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“終端競爭到完全占用信道,用完再接著競爭”。若2個(gè)終端應(yīng)用同一信道,競爭會(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,無法識別信號,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,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,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”,對數(shù)據(jù)實(shí)施解調(diào)后,可對信息給予精準(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)。
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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、信號檢測、分級傳輸/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-地信號系統(tǒng)指令出現(xiàn)異常;反之關(guān)閉,則信號系統(tǒng)正常。經(jīng)故障剖析判認(rèn)WiFi路由器,對信號系統(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,是通信信號最強(qiáng)的干擾要素之一,比如,若接收機(jī)接收到干擾信號,將對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)?! ?.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)在傳輸信號過程中,出現(xiàn)誤碼及丟包,致使“車-地”信號交互斷裂,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。
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,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)營效率的提升。