無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用
以通信為基礎(chǔ)的列車控制系統(tǒng)(CBTC)，多應(yīng)用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的全球性免費(fèi)開放的ISM2.4 GHz頻段，此頻段具有用戶量大的特點(diǎn)。下面是由學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用，希望大家喜歡!
無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用
1 2.4 GHz無線傳輸技術(shù)概述
1.1 2.4 GHz無線技術(shù)傳輸機(jī)制
無線技術(shù)傳輸系統(tǒng)，若是選取IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)下的ISM2.4 GHz頻段，意味著其所采取的是“先聽后說”的、即為載波監(jiān)聽/沖突避免的訪問機(jī)制，在信道的使用上，每時(shí)每刻每個(gè)信道只有1個(gè)用戶能使用，當(dāng)用戶傳輸數(shù)據(jù)之前，首先需判定信道的實(shí)際狀況，在信道使用的“機(jī)會(huì)、時(shí)間”上，每個(gè)用戶皆平等。
若有終端使用WLAN的通信方式時(shí)，首先便要監(jiān)聽信道，此時(shí)有2種結(jié)果：
其一，信道被人占用，要進(jìn)行監(jiān)聽，直至信道空出。
其二，信道空閑，即可占用信道。WLAN是采取“終端競(jìng)爭(zhēng)到完全占用信道，用完再接著競(jìng)爭(zhēng)”。若2個(gè)終端應(yīng)用同一信道，競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致接收端的吞吐性能減弱。此外，與臨頻互相干擾而形成波形疊加，讓接收端不能精準(zhǔn)的還原，無法識(shí)別信號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生重復(fù)傳輸?shù)膯栴}，降低了無線網(wǎng)傳遞水平。
1.2 調(diào)制模式及抗干擾措施
ISM2.4 GHz頻段，為世界通用及開放的頻段，存有諸多干擾信號(hào)，ISM2.4 GHz頻段下的IEEE802.11 b/g系統(tǒng)，因諸多干擾源而導(dǎo)致物理層性能減弱。2.4 GHz無線通信技術(shù)為了強(qiáng)化設(shè)備抗干擾水平及提升無線網(wǎng)可用性，多會(huì)采取干擾抑制及躲避的手段，一般情況下，多采取“直接序列擴(kuò)頻(DSSS)、正交頻分復(fù)用(OFDM)及跳頻擴(kuò)頻(FHSS)”技術(shù)。
工作原理：1)DSSS技術(shù)：意指將原“功率高、帶寬窄”的原始功率頻譜，分別散布于極寬帶寬上，如此，能夠在發(fā)射信號(hào)時(shí)，僅使用少許能量便可輸送出去。其采取的擴(kuò)頻碼序列為“高碼率”，發(fā)送端實(shí)施信號(hào)頻譜拓展，接收端采取同樣的擴(kuò)頻碼序列實(shí)施解擴(kuò)，將拓寬之后的擴(kuò)頻信號(hào)，還原為原始信息[3];
2)FHSS技術(shù):即系以擴(kuò)頻碼序列，采取“移頻鍵控(FSK)”的調(diào)制措施，導(dǎo)致“載波頻率”跳變。需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，接收者與發(fā)送者雙方事先商定好，于某頻道上傳輸相應(yīng)時(shí)間后，便同步跳至另外的某頻道上，再繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。接收數(shù)據(jù)一方的端口處所實(shí)施的解擴(kuò)方式采取和發(fā)送一方的端口處一致的本地發(fā)生器所形成的“擴(kuò)頻碼”，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施解調(diào)后，可對(duì)信息給予精準(zhǔn)恢復(fù);
3)OFDM技術(shù)：其系無線高速傳遞信息技術(shù)的一種。于頻域里，OFDM可將所指定的信道，分為多個(gè)正交的子信道，每個(gè)子信道上皆采取1個(gè)子載波實(shí)施調(diào)制，而子載波之間可并行傳輸，因于OFDM系統(tǒng)內(nèi)子信道上，當(dāng)載波彼此呈現(xiàn)正交時(shí)，頻譜亦會(huì)重疊，如此，極大地降低了子載波彼此干擾水平，又讓頻譜的利用率得以加強(qiáng)。
無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用
2 闡述CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用
