南京地铁机场线CBTC与PIS在2.4G无线频段共存研究

周 鹏

南京地铁机场线CBTC与PIS在2.4G无线频段共存研究

周 鹏

本文重点围绕城市轨道交通基于无线通信的列车控制系统（CBTC）技术需求，详细描述了南京地铁机场线CBTC与PIS系统在2.4GHZ无线频段中共存的系统架构、无线频段规划情况和跳频抗干扰措施，并结合南京机场线工程的实际情况，在实验室数据的基础上，对整体共存方案进行了研究和探讨。

概况

基于无线通信的列车控制系统（CBTC）在城市轨道交通领域得到了越来越多的应用，它利用通信技术实现“车地通信”并实时地传递“列车定位”信息。旅客资讯系统（PIS）是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为乘客提供信息服务的系统。CBTC系统采用采用漏缆、裂缝波导管以及AP天线等方式实现车—地间双向数据传输和列车位置检测。由于CBTC模式下的AP天线车—地无线通信与PIS系统一并分布在区间隧道中，不可避免地形成空间无形波的多阶互调干扰，这种干扰对信号系统CBTC模式下的运行安全造成了影响。为此，有必要针对采用无线通信技术的CBTC和PIS系统进行分析，合理统一规划阶段多阶互调干扰问题，确保信号系统的安全运行。通过对南京地铁机场线项目CBTC与PIS在2.4G无线频段共存的理论分析、模拟测试，为合理选择频率规划提供决策依据。

总体设计方案

南京至高淳城际快速轨道南京南站至禄口机场段工程（简称南京地铁机场线）南起禄口机场，经禄口新城、东善桥-秣陵片区、东山副城西侧，止于南京南站，全长约35.8km，其中高架段长约16.9km，过渡段长约0.7km，地下段长约18.2km。其中高架车站3座，地下车站5座。初期配置15列列车。在机场线项目中，CBTC网络与PIS网络在物理上是两套独立的网络。

无线频率规划

南京机场线项目中，PIS与信号CBTC系统共同工作在2.4GHz频段，采用这种方式的优点是：ISM免费无线频段，无需申请特殊许可，无需每年支付相关频道费用；无线通信距离较5.8GHz频段扩大了近一倍，在保证通信质量的前提下缩减轨旁设备数量，节省工程造价；相关产品及技术成熟可靠，拥有在众多城市轨交项目中部署2.4G车地无线通信系统的成功经验，确保系统顺利按工程节点调试开通。

CBTC与PIS 2.4G频段共存方案1

CBTC可在2.4G全频段跳频，PIS传输固定在通道13。由于CBTC采用了先进的跳频扩频FHSS技术，其可以抵御PIS及其它2.4GHz无线同频信号的干扰，可以确保CBTC业务不受影响。

方案1： CBTC全频段跳频/PIS固定通道13

系统无线标准频点频率范围（GHz）CBTC 802.11FHSS 79个跳频点2.402-2.480 PIS 802.11n固定通道13 2.461-2.483

CBTC与PIS 2.4G频段共存方案2

利用先进技术手段将CBTC和PIS设置在2个不同的细分频段，可以确保两种专业相互之间不存在任何同频干扰。由于CBTC采用了先进的跳频扩频FHSS技术，其可以进一步抵御其它2.4GHz无线同频信号的干扰，可以确保CBTC业务不受影响。

系统无线标准频点频率范围（CBTC 802.11FHSS 60个跳频点（澳大利亚标准）2.402-2 PIS 802.11n固定信道13 2.461-2.483

方案2： CBTC部分频段跳频/PIS固定通道13

跳频抗干扰机制

由于大部分的干扰来源于符合802.11系列标准的其他设备，而802.11的无线标准中提供了一个非常有用的机制，可以让所有用户分享无线媒介，而带来的时延很小，不会影响列车控制系统的运行。

忽略干扰：通过设定尽量高的无线信号阈值，以排除很多干扰。对无线通信而言，其效果与没有其他信号或噪音存在时相同。

避开干扰：在2.4GHz有大量频点可供跳频，每次跳频间隔为64ms，且连续两次跳频点频率相差至少5MHz，在其他频点进行信息的重发。相对于其他无线标准，以上机制使得跳频系统能够尽可能避开同频干扰，在具体应用时，其效果非常理想。

竞争：这是利用802.11中的无线标准来自动实现的。

理论分析

CBTC与PIS在2.4GHz共存情况下，采用严苛的假设条件，分别计算采用两套方案时无线报文丢包率理论值。设CBTC与PIS如频点相互重叠时竞争胜率为50%，与其他Wi-Fi干扰源竞争胜率为70%。附加的干扰源为典型的Channel 1， 6，11强干扰源。在不考虑重传机制前提下，列车单头无线CBTC报文的丢包率如下表计算所得。

干扰源方案1（单头不重传）方案2（单头不重传）无附加干扰12.7% 0.0% Channel1 21.0% 8.4% Channel6 21.0% 8.4% Channel11 16.5% 4.2% Channel1+6 29.4% 16.7% Channel6+11 24.8% 12.2% Channel1+6+11 33.2% 20.5%

实验室模拟测试

搭建的实验环境中，CBTC信号RSSI强度为-45～-40dBm，通信速率为1Mbps，ping包数量为300个，32字节。CBTC分别工作在方案1、方案2指定的两种频段，PIS工作在固定的Channel13频段。模拟的附加干扰源是通道分别为Channel1，6，11的3对802.11g无线路由器设备。

无附加干扰源，CBTC无线AP信号重传1次机制下，CBTC单头设备丢包率。

方案1 Max rate 1 Mbps Ping 包 300个丢包1个丢包率 0.3%方案2 Max rate 1 Mbps Ping 包 300个丢包0个丢包率 0.0%

以上实验室模拟测试丢包率均小于理论计算值，考虑到实际CBTC运营环境下，采用车头、车尾双头同时工作的冗余机制，当Channel 1，6，11的干扰源同时附加的情况下：

方案1的等效丢包率约为0.13%，方案2的等效丢包率约为0.03%

结语

南京地铁机场线项目CBTC与PIS在2.4G无线频段业务共存方案，经理论分析计算及实验室模拟测试，两套方案均可满足CBTC运营所需的无线通信指标要求，均有优异的抗干扰性能，均可确保CBTC与PIS业务同时正常运营。

周 鹏

南京地铁建设有限责任公司，工程师。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.015