基于通信的列车控制系统无线通信干扰分析及抗干扰方案

陈维明 邹劲柏 高 伟

（上海通号轨道交通工程技术研究中心，200072，上海∥第一作者，高级工程师）

城市轨道交通的列车控制目前主要采用的是基于通信的列车控制（CBTC）系统，而CBTC的无线通信方式现阶段以2.4 G的802.1x为主。采用2.4 G的802.11x具有以下特点：① 开放及免费的ISM频段；② 国际标准的通信协议，使用广泛，支持厂家众多；③ 使用成本较低；④ 传送距离比较短。

随着802.11x往高速率的方向发展，并且应用越来越普遍，不可避免地会造成彼此之间的无线信道噪声干扰（表现为信噪比的降低）、无线信道争用（表现为分时占用无线信道）和无线信道阻塞（表现为无线信道一直被占用），从而造成无线数据传送速率降低或完全中断。2012年11月初深圳地铁2号线、5号线多趟列车多次发生了故障，紧急停运。后经现场验证表明，当列车上带 WiFi无线路由器的3 G手机、便携机等使用达到一定数量时，就会对使用2.4 GHz共用频段的CBTC地铁信号系统造成干扰［1］。

本文在对城市轨道交通车地无线通信干扰进行分析的基础上，提出了基于2.4 G的抗干扰车地无线通信的系统方案，为城市轨道交通车地无线通信系统的升级提供了一个新的思路。

1 车地无线通信的干扰分析

对CBTC无线通信系统构成干扰的因素有多种情况，如乘客信息系统（PIS）对信号的干扰、乘客携带电子设备对信号系统产生的干扰、列车在高速移动中带来的多普勒效应、隧道内的多径效应、工作在相同频段非 WiFi设备形成的干扰等，具体请见参考文献［1－2］。本文主要对乘客携带的电子设备对信号系统产生的干扰进行进一步的分析。乘客携带的电子设备对信号系统产生的干扰有3种典型场景。

1.1 典型的干扰场景

1）车厢离轨旁AP（无线接入点）较近，乘客携带的WiFi电子设备与CBTC无线通信系统的信号强度比较接近。这种情况下（见图1），乘客携带的电子设备与轨旁AP和车载终端之间直接形成了无线信道的争用，大家对无线信道的使用机会均等。假设CBTC的无线数据传输需要150 kbit／s的数据传输速率，同时801.11 g协议的数据传输模式为6 M，按照50%的平均数据传输速率来计算，那么维持轨旁AP和车载终端之间不少于150 kbit／s数据传输速率的用户数应不多于20。即同时使用的用户数超过20就会对CBTC的无线通信造成干扰。而当列车移动到两个轨旁AP之间时，随着接收端无线信号强度的下降和信噪比的降低，CBTC无线数据的平均传输速率会有比较大的降低，会降低到最大值的1／2或1／3以下，这样其能够抵抗乘客所携带电子设备同时在线传输的数量会大大下降。

图1 地面AP、车载终端、乘客携带设备示意图

2）在车厢离轨旁AP较远（在轨旁两个AP中间）时，如果乘客携带的WiFi电子设备与CBTC无线通信系统使用不兼容的协议模式（如802.11b模式和纯802.11g模式）或不同的无线信道，双方的无线信号于对方而言则纯粹为噪声干扰。一般来说，一方发射的信号强度超过对方接收模式最低接收灵敏度20 dBm以上，就会被对方视为无线信道被占用［7－8］。当车载终端处于接收状态时，从AP侧发送到达车载终端的信号相对来说比较弱，则乘客携带的WiFi电子设备可以始终处于发射状态。当乘客携带的电子设备发射功率比较小时，会造成车载终端接收速率的降低。而当乘客携带的电子设备连续使用且发射功率比较大时，基本上可以造成CBTC地面到车载方向无线信道的阻塞，对CBTC无线数据通信具有比较大的杀伤力。

1.2 干扰的测试和验证

下面对一些典型的场景进行测试和验证。

1.2.1 测试场景一

1）测试环境：如图2所示，选用干扰设备4对，被测设备1对。每对设备通过空口连接。

图2 测试场景一测试环境示意图

2）测试内容：测试设备和干扰源配置为802.11g模式，且选用同信道，依次增加1、2、3、4对干扰源，查看测试设备带宽情况。

3）测试结果：见图3。由测试结果可知，随着用户数的增加，数据传送速率会逐渐降低，每增加1对干扰源，数据传送速率都会降低，数据传送速率接近于无干扰时传输速率的1／（N＋1）。N为干扰源数目。

