CBTC系统无线通信监测软件的研究和开发

唐 超，李守凯

（国家无线监测中心检测中心，北京 100041）

CBTC系统无线通信监测软件的研究和开发

唐 超，李守凯

（国家无线监测中心检测中心，北京 100041）

本文针对列车运行控制系统的无线通信在ISM 2.4G频段内易受干扰的问题，提出一种满足实际需求的简化监测开发方案，对分析列车控制系统的无线通信具有重要意义。通过对监测软件的架构和信令交互进行分析，给出监测软件的主流程，并完成软件的开发。该软件已投入到北京地铁CBTC系统无线通信的现场测试中，测试结果证明监测软件具有完整、准确的测试能力。

CBTC；干扰；监测；2.4G；802.11

1 引言

CBTC（Communication Based Train Control System，基于通信的列车运行控制系统）无线通信监测设备可以完成对现有CBTC系统无线通信的定期测试，有利于查找CBTC系统无线通信潜在的问题。CBTC系统无线通信监测软件是监测设备的重要组成部分，它具有自动信道跳转、接入点和站点识别，以及完整地记录IEEE802.11协议数据等功能。

因此，开发CBTC系统无线通信监测软件，对于提升CBTC系统的安全性，推广CBTC系统的应用具有重要意义。

2 监测软件的架构

监测设备的结构如图1所示。监测软件由显示和控制模块、协议处理模块组成。显示模块直接与用户交互，按照用户的指示，监测一路或者多路信道上的数据，显示在被监测信道上传输数据的接入点和站点的相关信息；协议处理模块读取指定信道上的全部数据，分析数据中包含ESSID（Ex tended Service Set Identifier，拓展服务区别号）、BSSID（Basic Service Set Identifier，基础服务区别号）、时间信息以及功率信息等。

驱动为监测软件提供数据，并将监测软件的控制信令发送给物理层。物理层和射频前端为监测软件提供解码后的数据。

图1 监测设备的结构

IEEE 802.11协议栈结构如图2所示[1]。MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）层提供寻址方式、访问协调、帧校验的检查、帧分片以及帧重组等功能；PLCP（Physical Layer Convergence Procedure，物理层会聚步骤）将MAC帧映射到传输媒介；PMD（Physical Medium Dependent，物理媒体相关）传输MAC帧。

图2 IEEE802.11协议栈结构

3 监测软件的设计

3.1 信道跳转过程

在ISM 2.4G频段范围内，共有13个信道供接入点和站点使用，2.4G频段信道分配如图3所示[2]。

图3 2.4G频段信道分配

在图3中，每个信道带宽22MHz，相邻的中心频率间隔为5MHz，只有信道1、信道6以及信道11相互之间没有干扰。在每个信道上，多个接入点和站点可以同时工作，并通过使用CSMA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多路访问/冲突避免）协议以避免通信信号冲突[3]。

在CBTC系统中，主用通信设备、备用通信设备以及地铁电视的PIS设备一般使用信道1、信道6以及信道11进行通信，以避免系统内部的干扰。因此，为了监测CBTC系统通信情况，应该记录当前环境中所有13个信道的使用情况，通过监测信道循环跳转技术，识别当前环境中存在的所有接入点和站点，并对这些网络通信设备的数据进行分析。

首先，监测软件等待跳转定时器到时，为避免监测中的干扰，监测软件将按照1，7，13，2，8，3，9，4，10，5，11，6，12的顺序进行跳转，并将跳转请求发送给物理层，用户也可以根据实际需求在一个或任意个信道上进行监测；然后，物理层将指示跳转是否成功的跳转报告发送给监测软件；最后，监测软件确认跳转成功。

3.2 接入点和站点识别过程

在2.4GHz频段内的指定信道上，监测软件处于监测模式获取接入点和站点发送的数据[4]。在正常工作时，监测软件会循环从驱动模块读取解码数据，并根据解码数据，记录当前环境中存在的接入点和站点。

首先，监测软件向驱动模块发送读取指示。然后，驱动模块会获得物理层的解码数据和相应的时间信息、功率值以及速率等信息。最后，监测软件根据数据的MAC层首部信息，判断该包数据属于接入点或者是站点，如果该接入点或者站点没有出现过，那么将该接入点或者站点存入列表。

3.3 数据存储过程

在监测CBTC系统的通信过程中，不仅要分析干扰信号的影响，同时也应该记录CBTC系统的通信过程，监测软件可以记录接收到的全部数据，并且使用“PCAP”格式进行存储，以便离线分析，数据存储信令交互流程如图4所示。

