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摘要：车-地无线通信传输是地铁信号系统中车与地实现信息互传的一种重要方式。但如何确保数据传输在该方式中的安全可靠，则是信号系统的一个重要议题。针对该项议题，采用分析和列举的方法，通过对车-地无线通信传输的安全性需求进行分析，列举出当前在地铁运营和建设中存在的几种主要的车-地无线通信传输干扰源，同时针对各干扰源提出了几种切实可行的安全防御措施。
关键词：地铁信号系统；车地无线通信传输；抗干扰分析
随着我国经济的迅猛发展，城市人口数量急剧上升，也给城市带来了巨大的交通压力，给人民日常的生活造成了极大的困扰。而地铁的出现为人民生活带来了福音，极大地缓解了交通压力。如今，随着地铁轨道技术和通信技术的进步与发展，城市地铁轨道车地无线双向通信系统的应用愈来愈广泛，然而，由于其易受其本身及外界因素的干扰，在一定程度上对地铁的高效、安全的运行产生了阻碍，因此，笔者着重分析其干扰因素及抗干扰措施，以便于推动交通运输业的顺利发展。
1 车－地无线通信传输系统介绍
车－地无线通信系统虽然是地铁信号的子系统，但随着我国信号系统技术的不断发展，其已经成为了一个独立的信号组网。车－地无线通信系统主要由轨道旁的无线传输设备、车载接收天线、车载路由器、网络交换机、环网接入交换机以及室内无线服务器组成，通过轨道旁的无线设备和车载接收天线实现列车和地面的互相连接，从而使整个列车形成一个良好的信号集合体。
车－地无线通信传输系统由有线网和无线网组成，由于有线网的技术相对成熟和安全性较高，所以车－地无线通信系统的问题主要集中在车地无线网上，因此，解决车－地无线通信传输安全问题就至关重要。图1是车－地无线通信传输系统结构图，此图明确显示出车－地无线通讯系统的具体情况。
2地铁信号传输干扰源分析
地铁运行时采取的无线信息传输因其开放式很容易受到干扰，如乘客所带电子设备干扰、列车信号和乘客信息系统干扰、站台换乘时信号频率及高速移动时多普勒效应及多径效应干扰等。
2.1信号及乘客信息信号干扰
乘客信息系统由多媒体网络依靠计算机用显示车站终端满足乘客所需位置信息的服务系统。因其与地铁车-地无线传输信号系统的相同性，在列车顶部安装位置与列车安全系统接收天线较近，极易出现信号干扰现象。
2.2同站台换乘频率干扰问题
地铁中同台换乘情况极为普遍，当两条线路用同样的传输方式传输时，本线信号和另线信号覆盖极易出现矛盾干扰，站台属于开放式空间而无线传输系统信号电磁波的穿透力和反射力也会对信号产生干扰。
2.3乘客所带电子设备干扰
目前无线网已经越来越普遍，人们所携带的电子设备越来越多。无线网因其开放式导致无线信号很容易被乘客所带电子设备搜索到，使地铁信号系统信息及系统加密信息泄漏。倘若有不法分子用非法技术入侵地铁无线传输信号网，控制行车信息，使地铁行驶处于极大的危险中。
2.4无线区域协议或频段相同电子设备干扰
无线信号传输系统属于开放式，车-地无线传输系统线路周围的电子产品人地铁周围家用无线设备、商用无线设备和运营商热点设备、乘客所带手机、电子蓝牙设备等都会对信号造成物理干扰。
2.5高速移动多普勒效应及隧道多径效应
地铁行驶速度在80～90km/h，这种高速移动会使在接近和远离信号发送端时出现频率高低不同的现象。这种现象会造成系统误码率提升，系统的带宽及频率偏移也是高速移动中的多普勒效应影响，威胁信号系统安全。地铁形式隧道内，无线信号传输时因隧道内多经通道原因使信号传输到达接收点时间不同，隧道内通信由于反射过程及幅度变化出现变弱失真，最后出现通信无法稳定现象。
3 车-地无线通信传输的安全防护措施
针对以上信号系统车-地无线通信传输子系统安全性需求和干扰源的分析，信号系统在设计中，首要的应选择合适的无线传输技术以及做好相应的频点规划，以避开和减弱干扰。如传输媒介、编码技术、信道容量以及频率和频点的选择等。同时，还应结合目前各系统商的产品特点和技术水平，提出切实可行的防范措施。本文如下措施的描述主要基于对目前各系统商共有的技术特点，同时结合工程实际，对上述干扰源的防范提出相应的解决措施。
