當(dāng)前，我國(guó)大中城市普遍存在著道路擁擠、車(chē)輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，交通問(wèn)題已成為城市發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題。隨著我國(guó)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(guó)大城市解決交通問(wèn)題最重要的途徑。目前國(guó)內(nèi)人口過(guò)百萬(wàn)的城市中，很多城市已經(jīng)開(kāi)通或者正在建設(shè)地鐵。預(yù)計(jì)到2050 年中國(guó)城市軌道交通線路總長(zhǎng)將超過(guò)4500公里。

     基于無(wú)線通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC）近些年在全世界作為城市軌道交通信號(hào)控制技術(shù)發(fā)展最迅速的一種技術(shù)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它也成為了為我國(guó)軌道交通信號(hào)控制的主流。該系統(tǒng)不依靠軌道電路向車(chē)載設(shè)備傳遞信息，而是利用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)“車(chē)--地通信”并實(shí)時(shí)地傳遞“列車(chē)定位”信息。由于無(wú)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(chē)輛定位，提高運(yùn)行密度，縮短列車(chē)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(wú)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(wú)線方式互相連接的技術(shù)。WiFi是一個(gè)無(wú)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(wú)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(wú)線頻率也是IEEE802.11所指定的頻率。目前我國(guó)地鐵中WiFi系統(tǒng)服務(wù)的運(yùn)營(yíng)商主要是公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商。

     ISM頻段由ITU（國(guó)際通信聯(lián)盟）定義的，主要開(kāi)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(wú)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(duì)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(guó)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(duì)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(hù)使用。

 

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

     我國(guó)各大城市的地鐵系統(tǒng)有很多采用了基于無(wú)線通信的CBTC系統(tǒng)，運(yùn)行狀態(tài)良好穩(wěn)定。不過(guò)從2012年起，深圳地鐵蛇口線和環(huán)中線列車(chē)多次因信號(hào)系統(tǒng)受干擾發(fā)生暫停故障，引發(fā)了各界對(duì)地鐵安全運(yùn)行問(wèn)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(hào)系統(tǒng)的車(chē)-地通信，造成指令異常導(dǎo)致列車(chē)急停。究其原因，主要在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)催生了地鐵內(nèi)有大量WiFi用戶(hù)，使用運(yùn)營(yíng)商提供WiFi的用戶(hù)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(hù)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(wú)線通信的CBTC系統(tǒng)。由于各種原因，我國(guó)地鐵CBTC系統(tǒng)的無(wú)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(lèi)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(wú)線干擾。WiFi的干擾主要有同頻干擾和鄰頻干擾。這兩類(lèi)干擾會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的信號(hào)丟包、誤碼率增加、降低移動(dòng)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(chē)--地通信的徹底阻塞，從而引發(fā)地鐵列車(chē)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(dòng)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(cè)

     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(guó)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(duì)于5.8GHz頻段，我國(guó)做出了專(zhuān)門(mén)規(guī)定，指定該頻段在我國(guó)可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、高速無(wú)線局域網(wǎng)、寬帶無(wú)線接入、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備、車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等各類(lèi)無(wú)線電臺(tái)站使用；同時(shí)，規(guī)定5725～5850MHz頻段為無(wú)線電定位業(yè)務(wù)及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療等非無(wú)線通信設(shè)備的共用頻段。也就是說(shuō)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(méi)有使用5.8G頻段，但隨著發(fā)展，該頻道也必然會(huì)被使用。因此本文將該頻段也一并分析。同樣的，對(duì)于5.8 GHz頻段，能夠利用的信道相對(duì)多了一些，最多可以有5個(gè)信道，信道號(hào)149,153,157,161,165，每個(gè)信道帶寬也是20MHz。

     由此可見(jiàn)，在地鐵站臺(tái)和車(chē)廂的環(huán)境中，大量的移動(dòng)用戶(hù)使用公眾移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的WiFi系統(tǒng)上網(wǎng)時(shí)，必然與鐵路無(wú)線通信CBTC系統(tǒng)爭(zhēng)搶無(wú)線信道，在2.4G頻段最多僅有3個(gè)無(wú)線信道，5.8G最多僅有5個(gè)無(wú)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(dòng)WiFi用戶(hù)同時(shí)處于公用移動(dòng)系統(tǒng)AP和CBTC系統(tǒng)AP覆蓋范圍內(nèi)

     公眾移動(dòng)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(dòng)用戶(hù)的數(shù)量很大，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量很大，并且用戶(hù)不僅處于公眾移動(dòng)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(duì)地鐵CBTC系統(tǒng)AP的干擾。

     本文嘗試借助語(yǔ)音業(yè)務(wù)量與呼損率的分析，來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)CBTC系統(tǒng)AP干擾產(chǎn)生的條件。假設(shè)移動(dòng)WiFi用戶(hù)的業(yè)務(wù)量和分布特征與語(yǔ)音業(yè)務(wù)的相同（實(shí)際情況下，移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶(hù)的使用時(shí)間應(yīng)大于移動(dòng)語(yǔ)音用戶(hù)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(dòng)WiFi用戶(hù)會(huì)因通信大量堵塞、延遲產(chǎn)生大量的信號(hào)發(fā)送，因此產(chǎn)生了對(duì)于CBTC系統(tǒng)的干擾。這樣我們考慮的問(wèn)題就演變成為：在信道數(shù)確定的情況下，計(jì)算用戶(hù)容量的問(wèn)題。因此我們可以利用通信系統(tǒng)中愛(ài)爾蘭公式進(jìn)行計(jì)算。

     根據(jù)愛(ài)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(duì)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(hù)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(hù)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(hù)數(shù)的關(guān)系

　　由上表我們可以進(jìn)行簡(jiǎn)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼、通訊堵塞，由此產(chǎn)生對(duì)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(yǔ)

　　地鐵中的公眾移動(dòng)WiFi系統(tǒng)會(huì)對(duì)地鐵基于無(wú)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(duì)設(shè)定條件進(jìn)行了初步計(jì)算。

　　基于無(wú)線通信的CBTC系統(tǒng)在歐洲和美國(guó)有很多應(yīng)用，基本沒(méi)有被干擾的報(bào)道，但是在國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)卻因公眾移動(dòng)WiFi用戶(hù)過(guò)多產(chǎn)生了故障。分析原因，主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)用戶(hù)數(shù)目過(guò)于龐大。我國(guó)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(guó)家。這些人也是公眾移動(dòng)WiFi的高頻率用戶(hù)，導(dǎo)致基于無(wú)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(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)試，準(zhǔn)確測(cè)量出公眾移動(dòng)WiFi系統(tǒng)用戶(hù)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(hù)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(huì)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(dòng)WiFi系統(tǒng)在地鐵中正常使用。