图3 测试场景一的干扰和速率曲线

1.2.2 测试场景二

1）测试环境：如测试场景一，见图2，不过采用1对干扰源。

2）测试内容：干扰设备和测试设备配置为802.11g模式，互为邻信道，传输速率设置为6M；固定干扰设备的发射功率，调节测试设备的发射功率（在正常工作范围内），看测试设备的数据传输速率的变化情况。然后降低干扰设备的发射功率，并保持不变，再重复以上的试验。

3）测试结果：如表1所示，当干扰设备发射功率不高时，被测设备的传输速率虽然随着接收电平的下降而降低，但仍然可以维持在一定的传输速率之上。但当干扰设备发射功率比较高时，如果被测设备的接收电平比较低，则很容易出现无线通信被完全阻塞的情况。

通过以上的试验和试验结果可以看出，乘客携带的电子设备所造成的干扰主要有3类：第一类是无线空间信道争用，第二类是接收信噪比的降低所造成的传输速率下降，第三类是遇到强干扰而本身的信号较弱所造成的通信阻塞。第三种情况对CBTC无线通信的影响最大，在开放的ISM频段和开放的802.11x协议下除了提高接收信号的电平或限制乘客行为外并没有特别有效的方法。

表1 测试干扰条件下的接收电平和数据传输速率

2 抗干扰方案的研究

2.1 抗干扰方案及比较

城市轨道交通车地无线通信的抗干扰方案大致有这几个方面：一是申请城市轨道交通通信信号的专用频率［1］；二是进行现有频率的频率规划，尽量减少相互间的影响［2］；三是在现有系统的基础上提高抗干扰的能力，如调整天线的极化方向、方向角，采用波导管，增加纠错编码等［2］；四是鼓励创新，在现有频段范围内采用抗干扰能力强的系统和方案［1］。表2中对这4种方案进行了简单的比较。

表2 抗干扰方案的比较

从以上的比较可以看出，不同的抗干扰方案各有其优势和劣势。如果能够达成抗干扰方案一那是最好，否则可以综合采用方案二和方案三来改进现有的车地无线通信系统。不过，从中长远的角度来看，积极研制能满足城市轨道交通车地无线通信的性能及高抗干扰要求的系统，对于我国城市轨道交通的稳定性和安全性是具有重要意义的。本文后续对此进行一些探讨。

2.2 CSS技术介绍

CSS（Chirp Spread Spectrum）是一种使用宽带线性频率调制的Chirp信号的扩频技术。在一个Chirp信号周期内，Chirp信号的频率随着时间的变化而线性变化，表现出线性调频的特性，并在一个信号周期内Chirp信号的频率会扫过一定的带宽。在通信领域中，可以用扫过较宽频段的Chirp信号来表征数据符号，以达到对数据符号进行扩频的效果。图4为Chirp信号及其经匹配滤波器后的输出信号。

CSS信号及系统具有以下特点：

图4 Chirp信号及其匹配滤波后的输出信号

1）系统处理增益好［3］。幅度为1的Chirp信号经过匹配滤波以后的脉冲最大幅度为（Tc为Chirp信号持续时间，B为Chirp信号频宽），也就是CSS带来的处理增益。较大的处理增益意味着较高的抗噪声干扰的能力。

2）抗多普勒频偏能力强［3］。有频偏的Chirp信号经过匹配滤波后会造成压缩脉冲幅度的减小和使压缩脉冲出现时移现象。假设δ＝ωd（2πB）（ωd为频率偏移），则有频偏的压缩脉冲的最大幅度约为原来的（1－｜δ｜），时移量约为（δTc）。假设一个物体的移动速度为300 km／h，载波频率为2.4 GHz，则产生的最大多普勒频移为666 Hz，跟Chirp信号几十兆的带宽相比可以忽略。现在微波射频技术的进步使载波的频差可以很容易地被控制在几百Hz之内，因而载波的频差也基本可以忽略。

3）抗多径能力强。一方面CSS信号对多径效应本身就有比较好的抑制作用。CSS信号的频宽越宽，对多径效应的抑制作用越好［4］。另一方面，宽带的CSS信号可以分辨多径分量，其时间分辨率为1／B［4］。假设CSS信号的持续时间是1 000 ns，Chirp信号频宽B为60 M，接收天线同时接收有直射信号和反射信号，那么CSS压缩信号的持续时间约为16 ns。16 ns和1 000 ns对应无线电波在空中的传输距离分别为4.8 m和300 m。只要反射信号的传输距离大于直射信号的传输距离在4.8 m和300 m之间，就不会影响信号正常的接收。反射信号的传输距离大于直射信号的传输距离300 m以上的情况下，由于反射信号的能量相对直射信号而言已大大衰减，一般来说对接收不会造成实质性的影响。

4）传输距离远。由于较高的系统处理增益，以及较好的抗噪声干扰、频率偏移和多径的能力，同等发射功率等条件下，CSS信号可以传输更远的距离。

5）发射功率低。Chirp信号同时具有扩频和扩时2种特性。扩频特性是指Chirp信号的能量均匀分布在整个频带范围内，而扩时特性指Chirp信号的能量平均分布在整段持续时间内，因而Chirp信号发射机的瞬时功率和平均功率都比较小。

