地铁WLAN应用抗干扰分析

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【摘要】 地铁信号系统和PIDS系统车-地通信方式普遍采用wlan技术，但是信号传播的开放性使WLAN系统容易受到来自周围环境的各种干扰。本文分析WLAN无线传输网络受干扰的原因，提出了无线干扰处理方法和建议。

【关键词】 车-地双向连续通信 802.11 干扰

目前，我国城市轨道交通行业中信号系统、PIDS系统（乘客信息显示系统）车-地通信方式普遍采用开放式的基于IEEE802.11标准的WLAN作为通信制式，工作在2.4GHz的开放频段。由于车辆行进中的无线信号传播的衰落特性，以及多普勒效应和地下隧道通信的传播模型特点，都必然会导致信号的码间干扰，从而导致有效带宽急剧下降，进而造成无线传输的不稳定性。另一方面，在区间隧道中又与信号系统/PIDS系统、民用通信系统（手机运营商）、公安无线通信系统、专用无线通信系统一并分布，尤其是随着移动通信技术的发展，手机运营商3G技术的推广使用，干扰不可避免地存在。深圳地铁信号系统曾多次因便携式WiFi的影响造成列车紧急制动，这种干扰已经对轨道交通安全运行造成了重大影响。

因此，有必要对地铁内WLAN应用抗干扰问题进行分析，避免不利情况的发生，最大程度上减小干扰对系统性能的影响，更好地保障通信质量，确保信号系统/PIDS系统的正常使用。

一、干扰分析

WLAN信号传播的开放性使WLAN系统容易受到来自周围环境的各种干扰，这些干扰会造成传输中的误码或阻塞数据的发送，使系统中的误码率和延迟增加，降低可靠性。WLAN系统接收无线干扰主要来源于WLAN系统自干扰和其它系统的干扰两个方面。

1.1 自干扰

PIDS系统和信号系统的车地通信均使用WLAN技术，不同的是信号系统采用的802.11b/g，而PIDS系统可采用有802.11g和802.11a。相互干扰的主要原因有同频干扰和邻道干扰两个方面。

1.1.1 同频干扰

所谓同频干扰，即指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。当信号系统和PIDS系统共用2.4GHz频段的相同信道时，两者的信道中心频点相同，即为同频。列车运行过程中，信号系统和PIDS系统的车载与地面AP会分别建立关联，进行无线通信。两者都需要占用信道进行通信，而通信链路只有一条，无法同时发送数据，对于多个站点同时利用相同信道发送数据帧的情况，MAC层引入了载波侦听多路接入/碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）机制来解决这一问题。

CSMA/CA是利用所谓的载波侦听技术，来判断某一信道中的信号能量是否达到一个基准点，如果信号的强度在这基准点之下，表示该信道未被占用；反之，则表示忙碌。当工作站想要传送帧时，先检测信道是否繁忙。若检测到信道空闲，则开始等待一段帧间隔时间（DIFS），在这段时间中，如果仍然没有其他工作站传送帧，时间到立即发送帧。若检测到信道繁忙，或在等待帧间隔时间内信道变忙，即有其他站点发送帧，则等到其他站点发送完成后等待一段帧间隔时间（DIFS），时间到达后进入竞争窗口（Contention Window，CW）。此时工作站会产生一段随机时间，称为后退时间（backoff time），此后退时间随时间递减，工作站必须等到其后退时间减为0才能传送帧。值得注意的是，此后退时间不一定能顺利的持续递减。如果只有一部工作站进入竞争窗口，则其后退时间可以持续递减到0。如果有许多的工作站同时进入竞争窗口，则在递减过程中，只要有其他的工作站传送帧就表示此轮的竞争窗口结束，此时就必须暂停递减的工作，待下次再进入竞争窗口时才继续递减。CSMA/CA机制的工作过程如图1所示。

由CSMA/CA的特性可以知道，当多个站点同时占用相同信道工作时，信道上一次只能发送一个数据帧，这时各个站点在发送数据帧前就需要经历帧间隔时间和后退时间，有可能是经过多次的后退才能发送，这就会导致数据帧的发送具有一定的延时。另外，帧传送前虽然延迟随机数时间但还是可能发生碰撞，而当冲撞发生时又侦测不出来，此时传送的帧就会漏失掉，导致丢包。由此看出，多个工作站同时占用相同信道发送数据帧会严重影响工作站的吞吐量。所以，当PIDS系统和信号系统占用相同信道时，会导致数据包的碰撞产生延时和丢包，影响了吞吐量。这是PIDS系统与信号系统之间造成同频干扰的一个重要原因。

1.1.2 邻道干扰

邻道干扰简言之就是相邻信道功率落入接收机信道频率范围内造成的干扰。虽然理论上不同的信道或频段是互相隔离的，通过滤波器可以使通带外的信号降低，但由于滤波器的性能不是理想的，通带外的信号不会完全消除，依然有很大的旁瓣能量存在，此能量依然属于802.11WLAN信号的通频带范围内，所以会对主导信号造成干扰。

