當(dāng)前，我國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，交通問題已成為城市發(fā)展的“瓶頸”問題。隨著我國城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速的發(fā)展，城市化進(jìn)程在逐步加快，城市人口在急劇增加，發(fā)展軌道交通是我國大城市解決交通問題最重要的途徑。目前國內(nèi)人口過百萬的城市中，很多城市已經(jīng)開通或者正在建設(shè)地鐵。預(yù)計(jì)到2050 年中國城市軌道交通線路總長將超過4500公里。

     基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）近些年在全世界作為城市軌道交通信號控制技術(shù)發(fā)展最迅速的一種技術(shù)，應(yīng)用越來越廣泛。它也成為了為我國軌道交通信號控制的主流。該系統(tǒng)不依靠軌道電路向車載設(shè)備傳遞信息，而是利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)“車--地通信”并實(shí)時(shí)地傳遞“列車定位”信息。由于無線通信技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)不僅能雙向通信，同時(shí)具有信息量大；能夠精確快速實(shí)現(xiàn)車輛定位，提高運(yùn)行密度，縮短列車編組；能夠減少軌旁設(shè)備，便于安裝維護(hù)等等優(yōu)點(diǎn)。 

     無線網(wǎng)絡(luò)是一種能夠?qū)€(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。WiFi是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。因而WiFi技術(shù)所使用的無線頻率也是IEEE802.11所指定的頻率。目前我國地鐵中WiFi系統(tǒng)服務(wù)的運(yùn)營商主要是公眾移動通信系統(tǒng)運(yùn)營商。

     ISM頻段由ITU（國際通信聯(lián)盟）定義的，主要開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，屬于免費(fèi)頻段，無需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對其它頻段造成干擾即可。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)所涉及的兩個(gè)頻段2.420–2.4835GHz;和5.725–5.875 GHz,就是ITU指定的ISM頻段。上述頻段我國也做出了規(guī)定，分配給給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）使用。因此，也是免費(fèi)頻段和不受保護(hù)的,一般只要遵守規(guī)定，對輸出功率做出相應(yīng)限制即可。這種頻段的規(guī)定主要是為了方便低、微功耗功耗的用戶使用。

 

2　CBTC系統(tǒng)與WiFi通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因

     我國各大城市的地鐵系統(tǒng)有很多采用了基于無線通信的CBTC系統(tǒng)，運(yùn)行狀態(tài)良好穩(wěn)定。不過從2012年起，深圳地鐵蛇口線和環(huán)中線列車多次因信號系統(tǒng)受干擾發(fā)生暫停故障，引發(fā)了各界對地鐵安全運(yùn)行問題的普遍關(guān)注。調(diào)查的初步結(jié)論是：乘客隨身的WiFi干擾了地鐵信號系統(tǒng)的車-地通信，造成指令異常導(dǎo)致列車急停。究其原因，主要在移動互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)催生了地鐵內(nèi)有大量WiFi用戶，使用運(yùn)營商提供WiFi的用戶迅速增多成為CBTC系統(tǒng)不可回避的強(qiáng)干擾源，使地鐵內(nèi)電磁環(huán)境限值超出了CBTC系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)。

     那么大量用戶使用WiFi通信能夠干擾到CBTC系統(tǒng)的原因是什么呢？首先，我們要介紹一下基于無線通信的CBTC系統(tǒng)。由于各種原因，我國地鐵CBTC系統(tǒng)的無線接口主是WLAN技術(shù)還有泄露同軸電纜技術(shù)，這兩種技術(shù)使用的頻段也是2.4g的ISM頻段，并且WLAN的技術(shù)特點(diǎn)與WiFi技術(shù)特點(diǎn)類似。因此，分析WiFi干擾的方法同樣也適用于分析CBTC系統(tǒng)的無線干擾。WiFi的干擾主要有同頻干擾和鄰頻干擾。這兩類干擾會導(dǎo)致系統(tǒng)的信號丟包、誤碼率增加、降低移動系統(tǒng)的抗干擾能力，極端情況下就能夠工作于該頻道的設(shè)備徹底堵塞，失去通信能力。這樣，就能導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)車--地通信的徹底阻塞，從而引發(fā)地鐵列車控制故障。因此，如果大量乘客使用便攜式WiFi設(shè)備，引起地鐵的電磁環(huán)境超出了當(dāng)初移動CBTC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)環(huán)境的安全限值，就可能引起CBTC設(shè)備的異常。

 

3　分析與預(yù)測

     根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在2.4~2.4835 GHz頻段內(nèi)共配置了14個(gè)信道（后兩個(gè)信道在中國不能用，2.4835 GHz向上已劃分給其它業(yè)務(wù)），采用直序擴(kuò)頻技術(shù)DSSS,每個(gè)信道帶寬為20 MHz，實(shí)際需要22MHz。理想情況下，該頻段最多可以有3個(gè)信道組合供實(shí)際使用，即No.1,NO.6,No.11。

              

                                                  圖1　2.4G頻段劃分示意圖

     對于5.8GHz頻段，我國做出了專門規(guī)定，指定該頻段在我國可用于點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、高速無線局域網(wǎng)、寬帶無線接入、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備、車輛自動識別系統(tǒng)等各類無線電臺站使用；同時(shí)，規(guī)定5725～5850MHz頻段為無線電定位業(yè)務(wù)及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療等非無線通信設(shè)備的共用頻段。也就是說該頻段也可以用于WiFi和CBTC系統(tǒng)。目前，WiFi通信系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)雖然還沒有使用5.8G頻段，但隨著發(fā)展，該頻道也必然會被使用。因此本文將該頻段也一并分析。同樣的，對于5.8 GHz頻段，能夠利用的信道相對多了一些，最多可以有5個(gè)信道，信道號149,153,157,161,165，每個(gè)信道帶寬也是20MHz。

