上海地铁无线CBTC车地通信抗干扰技术分析研究和对策

平柳琼

【摘要】 本文对上海地铁无线CBTC车地无线通信系统所采用的技术制式、组网方式做了归纳总结，给出了FHSS与OFDM两种主要体制的电磁干扰测试结果，重点分析了两种体制抗干扰主要机理及优缺点，并在此基础上对测试结果给予说明，最后提出了面对当前形势的应对策略。

【关键词】 CBTC FHSS OFDM 抗干扰

近年来，基于通信的列车运行自动控制系统CBTC特别是无线CBTC发展势头迅猛，已在我国多个城市投入运营。但是面对电磁环境的恶化，特别是车厢内同类频率干扰源的增加，其关键技术——车地无线通信系统的可靠性将经受重大考验。

2013年7月，深圳地铁蛇口线和环中线信号系统因CBTC车地无线通信受干扰而发生暂停故障。之后由于此类故障频繁，引发了社会各界对地铁安全运行问题的广泛关注。对车地无线通信系统抗干扰能力的测试与研究迫在眉睫。

一、上海地铁无线CBTC系统概况

上海于2005年在全国率先试点无线CBTC系统，截止2013年12月，已有9条线路正式启用无线CBTC，均采用2.4GHz开放频段，其各条线路所采用的通信技术体制如表1所示。其中OFDM信道带宽为20MHz，窄带OFDM带宽为5MHz。组网方式中自由空间无线指的是采用在轨旁安装定向天线与车头车尾的接收天线进行车地通信，波导管指在轨道上安装波导管与安装车辆底部的接收天线进行车地通信。

二、抗干扰测试

近期无线电管理局与申通集团对上海地铁无线CBTC的工作频率2.4GHz频段的电磁环境、技术体制等进行了测试。结果表明上海轨交沿线2.4GHz频段电磁环境普遍高于-106.33dBm，其中，地下空间平均底噪（空闲时噪声功率）为-104.24dBm，地面及高架平均底噪为-104.70dBm，比2005年高出2.78倍。

对FHSS与OFDM两种体制分别进行了试验线、正线测试，在CBTC连接速度分别为54Mbps和1Mbps两种不同工作状态下，进行了单类型干扰（MiFi、WLAN/AP和TDFi分别部署），以及混合干扰（MiFi、WLAN/AP和TDFi同时部署）各2次，共8次测试。结果如表2所示。

FHSS系统仅在极端干扰情况下出现列车急停情况；而宽带OFDM系统在一般干扰下就出现列车急停情况，窄带OFDM相对于宽带OFDM抗干扰性有所提高。

三、CBTC无线通信抗干扰性分析

无线数字通信可靠性的主要指标是误码率，当干扰进入接收机时，合成信号波形发生改变，使判决时产生一定概率的误判。如果干扰使误码率达到一定程度，信息传输就会被阻断。一个通信系统能正常工作的条件是：

式中为接收机输入扰信比，Mj是系统的干扰容限。通过降低接收机的输入扰信比，或者提高系统的干扰容限都可能提高系统的抗干扰能力。由此产生的抗干扰技术有：增大发射机功率、提高天线增益、降低路径损耗、扩频技术、干扰抑制技术、信源编码、信道编码、有效的调制技术等。下面对上海地铁使用的两种主要抗干扰技术进行分析：

（1）FHSS体制

跳频扩频FHSS是将传统的窄带调制信号的载波频率在一个伪随机序列的控制下进行离散跳变，从而实现频谱扩展的扩频方式。

发射机的频率在一组预先指定的频率下跳变。频率跳变时间间隔的倒数称为跳速，每一跳的载波频率由伪随机码产生器产生的编码决定，跳变规律又叫跳频图案。跳频信号在信道中将叠加噪声和干扰，接收方为了解调必须产生与发端严格同步的跳频序列。

与深圳地铁CBTC所采用的直序扩频DSSS不同，跳频扩频没有一个固定的中心频率，载波频率在一个很宽的频带内以很快的速率跳变。由于收发双方在每个频率上停留的时间都非常短，因此即使某一时刻干扰源与收发设备在同一频率上，即产生同频干扰，也只会对系统产生极短时间的干扰。而直序扩频由于采用固定频率，一旦干扰源与CBTC无线处于同一频率上，当干扰信号电平足够高时，将会直接压制CBTC信号，造成停车事件。