当信号系统的WLAN和PIDS系统的WLAN使用相邻信道，或信道中心频率间隔小于5MHz的时候，比如IEEE802.11b/g标准的1信道和3信道，分别在2412MHz和2422MHz频率上，由于每个信道有22MHz的带宽，会有一部分信道重叠，所以信号之间会产生影响，这个一般称为邻道干扰。信道越接近，重叠的部分越大，影响越严重；反之，信道越远，重叠的部分越少，影响越小。当信道间隔达到5个或以上时，信道之间就没有重叠部分，理论上不会有任何干扰。但实际上，商用无线设备生成的信号并不完美，从802.11射频发出的信号常常生成一些超出其许可范围的能量，称之为边带发射。通过接收端的滤波器时，滤波器理论上会将所需带宽以外的频率都过滤掉，实际上它只是可以将来自相邻信道的RF干扰一定程度的降低，此干扰还是会生成旁瓣能量，进入到主导频带范围内，如图2所示。旁瓣能量可能改变原信号的能量大小，使有用信号部分地改变或失去原有的信号特征导致误码等。这样原来信号就无法被接收端正确的接收而造成丢包。

所以，不仅是相邻有重叠部分的信道之间会产生干扰，即使没有重叠，如1信道和6信道之间，也是会产生干扰的。正因为如此当信号系统和PIDS系统分别工作在802.11g的不重叠信道1和6上，甚至是分别工作在2.4GHz和5.8GHz时，PIDS系统依然会对信号系统造成干扰，只是干扰的程度不一样。

由邻道干扰的分析可知，相隔信道间存在不同程度的干扰。两个信道隔得越远，它们的频率范围重叠的部分越少，干扰越小；反之，两信道离得越近，频率重叠的部分越多，干扰越大。

1.2 其他系统对WLAN无线网络的干扰

从其他系统对WLAN无线网络的影响来看，影响802.11b/g的2.4GHz频段的干扰源很多。具体而言，目前对2.4GHz可能的干扰源包括无绳电话系统（DECT）、民用通信系统、蓝牙设备、微波通信系统，以及其它FHSS跳频通信系统。

二、抗干扰处理

根据以上分析，我们应从减少干扰和抗干扰两个方面采取技术方案消除对WLAN系统的无线干扰。

2.1 建设初期进行合理的频点规划

在每条新建地铁初期，应对无线频点进行合理规划。由于手机运营商获得国家批准的无线频段规划，那么我们应加强地铁内部自身系统的无线频段规划工作，合理规避信号系统与PIDS系统所可能产生的无线干扰。

由于2.4GHz是一个开放的频段，只要其无线接入点的发射功率及带外辐射满足无线电管理委员会的要求，则无需提出专门的申请就可使用此频段，并且相关配套设备较多，技术成熟，运营维护成本低，同时考虑到信号系统传输数据少，占用无线传输带宽资源较少，建议信号系统采用2.4GHz频段的802.11g技术，采用干扰规避等措施，使用高指向性天线，或者使用漏泄电缆或波导管方式控制外界干扰。

PIDS系统是非安全系统，对传输数据的可靠性要求不是很高，即使信息完全中断也不会影响地铁系统的正常运营，丢失的数据包可以通过错误重传机制来补齐，以保证图像的连续性，因此建议PIDS系统采用5.8GHz频段的802.11a技术，唯一的不足是需要向无线电管理委员会申请许可，每年需要交纳一定的频率使用费。

2.2 WLAN系统处理方案

（1）提高信噪比、降低灵敏度。WLAN系统若要避免无线干扰，应在2.4GHz频段允许的范围内，提高AP天线发射功率，同时降低接收灵敏度，使来自轨道方向的有用信号增强，来自干扰方向的信号减弱。（2）传输信息加密。WLAN系统必须采取加密措施，以保证传输信息的安全性、可靠性和可用性。（3）改善WLAN系统的同频干扰。采用发送RTS/CTS报文，控制报文握手来解决网络中的隐终端和暴露终端问题；缩短数据包长度，减少冲突和碰撞的概率，在干扰比较严重的区域，有利于提高总体带宽。

三、结束语

WLAN系统已成为城市轨道交通车-地双向连续通信方式的主流制式，通过采取必要的无线抗干扰技术能够提升系统的抗干扰能力，但频率干扰问题是无法彻底根除的。只有严谨地划分频率及合理的规划频点，并不断引入最新或更合适的抗干扰技术，才能将干扰问题缩小到最小，才能最大限度发挥系统的优势，提高传输效率。

参 考 文 献

[1] 广州地铁三号线数据通信设备维护手册[G]. 广州，2005

[2] 李洁. CBTC系统与PIS共存问题的研究[D]. 北京：北京交通大学，2010

[3] 林海香，董昱. 基于通信的列车控制在轨道交通中应用的关键技术[J]. 城市轨道交通研究，2010（09）：81-84