CBTC系統(tǒng)，均采取符合或是以IEEE802.11為標(biāo)準(zhǔn)的、頻段為ISM2.4 GHz的無線通信技術(shù)，于軌旁布設(shè)AP，以及“天線”、“波導(dǎo)”及“漏纜”等傳輸媒介，創(chuàng)設(shè)車地冗余無線(WLAN)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，達(dá)成“軌旁、車載”設(shè)備的實(shí)時(shí)信息交流，實(shí)現(xiàn)連續(xù)管控列車的目的，如圖1所示。
CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)，常規(guī)下多采取2種傳輸模式：
1)無線通信的協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)需符合IEEE802.11 b/g，頻段為ISM2.4 GHz，以IP地址為前提的空間傳輸信息，它的無線調(diào)制方式，一般采取“DSSS，OFDM及FHSS”3種，以提升系統(tǒng)抗干擾水平，其他抗干擾手段包含“無線冗余覆蓋、實(shí)時(shí)處理、多址、編碼、信號(hào)檢測(cè)、分級(jí)傳輸/接收、無線鏈路預(yù)算”等技術(shù);
2)私有協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11 b/g、頻段為ISM2.4 GHz，非IP地址為基礎(chǔ)的空間傳輸信息，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備其“物理層與MAC層”，且對(duì)無線信道實(shí)施特殊劃分，與IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)不同。無線調(diào)制模式常規(guī)下多采取FHSS、DSSS，經(jīng)加大“傳輸時(shí)間、容錯(cuò)水平、實(shí)時(shí)處理能力、無線冗余覆蓋面積以及無線鏈路預(yù)算”等技術(shù)，以推動(dòng)系統(tǒng)抗干擾性能的提升。
無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用
CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)存在的問題
1 研究背景
我國頻頻發(fā)生乘客隨身WiFi干擾“車-地”地鐵信號(hào)系統(tǒng)的狀況，因指令異常造成列車急停，引發(fā)國內(nèi)民眾的廣泛關(guān)注。而對(duì)此類事件進(jìn)行調(diào)查后，得出的結(jié)論是：乘客的WiFi路由器打開時(shí)，導(dǎo)致車-地信號(hào)系統(tǒng)指令出現(xiàn)異常;反之關(guān)閉，則信號(hào)系統(tǒng)正常。經(jīng)故障剖析判認(rèn)WiFi路由器，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)造成干擾。
2. GHz無線傳輸技術(shù)的干擾
1)干擾類型。由干擾機(jī)理角度實(shí)施分類，無線干擾，是通信信號(hào)最強(qiáng)的干擾要素之一，比如，若接收機(jī)接收到干擾信號(hào)，將對(duì)判決的正確性帶來一定的負(fù)作用。干擾類型，依其生成的機(jī)理分為“乘性、加性”2類。乘性干擾，其為多徑效應(yīng)的干擾類型，為發(fā)自系統(tǒng)內(nèi)部的“散、反、衍”射等信號(hào)現(xiàn)象;加性干擾，其為類噪聲源，包含其他的“類似系統(tǒng)”、“系統(tǒng)內(nèi)部”或是“元件非線性”所發(fā)出的噪聲，主要的類型有：“同頻、鄰頻、互調(diào)”干擾以及“遠(yuǎn)近效應(yīng)”等類型。
2)依干擾源實(shí)施分類：a.系統(tǒng)之外的干擾：源自外面系統(tǒng)的干擾。例如，諸多的設(shè)備共存于ISM頻段內(nèi)，系統(tǒng)之間出現(xiàn)彼此干擾;b.源自系統(tǒng)內(nèi)部自身的干擾：其所生成的主因?yàn)橥粋€(gè)無線通信系統(tǒng)里，因多個(gè)用戶要求下、在同一時(shí)間里通信，卻無法將相互信號(hào)所造成的干擾徹底隔離。
無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用
抗干擾的主要措施
采取IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的、頻段為ISM2.4 GHz的“CBTC無線傳輸系統(tǒng)”，若和其他采用ISM頻段的設(shè)備，置于同一“區(qū)域及時(shí)間”展開工作時(shí)，則將會(huì)遭到同頻設(shè)備其所帶來的無線干擾。故此，給出下列2種無線“抗干擾”措施。
方案1：采取“專網(wǎng)技術(shù)+專用無線頻譜”的手段。其為軌道交通CBTC系統(tǒng)專用的抗干擾措施，確保列車安全運(yùn)行。