图4 全双工呼叫流程

首先，监测软件会按照标准存储一个PCAP文件的首部信息。然后，物理层会向监测软件发送监测数据和空口的指标信息。最后，监测软件将每包数据的首部信息、空口指标（例如，时间戳、速率、频率、协议类型以及功率信息等）以及数据部分进行存储。

4 实现和测试

4.1 实现

监测软件的实现分为三个阶段：首先，设计协议处理模块和物理层、显示和控制模块的接口。然后，划分功能模块，编程实现。最后，对监测软件进行测试。

监测软件主要包括了协议处理线程、信道跳转线程以及显示线程。在协议处理线程正常工作时，协议处理线程会实时读取接收到的数据。如果接收到了监测数据，那么协议处理线程会处理数据，并释放显示指示；在信道跳转线程中，用户可以了解1个或任意个信道上存在的全部接入点和站点，跳转定时器和跳转信道可以由用户指定，默认分别为250ms和13个信道；在显示线程中，如果收到了协议处理线程发送的显示指示，那么显示线程会更新接入点和站点的监测数据。

4.2 测试

在北京地铁的测试过程中，可以扫描到大量ESSID标示为“DCS”的设备，北京地铁使用了11信道和3信道分别作为主用信道和备用信道，设备的ESSID标示分别为“DCS-Blue”和“DCS-Red”。如果监测软件在2分钟内搜到设备的有效数据，那么设置背景色为蓝色，否则设置背景色为黄色。

5 结束语

CBTC监测软件可以帮助用户分析CBTC无线通信系统的覆盖情况，检查网络盲区，优化网络，并可以将CBTC无线通信系统通信信息实时显示和记录，这对于推广CBTC设备和维护空中电波秩序有极大的促进作用。

[1] IEEE Std 802.11-2012 IEEE Standard for In formation techno logy-Telecommunications and in formation exchange betw een systems Local and metropo litan area netw orks-Specifi c requirem ents Part 11: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifi cations.

[2] 加斯特．IEEE802.11无线网络权威指南．南京：东南大学出版社[M]，2008.

[3] 盛敏，李建东，史琰．IEEE802.11无线局域网络性能分析[J]．电子学报，2004,32(12A): 148-152．

[4] 朱力，宁滨．基于IEEE 802．11g标准的CBTC车地通信系统设计．中国铁道科学[J]，2010,31(5),119-124．

Synaptics公司收购Renesas SP Drivers

Synaptics公司近日在北京宣布已签署最终协议，将收购Renesas SP Drivers, Inc.（RSP），后者是智能手机和平板电脑中小尺寸显示驱动器IC (DDIC)的行业领导者。双方交易约合485亿日元（4.75亿美元），RSP企业价值525亿日元（5.15亿美元），预计今年年底收购完成。通过此次收购，Synaptics称将潜在市场机遇提升1.5倍，可加快触摸和显示驱动器集成(TDDI，Touch with Display Driver)产品开发过程。在谈及为何提升市场机遇1.5倍时，Synaptics智能显示屏事业部高级副总裁兼总经理Kevin Barber解释道，Synaptics的财年是2014年6月，预计销售收入9.25亿美元；RSP过去一年是6.5亿美元，因此两者相加，达到15亿美元即1.5倍没有问题。

Research and Development of Monitor Software for Wireless Communication in CBTC

Tang Chao, Li Shoukai
(The State Radio Monitoring Center Testing Center,Beijing,100041)

Because the communication of Communication Based Train Control System in ISM 2.4G can be easily interfered, a simplified scheme which can satisfy the real demand is proposed, which is important to the analysis of the wireless communication in CBTC. According to the analysis of the architecture and the signal interaction of the monitor software, the flow diagram of the monitor software is shown, and the monitor software is developed. The software is put into service of field tests in wireless communication of CBTC in Beijing Subway, it is proved that the monitor software is complete and accurate.

CBTC; interference; monitor;2.4G; 802.11

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.07.004

TN 92文献标示码：A

1672-7274（2014）07-0013-03

唐 超，男，吉林四平人，2014年毕业于北京交通大学通信与信息系统专业，硕士研究生，现主要从事专业无线通信系统、IEEE802.11无线通信系统的研究工作。

李守凯，男，1986年生，河北唐山人，2012年毕业于东南大学，获得信息与通信工程硕士学位，2012年至今主要从事无线电检测设备研发工作。