4 GHz频段2信道，位于车头司机室。信号蓝网:频率使用2.4 GHz频段13信道，位于车尾司机室。

2.3.2 测试方式

列车在1号线东环南站至高桥西站上下行，以正常CTBC模式运行状态下，开启车载WiFi系统并模拟各类实际使用情况，记录车厢内部各处WiFi信号强度以及乘客在此期间使用车载WiFi系统的用户感知;同时记录信号系统无线信号场强覆盖和车地端到端通信质量。

2.3.3 测试结果

1)车载WiFi系统。测试人员在总计6节车厢中选取18处点位进行覆盖强度测试(每节车厢选取3处)，记录结果见表1。

表1 信号场强记录

车厢内各处的WiFi信号强度基本控制在－40～－60 dBm，能满足正常无线通信需求。

2)覆盖区域认证测试。测试人员在列车车厢内进行10次的用户上/下线测试，记录结果见表2。

表2 认证测试记录

3)覆盖区域业务测试。测试人员在列车上对各个AP进行AP信道、上传/下载、Ping包测试，记录结果见表3。

表3 业务测试记录

在列车运行期间，20人在首节车厢自由使用WiFi，网页打开速率平均3 s，下载速率稳定在200 KB/s，Ping包延时低于50 ms，丢包率小于3%，全程网络使用感知较为理想。

2.3.4 CBTC信号系统

1)无线覆盖场强。全线信号网信道2(信号蓝网)如图4所示，全线信号网信道13(信号红网)如图5所示。

由图4和图5可以看出，全线信号网信道2和信道13无线信号场强基本保持在－40～－60 dBm，满足信号系统车地通信的要求。

2)丢包率。信道2(信号蓝网)如图6所示。信道13(信号红网)如图7所示。

图4 信号蓝网

图5 信号红网

图6 信号蓝网丢包测试记录

测试结果表明，当车载WiFi系统运行在2.4 GHz频段7频点的状态下，且AP发射功率在2.512 mW时，信号系统无线覆盖信号场强分布不受影响，车地端到端通信的丢包率小于0.1%，可满足信号车地通信质量要求［9-10］。

图7 信号红网丢包测试记录

3 总结

综上所述，为了加强乘客出行便捷以及乘客对无线上网需求的迫切性，同时考虑到地铁CBTC系统运营的安全、可靠性，地铁项目在设计初期，运营商各方就应加强重视，同时考虑各方对WLAN(无线局域网)信道的需求，合理规划频点的使用。笔者提出3点建议供参考。

1)首先确定地铁信号系统对信道的使用需求，尽量将信号系统两个冗余保护通道频点安排在2.4 GHz频段的两端，即分别靠近信道1和信道13，做到尽量大的信道隔离度。

2)车载WiFi系统信道采用信道7/8/9中一个或组合，紧邻司机室车厢内AP的布置应避开靠近司机室区域;控制车载WiFi AP的发射功率，将其无线覆盖区域控制在本车厢区域内，减少车载WiFi AP自身系统间的互相干扰。

3)对于其他WLAN的应用系统，如PIS(乘客信息系统)建议采用5.8 GHz频段，可以与信号系统、车载WiFi系统做到完全的信道隔离，互不干扰。

［1］Theodore S.Rappaport.无线通信原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2009:30-34.

［2］Andrea Goldsmith.无线通信［M］.北京:人民邮电出版社，2007:22-24.

［3］高峰.无线城市电信级WiFi网络建设与运营［M］.北京:人民邮电出版社，2011:87-89.

［4］GB 50157―2013地铁设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2014:171-185.

［5］林瑜筠，谭丽，涂序跃，等.高速铁路信号技术［M］.北京:中国铁道出版社，2012:75-80.

［6］蔡昌俊.城市轨道交通CBTC系统无线同频干扰应对策略［J］.铁路通信信号，2013，49(7):74-76.

［7］郭阳.地铁移动新媒体现状研究［J］.信息通信，2014(10):263.

［8］张健.无线传输技术在地铁车辆中的应用探究［J］.中国新通信，2015(5):77.

［9］窦立星.地铁CBTC系统干扰原因及干扰预测［J］.信息技术与信息化，2014(4):222-224.

［10］崔鹏.地铁CBTC信号系统的WiFi风险防范建议［J］.中国铁路，2014(4):73-75.