3.1 信号和 PIS 系统安全干扰的防范
信号系统传输数据较少，占用无线传输带宽资源较低，但安全等级高，适用的无线通信标准为IEEE802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。而PIS系统传输数据量大，安全等级较低，可选择IEEE 802. 11b、IEEE 802. 11g 无线通信标准。由于IEEE 802. 11X 系列标准采用通用的信道编号（信道编号各国有所不同，有11和13个信道2种编号方式，欧洲和中国可以采用13个信道的方式），其中只有 1、6和11三个信道完全隔离。为保证无线通信的可靠性，信号系统与PIS系统均需要各采用 2个信道，如果信号系统与PIS系统共用 2.4GHz 频段，将会造成 3个独立的信道不够用，势必带来干扰和冲突。
为解决上述问题，通常可采用2种方式：一种方式是采用频点隔离措施，分离两者的输出频率，但会造成带宽的减少，在一定程度上影响数据的传输。如广州地铁4号线中，信号使用1、6信道，主用1信道，备用6信道，PIS 系统使用8、13信道，主用13 信道，备用8 信道。另一种方式为 PIS 系统采用补空（即PIS利用信号系统的备用信道）方式。该方式理论可行，但从应用情况看，信号系统与 PIS 一般分属不同的供货商，工程实施难度较大。
因此，为了彻底解决干扰和冲突，信号系统与 PIS系统可分别采用5.8 GHz 和 2.4 GHz频段。目前，802.11b/g 的 2.4 GHz频段是不需要申批的，可直接使用，5.8 GHz 的频点需向无线电管理委员会申请有偿使用，国内有些城市（如北京、西安）已在审批及收费标准方面开展了工作。
3.2 同站台换乘频率干扰的安全防范
对于同站台换乘的车站，由于物理空间的相对开敞，使得对同站台换乘信号频率存在一定的干扰，通常可采取以下措施减少和防范干扰。
（1）在信号系统无线通信的频点上进行区分，即本线和相邻线使用不同频点的信号制式设备。如5GHz以上的频段。因5GHz以上的频段的独立信道数量比2.4GHz的要多很多，在频点使用上灵活性要大大的增加。
（2）如各线无线系统用户采用同频段（如 ISM 频段）时，亦可采取以下措施以尽量减少相互间的干扰。
①选择不同极化方向天线
垂直极化无线电波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化无线电波要用具有水平极化特性的天线来接收。当微波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中都要产生极化损失，通常都不能有效地通信。因此，若本线信号用垂直极化天线，其他线就用水平极化天线。
②采用带冲突避免的载波侦听多址协议
为了将相同频道和交叠频道干扰的影响降至最低，IEEE802.11标准定义并应用了带冲突避免的载波侦听多址协议（CSMA/CA），该协议为每个接入点和客户端定义了 “传输前先侦听”的顺序。CSMA/CA 强制规定在连续2次帧发送之间，介质上必须要有一段退避间隔。在发送数据前，应检测介质上是否有其他工作站正在发送数据。若介质空闲则工作站就可以发送数据。如果介质检测表明处于忙状态时，工作站将推迟其数据发送，直至当前帧发送完毕。这样就保证了两线信号系统数据包的有序发送和接收。
③选择不同的车地通信方式
为有效降低同站台频率干扰，也可采用不同的车地通信方式，如本线采用无线电台方式，而相邻线路采用波导管、漏缆、感应环线，或者也可以考虑两线均采用除无线电台以外的其他传输方式，如波导管、漏缆、感应环线。因漏缆和裂缝波导管在无线场强覆盖上具有很好的均匀性，其对外漏泄量不大（裂缝波导管的有效距离小于 1 m，而漏缆的有效距离小于10m），对邻线的干扰不大。因此，均可有效解决同站台换乘频率干扰的问题。