     由此可見，在地鐵站臺和車廂的環(huán)境中，大量的移動用戶使用公眾移動運(yùn)營商提供的WiFi系統(tǒng)上網(wǎng)時(shí)，必然與鐵路無線通信CBTC系統(tǒng)爭搶無線信道，在2.4G頻段最多僅有3個(gè)無線信道，5.8G最多僅有5個(gè)無線信道的情況下，相互產(chǎn)生干擾從而導(dǎo)致鐵路CBTC系統(tǒng)異常,這種情況也是可以預(yù)料的。

                            

 

                     圖2　公眾移動WiFi用戶同時(shí)處于公用移動系統(tǒng)AP和CBTC系統(tǒng)AP覆蓋范圍內(nèi)

     公眾移動通信系統(tǒng)的WiFi系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)AP處于同一空間，同樣也是全范圍覆蓋，在正常情況下這兩套系統(tǒng)的AP相互之間可以不產(chǎn)生干擾。當(dāng)公眾移動用戶的數(shù)量很大，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量很大，并且用戶不僅處于公眾移動通信系統(tǒng)的AP覆蓋范圍，也處于地鐵CBTC系統(tǒng)AP范圍，從而產(chǎn)生了對地鐵CBTC系統(tǒng)AP的干擾。

     本文嘗試借助語音業(yè)務(wù)量與呼損率的分析，來預(yù)測對CBTC系統(tǒng)AP干擾產(chǎn)生的條件。假設(shè)移動WiFi用戶的業(yè)務(wù)量和分布特征與語音業(yè)務(wù)的相同（實(shí)際情況下，移動數(shù)據(jù)用戶的使用時(shí)間應(yīng)大于移動語音用戶的使用時(shí)間）。當(dāng)呼損率高于一定數(shù)值時(shí)，此時(shí)公眾移動WiFi用戶會因通信大量堵塞、延遲產(chǎn)生大量的信號發(fā)送，因此產(chǎn)生了對于CBTC系統(tǒng)的干擾。這樣我們考慮的問題就演變成為：在信道數(shù)確定的情況下，計(jì)算用戶容量的問題。因此我們可以利用通信系統(tǒng)中愛爾蘭公式進(jìn)行計(jì)算。

     根據(jù)愛爾蘭公式：

     

     B為呼損率，A為系統(tǒng)流入話務(wù)量，n為設(shè)備數(shù)量

     由此可以得到呼損率和話務(wù)量與信道數(shù)與信道利用率的關(guān)系表，下面僅列出有關(guān)部分，即信道數(shù)為3和信道數(shù)為5的部分。

 

            

                                     表1　呼損率和話務(wù)量與信道數(shù)和信道利用率的關(guān)系

　　對于我們考慮的WiFi系統(tǒng)，這里設(shè)定如下條件：每天每個(gè)用戶平均發(fā)起通信10次，每次占用信道的平均時(shí)間為80秒，集中系數(shù)為K=0.125，呼損率分別考慮10％和25%，即每用戶忙時(shí)話務(wù)量a=0.125, 經(jīng)計(jì)算得到下表：

           

                                    表2　呼損率和話務(wù)量與信道數(shù)和用戶數(shù)的關(guān)系

　　由上表我們可以進(jìn)行簡單的估計(jì)：假設(shè)在25%的系統(tǒng)呼損下WIFI系統(tǒng)中可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼、通訊堵塞，由此產(chǎn)生對CBTC系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，那么此時(shí)系統(tǒng)容量分別為2.4G頻段17人和5.8G頻段36人。

 

4　結(jié)語

　　地鐵中的公眾移動WiFi系統(tǒng)會對地鐵基于無線通信的CBTC系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，本文分析了干擾產(chǎn)生的原因，嘗試提出了干擾產(chǎn)生條件的分析思路，并針對設(shè)定條件進(jìn)行了初步計(jì)算。

　　基于無線通信的CBTC系統(tǒng)在歐洲和美國有很多應(yīng)用，基本沒有被干擾的報(bào)道，但是在國內(nèi)的系統(tǒng)卻因公眾移動WiFi用戶過多產(chǎn)生了故障。分析原因，主要是因?yàn)閲鴥?nèi)用戶數(shù)目過于龐大。我國的大城市，地鐵高峰時(shí)刻乘客異常擁擠，遠(yuǎn)超歐美各個(gè)國家。這些人也是公眾移動WiFi的高頻率用戶，導(dǎo)致基于無線通信的地鐵CBTC系統(tǒng)被干擾，不能正常工作。這里需要指出的是：在經(jīng)過大量現(xiàn)場觀察測試，準(zhǔn)確測量出公眾移動WiFi系統(tǒng)用戶的使用情況;并且統(tǒng)計(jì)出在地鐵CBTC系統(tǒng)被干擾時(shí)WiFi系統(tǒng)的用戶使用情況，可能就可以比較準(zhǔn)確的估計(jì)出系統(tǒng)呼損多大時(shí)，CBTC系統(tǒng)會被干擾。在此基礎(chǔ)上，在保障地鐵CBTC系統(tǒng)能正常工作的前提下，還能使公眾移動WiFi系統(tǒng)在地鐵中正常使用。