方案2：采取IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)下的私有協(xié)議。IEEE802.11協(xié)議，由“MAC層及物理層”構(gòu)成。物理層，可采取抗干擾性能強(qiáng)的“DSSS與FHSS”等解調(diào)技術(shù);MAC層，對(duì)媒體訪問協(xié)議模式實(shí)施修改，強(qiáng)化信道應(yīng)用優(yōu)先級(jí)力度等手段，優(yōu)化2.4 GHz數(shù)據(jù)輸送，能經(jīng)強(qiáng)化編解碼的模式，以獲取處理后的額外增益。亦能選取綜合手段提升抗干擾水平，包含采取“特殊的分頻、提升系統(tǒng)容錯(cuò)水平、實(shí)時(shí)傳輸水平”等，力求降低及管控同頻里、其他設(shè)備無線產(chǎn)生的干擾問題。
無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用5 CBTC系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景
5.1 無線傳輸技術(shù)特有的局限性 采取ISM2.4 GHz公用頻段的CBTC系統(tǒng)，盡管能夠經(jīng)采取以標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11前提下的私有協(xié)議，實(shí)現(xiàn)降低ISM2.4 GHz頻段中CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)干擾的機(jī)率，可是，只是相應(yīng)的制約了干擾，尚無法完全杜絕無線的干擾，故此，無法從根上來解除實(shí)際存有的干擾，需控制地鐵環(huán)境范圍內(nèi)的、其他ISM頻段設(shè)備使用數(shù)量，以確保CBTC系統(tǒng)良性運(yùn)轉(zhuǎn)。 5.2 無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景
來自移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的“3G+Wi-Fi”，已成為CBTC系統(tǒng)干擾源之首，導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)安全性因地鐵電磁環(huán)境限值的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出而受到威脅，地鐵同頻干擾，造成CBTC系統(tǒng)在傳輸信號(hào)過程中，出現(xiàn)誤碼及丟包，致使“車-地”信號(hào)交互斷裂，導(dǎo)致“非預(yù)期性停車”事故的發(fā)生。隨著社會(huì)的發(fā)展，會(huì)有大量的WiFi產(chǎn)品涌現(xiàn)，加大CBTC系統(tǒng)遭遇干擾的機(jī)率，致使其運(yùn)行受限
CBTC系統(tǒng)在今后的研發(fā)上，將向“大密度、高速化及低成本”方向邁進(jìn)，要求“車-地”無線傳輸系統(tǒng)具有容量高、吞吐力強(qiáng)、移動(dòng)切換快的承載效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)車-地?zé)o線通信的高功用性。無線傳輸技術(shù)，采取2.4 GHz頻段為基礎(chǔ)，因受自身性能的制約，無法順應(yīng)城市軌道交通“CBTC系統(tǒng)”的未來發(fā)展，與“車-地”通信業(yè)務(wù)需求。故此，讓CBTC系統(tǒng)在良性運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，又能規(guī)避其免受干擾，CBTC系統(tǒng)的前景技術(shù)將會(huì)采取專用專網(wǎng)“頻段授權(quán)模式及技術(shù)”，為其未來發(fā)展趨勢(shì)。
無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用
結(jié)論
基于ISM頻段的無線產(chǎn)品會(huì)愈來愈多，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，提升了無線干擾強(qiáng)度，對(duì)ISM2.4 GHz頻段內(nèi)的CBTC車-地通信系統(tǒng)造成極大的安全隱患。故此，城市地鐵交通中，列車控制系統(tǒng)的通信功能里，需要實(shí)施“無線抗干擾”手段，力求實(shí)現(xiàn)抗干擾水平的增加;此外，需采取新的無線“頻譜及傳輸技術(shù)”，消除無線干擾，充分發(fā)揮地鐵通信作用的“CBTC系統(tǒng)”優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)營效率的提升。