④采用方向角合适的定向天线
开放空间的轨道交通系统现场环境复杂，周边的带内干扰不可控制。为了保证通信质量，可根据线路情况采用相应角度的定向天线，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，提高载干比。在特别复杂的环境中也可采用分集天线来增加车地通信的可靠性。
3.3无线攻击及非法接入的防御
虽然由于无线局域网采用公共的电磁波作为载体，任何人都有条件窃听或干扰信息，但通过以下相应手段，依然可以减弱或是消除非法的接入和攻击。
（1）采用禁用服务集标志（SSID）广播功能，这样客户端SSID就必须与AP设置一样才能接入网络。以此可减小恶意用户侵入AP的可能性。
（2）设置媒体接入子层（MAC）的允许接入用户列表以防止非法用户接入网络。
（3）使用2层或更高层的交换机，把网络分成小的区段来减少恶意用户通过连接上集线器而侵入网络并监测网络数据的可能性。
（4）采用动态刷新密码，减少密码被破获的可能性。
（5）在无线网络部分设置入侵检测系统来检测可疑情况和非法侵入等行为。
（6）设置防火墙以阻止非法用户接入网络。
3.4 开放空间中采用相同协议或相同频段设备造成的物理干扰的安全防范
对于线路周边的开放空间中采用相同协议或相同频段设备造成的物理干扰，由于不是主动攻击和侵入，抗干扰措施主要从先进的编码调制技术来提高信噪比、保证系统充分的冗余备份、采用方向角合适的定向天线、控制发射功率、降低占空比、采用合理的重传机制等多方面考虑。另外还可以利用二层接入控制技术。如IEEE802. 1X/LEAP 协议，对连接到接入设备上的通信终端进行验证。对于不能通过验证的终端，接入设备会拒绝为其提供访问。
3.5多普勒效应的安全防范
由于地铁列车的高速运行，使得车地信息发送和接收端的相对位移发生快速的变化。位移的快速变化引起信道参数快速变化，增加了系统的误码率，也限制了系统的带宽。按地铁运行最高速度 80 km/h计算，多普勒效应在2.4～2.5GHz的IEEE 802. 11g 应用频段所引起的频偏在将在±250 Hz以内。因此，极易引起信号无线传输的中断。在通信系统中加入纠错编码，通过编码的方式降低数据传输的误码率，以克服多普勒效应对系统带来的影响。该方式是通信系统发展的新方向，可以明显增加通信系统的鲁棒性，减少危害。
3.6多径效应的安全防范
多径效应使得车- 地信息传输的信号产生衰落失真，最终造成通信的不稳定。采用正交频分复用等技术，利用多子载波交织冗余同时传递数据。在传输的过程中，即使某个子载波出现频率偏移或者干扰，甚至丢失此载波所有数据。但接收端通过子载波的联合编码，可恢复出丢失子载波数据，达到子信道间的频率分集的作用，OFDM技术增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力，因此具有良好抗多径效应能力。
4 总结
由于地铁信号系统的车－地无线通信传输系统关系着列车的运行安全及运营效率，因此保证其安全、可靠的运行就势在必行。本文对车－地无线通信传输中的干扰源以及相应的抗干扰措施进行了简要的分析，而车－地无线通信传输的安全防范措施还有很多，希望各系统商能在此基础上通过研究，不断地提出新的抗干扰措施，保证地铁的安全运行，从而为人们的安全出行提供保障。
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论文作者:刘雄健
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/10
标签：信号论文; 干扰论文; 系统论文; 信道论文; 无线通信论文; 地铁论文; 频段论文; 《基层建设》2016年11期论文;