如图1所示，在T3时刻，干扰源与收发信机处于同一频率，但干扰频率F7也只能在T3时刻对FHSS系统造成影响，其余9个时隙仍能成功传送。

对于FHSS，跳频带宽越宽，信道数越多，其抗干扰能力就越强。对于上海地铁CBTC所采用的2.4GHz频段，FHSS体制使用了其中2.402～2.480GHz共计79MHz频段，1MHz作为跳频信道带宽，共划分为79个信道。目前FHSS设备大多具备32ms、64ms、128ms等多种跳频速率。本次测试中面对2.4GHz的同频干扰FHSS体系表现出了较强的抗干扰性。

（2）正交频分复用

正交频分复用OFDM是一种特殊的多载波技术，与传统的短波并行调制解调技术一样，在频域内将信道分为多个子信道，在每个子信道上使用独立的子载波分别调制，再进行并行传输，子载波频谱允许重叠，通过保持各子信道上波形的正交可以克服它们之间的相互干扰。OFDM的接收机实际为一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分。增加子载波数目就能提高数据的传送速率。

OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。可以有效地對抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。

但是OFDM技术也存在一些不足：首先对相位噪声和载波频偏十分敏感。整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起信道间干扰ICI。同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。因此，在发射端，放大器的最大输出功率就会限制信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。

本次压力测试，面對同频干扰，OFDM体制的停车率确实高于FHSS体制。OFDM通过将原信道带宽由20MHz收窄为5MHz，可获得更高的功率谱密度，抬高物理层判断通道占用的强度门限，从而增强抗干扰能力。因此窄带OFDM体制在本次测试中表现优于原OFDM体制。

四、应对措施

本次测试以停车比率来判断FHSS与OFDM两种体制的优劣，对已运营线路提出预防警示起到了积极作用，同时也反映出，在极端条件下，2.4GHz的两种制式可能均不能完全满足信号系统对可靠性、可用性的要求。

由于上海地铁CBTC无线所使用的2.4GHz频段属非牌照频段，该频段对大量短距离微功率通信系统、微波炉、专用医疗器械开放，因此随着智能终端和WIFI接入的普及，该频段电磁环境承载压力巨大。专家预计未来3-5年，本市2.4GHz频段电磁环境还将继续恶化，这对CBTC系统的无线抗干扰能力提出了更高的要求。可以从如下方面作考虑：

（1）积极申请地铁专用频率。使用CBTC无线专用频率，可以避开使用非牌照频段所存在的众多干扰源，创造良好的电磁环境。铁道部的800M数字集群系统和900M的GSM-R专用频段系统目前都运行良好。

（2）在列车车厢引入统一WiFi公共服务热点。使用专用频率固然是避归系统风险的好方法，但专用频率的设备开发需要很长时间，无法在时间上契合国内未来3-5年轨道交通建设的高速发展，且由于受众面小，不一定能得到厂商的支持。因此治理轨交移动WIFI干扰的源头是目前减少CBTC无线干扰是当务之急。可以在轨交车厢引入统一的WIFI公共服务热点，这样可减少车厢内使用个人手机作为笔记本、ipad等上网热点的情况，从而减少干扰。

（3）加强已运营线路无线CBTC系统电磁环境的监测，加快研究，制定应急预案。鉴于国内未来3-5年规划建设的轨道交通线路基本全部选择了2.4GHz无线CBTC系统，相关单位应加强电磁环境监测与管理，加快研究系统变频的可能或兼容过渡方案。跟踪统计可能的移动WIFI干扰引起的停车事件和运营行车对策。

（4）在OFDM体制上增加扩频技术或其他干扰抑制技术。OFDM作为一种多载波调制技术在抗多径衰落等方面确实有其优越性，但是对相位噪声和载波频偏的要求较高，在恶劣的电磁环境其抗干扰性表现不佳，单靠收窄频带的方法并不能从根本上解决问题，对上海既有线路而言，可以在OFDM基础上结合直接序列扩频或其他干扰抑制技术，扬长避短，来增强CBTC无线通信的可靠性。

参 考 文 献

[1] 窦中兆. 《WCDMA系统原理与无线网络优化》[M]. 清华大学出版社