當前，我國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現象，交通問題已成為城市發展的“瓶頸”問題。隨著我國城市規模和經濟建設飛速的發展，城市化進程在逐步加快，城市人口在急劇增加，發展軌道交通是我國大城市解決交通問題最重要的途徑。目前國內人口過百萬的城市中，很多城市已經開通或者正在建設地鐵。預計到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（CBTC）近些年在全世界作為城市軌道交通信號控制技術發展最迅速的一種技術，應用越來越廣泛。它也成為了為我國軌道交通信號控制的主流。該系統不依靠軌道電路向車載設備傳遞信息，而是利用無線通信技術實現“車--地通信”并實時地傳遞“列車定位”信息。由于無線通信技術的發展，這種技術不僅能雙向通信，同時具有信息量大；能夠精確快速實現車輛定位，提高運行密度，縮短列車編組；能夠減少軌旁設備，便于安裝維護等等優點。 

     無線網絡是一種能夠將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。WiFi是一個無線網絡通信技術的品牌，目的是改善基于IEEE802.11標準的無線網絡產品之間的互通性。因而WiFi技術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系統服務的運營商主要是公眾移動通信系統運營商。

     ISM頻段由ITU（國際通信聯盟）定義的，主要開放給工業、科學、醫學三個主要機構使用，屬于免費頻段，無需授權許可，只需要遵守一定的發射功率(一般低于1W)，并且不要對其它頻段造成干擾即可。IEEE802.11標準所涉及的兩個頻段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定，分配給給工業、科學和醫療（ISM）使用。因此，也是免費頻段和不受保護的,一般只要遵守規定，對輸出功率做出相應限制即可。這種頻段的規定主要是為了方便低、微功耗功耗的用戶使用。

 

2　CBTC系統與WiFi通信系統產生干擾的原因

     我國各大城市的地鐵系統有很多采用了基于無線通信的CBTC系統，運行狀態良好穩定。不過從2012年起，深圳地鐵蛇口線和環中線列車多次因信號系統受干擾發生暫停故障，引發了各界對地鐵安全運行問題的普遍關注。調查的初步結論是：乘客隨身的WiFi干擾了地鐵信號系統的車-地通信，造成指令異常導致列車急停。究其原因，主要在移動互聯網的爆發催生了地鐵內有大量WiFi用戶，使用運營商提供WiFi的用戶迅速增多成為CBTC系統不可回避的強干擾源，使地鐵內電磁環境限值超出了CBTC系統安全標準。

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

 

3　分析與預測

     根據標準，在2.4~2.4835 GHz頻段內共配置了14個信道（后兩個信道在中國不能用，2.4835 GHz向上已劃分給其它業務），采用直序擴頻技術DSSS,每個信道帶寬為20 MHz，實際需要22MHz。理想情況下，該頻段最多可以有3個信道組合供實際使用，即No.1,NO.6,No.11。

              

                                                  圖1　2.4G頻段劃分示意圖

     對于5.8GHz頻段，我國做出了專門規定，指定該頻段在我國可用于點對點或點對多點擴頻通信系統、高速無線局域網、寬帶無線接入、藍牙技術設備、車輛自動識別系統等各類無線電臺站使用；同時，規定5725～5850MHz頻段為無線電定位業務及工業、科學和醫療等非無線通信設備的共用頻段。也就是說該頻段也可以用于WiFi和CBTC系統。目前，WiFi通信系統和CBTC系統雖然還沒有使用5.8G頻段，但隨著發展，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個信道，信道號149,153,157,161,165，每個信道帶寬也是20MHz。

     由此可見，在地鐵站臺和車廂的環境中，大量的移動用戶使用公眾移動運營商提供的WiFi系統上網時，必然與鐵路無線通信CBTC系統爭搶無線信道，在2.4G頻段最多僅有3個無線信道，5.8G最多僅有5個無線信道的情況下，相互產生干擾從而導致鐵路CBTC系統異常,這種情況也是可以預料的。

                            

 

                     圖2　公眾移動WiFi用戶同時處于公用移動系統AP和CBTC系統AP覆蓋范圍內

     公眾移動通信系統的WiFi系統與CBTC系統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的AP相互之間可以不產生干擾。當公眾移動用戶的數量很大，數據業務量很大，并且用戶不僅處于公眾移動通信系統的AP覆蓋范圍，也處于地鐵CBTC系統AP范圍，從而產生了對地鐵CBTC系統AP的干擾。

     本文嘗試借助語音業務量與呼損率的分析，來預測對CBTC系統AP干擾產生的條件。假設移動WiFi用戶的業務量和分布特征與語音業務的相同（實際情況下，移動數據用戶的使用時間應大于移動語音用戶的使用時間）。當呼損率高于一定數值時，此時公眾移動WiFi用戶會因通信大量堵塞、延遲產生大量的信號發送，因此產生了對于CBTC系統的干擾。這樣我們考慮的問題就演變成為：在信道數確定的情況下，計算用戶容量的問題。因此我們可以利用通信系統中愛爾蘭公式進行計算。

     根據愛爾蘭公式：

     

     B為呼損率，A為系統流入話務量，n為設備數量

     由此可以得到呼損率和話務量與信道數與信道利用率的關系表，下面僅列出有關部分，即信道數為3和信道數為5的部分。

 

            

                                     表1　呼損率和話務量與信道數和信道利用率的關系

　　對于我們考慮的WiFi系統，這里設定如下條件：每天每個用戶平均發起通信10次，每次占用信道的平均時間為80秒，集中系數為K=0.125，呼損率分別考慮10％和25%，即每用戶忙時話務量a=0.125, 經計算得到下表：

           

                                    表2　呼損率和話務量與信道數和用戶數的關系

　　由上表我們可以進行簡單的估計：假設在25%的系統呼損下WIFI系統中可能會產生嚴重的誤碼、通訊堵塞，由此產生對CBTC系統產生干擾，那么此時系統容量分別為2.4G頻段17人和5.8G頻段36人。

 

4　結語

　　地鐵中的公眾移動WiFi系統會對地鐵基于無線通信的CBTC系統產生干擾，本文分析了干擾產生的原因，嘗試提出了干擾產生條件的分析思路，并針對設定條件進行了初步計算。

　　基于無線通信的CBTC系統在歐洲和美國有很多應用，基本沒有被干擾的報道，但是在國內的系統卻因公眾移動WiFi用戶過多產生了故障。分析原因，主要是因為國內用戶數目過于龐大。我國的大城市，地鐵高峰時刻乘客異常擁擠，遠超歐美各個國家。這些人也是公眾移動WiFi的高頻率用戶，導致基于無線通信的地鐵CBTC系統被干擾，不能正常工作。這里需要指出的是：在經過大量現場觀察測試，準確測量出公眾移動WiFi系統用戶的使用情況;并且統計出在地鐵CBTC系統被干擾時WiFi系統的用戶使用情況，可能就可以比較準確的估計出系統呼損多大時，CBTC系統會被干擾。在此基礎上，在保障地鐵CBTC系統能正常工作的前提下，還能使公眾移動WiFi系統在地鐵中正常使用。