6）传输延时小。CSS信号的接收通过匹配滤波器可得到“自相关”，即压缩脉冲。匹配输出的压缩脉冲幅度较大，能量集中，易于检测，可大大简化频率同步和时间同步的设计和处理过程，因而传输时延相对较小。

随着CSS技术的不断成熟，2007年IEEE802.15.4标准体系接纳CSS技术作为物理层标准之一并形成802.15.4a修正案［9］，为 CSS技术的应用创造了有利条件。

2.3 基于CSS的车地无线通信方案

城市轨道交通车地无线通信系统一般由沿轨旁间隔（200～400 m）布置的AP和车载无线终端（Station）组成。轨旁无线AP和车载Station采用802.11x协议，构成典型的无线局域网。另外，为了提高无线通信的可靠性，往往在地面布置2套无线接入网络，列车上则安装2套车载终端。2套车载终端分别接入地面不同的无线接入网络以避免无线通信系统的单点故障问题。

为了提高城市轨道交通车地无线通信系统的抗干扰性能，同时又尽量保持与原有系统的兼容性，可以在现有车地无线通信架构的基础上将CSS技术引入到802.11x的物理层（见图5）。

图5 802.11x的协议框图

图5中左侧部分为原有802.11x协议框架，右侧黑色粗线框的框内为新添加的基于CSS技术的物理层。只要维持与上层MAC层相同的接口，就可以将基于CSS的PHY像802.11b PHY、802.11g PHY等一样无缝地集成到802.11x协议框架中。

基于CSS的PHY可以参照802.15.4a协议［9］中有关定义内容（6.5a节）来实现。802.15.4a中的CSS PHY定义了2种传输速率，一种为1 Mbit／s，另一种为250 kbit／s。另外，802.15.4a的信道定义与802.11b相同，使用2.4 G ISM频段。每个信道为20 M，信道中心频率的间隔为5 M，相互不重叠的信道数目为3个。802.15.4a中的CSS PHY采用“差分双正交四相线性调频相移键控调制和扩频方法”（见图6）。二进制数据首先经DEMUX分成2路，然后分别经串／并转换和简单的编码（1 Mbit／s速率的码率是3／4，250 kbit／s速率的码率是6／32）和内部交织（仅针对250 kbit／s速率）及并／串转换，变成I／Q信号。再经QPSK调制和差分编码，然后顺序与CSK发生器产生的4个相互正交的subchirp载波序列相乘和相加形成DQCSK信号并进行发送。

基于CSS的车地无线通信方案能够在提升抗干扰性能的基础上，同时满足CBTC对无线数据通信的要求。

3 结语

城市轨道交通的发展促进了CBTC系统的开发和普遍应用，同时也带来了802.11x在该领域列车信号控制的应用易受干扰的问题。本文在对乘客携带的电子设备对信号系统产生的干扰进行分析的基础上，提出了基于CSS技术的车地无线通信抗干扰方案。通过在既有802.11x协议框架及ISM开放频段下增加基于CSS技术的物理层，可以提高城市轨道交通车地无线通信系统的抗干扰性能，同时又较好地保持了与原有系统的兼容性。该方案既能够用于新建的系统，也便于现有CBTC无线通信系统的改造升级。

图6 CSS信号调制和扩频过程示意图

［1］希玉久.2.4 G频段的频谱利用与地铁干扰案例分析［J］.数字通信世界，2013（1）：23.

［2］朱光文.地铁信号系统中车地无线通信传输的抗干扰研究［J］.铁道标准设计，2012（8）：112.

［3］张鹏.基于Chirp的宽带超宽带通信技术研究［D］.成都：电子科技大学，2007.

［4］孙嘉.Chirp超宽带通信的调制和时间同步技术研究［D］，成都：电子科技大学，2009.

［5］刘博.基于Chirp扩频的超宽带信号传输性能分析［J］.现代电子技术，2009（7）：15.

［6］王喜军.城市轨道交通基于通信－列车控制系统抗干扰性研究［J］.城市轨道交通研究，2012（9）：63.

［7］Tsai Ywh Ren，Chang Jinfu.The Feasibility of Combating Multipath Interference by Chirp Spread Spectrum Technologies over Rayleigh and Rician Fading Channels［C］／／IEEE Conference on Spread Spectrum.Oulu：IEEE，1994：282.

［8］IEEE Computer Society.IEEE Standard 802.11TM—2007［S］.

［9］IEEE Computer Society.IEEE Standard 802.11nTM—2009［S］.

［10］IEEE Computer Society.IEEE Standard 802.15.4a—2007［S］.