基于Matlab的CBTC系统邻频干扰研究

陈禹霖

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州　730070)



基于Matlab的CBTC系统邻频干扰研究

陈禹霖

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州730070)

摘要针对IEEE 802.11g标准的特性,引入邻频干扰函数作为定量研究系统邻频干扰的方法。通过模拟一种实际运行场景,对采用不同信道方案时接收信号质量进行分析与计算,得出的增大信道间隔将有效提升接收信号的质量和系统吞吐量,为CBTC系统的信道规划提供理论依据和参考。

关键词CBTC系统;OFDM;邻频干扰;干扰函数

CBTC广泛使用IEEE 802.11协议进行无线通信,其中IEEE 802.11g通常是OFDM模式[1]。CBTC系统需要在保证无线通信系统具有比较高的安全性的同时,拥有尽量大的吞吐量,因此要有较多的工作信道数量,这将增大信道间的干扰,受邻信道影响设备性能将会降低甚至严重恶化。单方面提高工作信道数量有助于提高系统的吞吐量,但其相互间的干扰增大又会使单一设备的吞吐量降低,因此需要均衡信道数量和其增加所带来的负面影响,即邻频干扰加大,从而优化整个系统的吞吐量。

本文针对CBTC系统的应用环境,对IEEE 802.11g标准的无线网络进行分析和研究,根据其频率特性结合OFDM方式,利用Matlab软件计算研究信道间的干扰和重叠情况,引入干扰函数作为信道间干扰的定量分析手段,并模拟实际场景,对采用不同无线信道分配方案进行比较研究。通过计算,发现接收信号的质量存在较大不同,这将为CBTC系统信道规划方案的设计提供理论依据以及实施建议。

1IEEE 802.11g及其频率特性

IEEE 802.11协议在网络的链路层、物理层上进行严格的定义,确保了系统中各个设备间的可靠性与兼容性,由于WLAN具有简单的组网结构,工作频段为2.4 GHz,应用相当广泛,设备普遍且成本较低。IEEE 802.11g的WLAN采用OFDM调制,即将信道分成若干个正交子信道,将数据信号调制到各个子载波上,降低数据流的速率[2]。通过各个子载波进行传输的方式将大幅降低信道之间存在的干扰,提高传输效率。IEEE 802.11g工作频段为2.402～2.483 GHz,其中规定了11个信道,分别占用约22 MHz的带宽,信道间相隔5 MHz[3],如图1所示。

图1　IEEE 802.11g标准信道规划

由图1可发现,若信道间隔为1～4,则信道间是相互重叠的,由此产生的信道干扰会影响工作设备在该信道上的通信效率。其中信道1、6、11是没有交叠部分的,因此在其上传输数据产生的邻频干扰可以忽略不计。利用这3个信道可以基本实现工作时的互不干扰。

2信道干扰函数的分析与计算

2.1研究信道干扰函数的意义

对抗CBTC系统无线通信过程中的邻频干扰,需要在选择信道方案时进行分析和计算,明确通信设备是在互不干扰的前提下工作,或者干扰可通过技术手段进行削弱或消除。从IEEE 802.11g标准的规划上看,选择信道1、6、11是一种理想方案,在对信道数量要求较低的场景下,该方案能最大化信道的利用率,使邻频干扰降到最低。然而在实际应用中,CBTC系统需要有一定的冗余度,并在冗余度大时,工作信道的数量通常在3个以上,这将使设备之间存在干扰致使单一设备的吞吐量降低,但设备的增加又可能使整个系统的吞吐量得到有效提升[4]。因此,需要对信道方案进行仿真来得到最优解,此时就需要引入信道干扰函数来表征不同信道间的交叠程度,对邻频干扰进行定量分析研究。

2.2信道干扰函数的推导

OFDM即正交频分复用技术,是多载波传输实现方案中的一种,也是运用最广泛的一种。理论上OFDM过程将子载波进行相移键控(PKS)或正交幅度调制(QAM),因此子载波上的比特流表征为子载波的相位和幅度

(1)

根据上式,假设ts=0,可得到功率归一化OFDM信号的复包络[6]

(2)

(3)

IEEE 802.11g中OFDM方式的参数[7]如表1所示。借助这些参数用Matlab软件可仿真出OFDM信号的功率谱密度图,如图2所示。

表1　OFDM参数

图2　OFDM信号功率谱密度

在符合IEEE 802.11g协议标准的无线设备中,如无线网卡,是自带中频滤波器的,其作用是降低OFDM信号两侧的功率谱密度。该滤波器的频率响应曲线如图3所示。

(4)

图3　中频滤波器响应曲线

OFDM信号通过中频滤波后的功率谱密度如图4所示。

图4　滤波后OFDM信号功率谱密度

在定义干扰函数时引入函数overlap(i,j,f),该函数表征信道i和j在f频率处的重合程度

overlap(i,j,f)=S(ch(i,f))·Filt(ch(i,f))·S(ch(j,f))·Filt(ch(j,f))

(5)

(6)

表2　邻频干扰因数

表2中干扰因数随着信道间隔的增大而减小,当信道间隔为1～3时,信道间存在较大干扰,而当间隔增加到5时干扰因数低至0.007 4,此时干扰忽略不计,即邻频信道间互不干扰,与从图1得出的信道特性一致。

3信道间干扰对信噪比的影响

实际场景模拟如图5所示,A点和C点相距300 m,各建有一个无线接入点AP,B点处有一辆列车行驶于两个接入点之间,同时与两个接入点建立通信,分别处于不同的信道上。其之间存在信道间的干扰。A点的信噪比(SINR)可由式(7)计算

(7)

图5　实际场景模拟图

(8)

式中,λ为波长;r为两点间距离。对干扰函数olfi,j代入不同的干扰因数用以表征两个接入点在不同信道上工作时的干扰,将列车与A点的距离代入r表征列车在两个接入点间行驶,通过Matlab软件计算得到两个接入点在不同信道工作,且列车行驶在两点之间时AP#1接受信号的信噪比,见图6所示。可看出增加接入点工作信道的间隔将会提高AP#1接收信号的信噪比。例如,当列车与A点相距200m时,若信道采用CH1&4,相比于CH1&3有4dB的提升;若采用CH1&5,相比于CH1&4又有10dB的提升,可见增大信道间隔将在显著提高接收信号质量的同时使系统吞吐量也得到了大幅提升,与之前给出的结论一致。

图6　采用不同工作信道方案时接收信号的质量

4结束语

CBTC系统在城市轨道交通快速发展中得到了广泛开发和普遍运用,因其使用开放性较高的2.4 GHz频段,易受到干扰的问题不可避免。本文针对IEEE 802.11g标准的特性,引入邻频干扰函数作为定量研究系统信道间干扰的方法,并模拟一种实际场景,对采用不同信道方案时接收信号质量进行分析和计算最终得出结论,为CBTC系统的信道规划提供理论依据和参考,同时也为研究者提供了一种理论工具,帮助提高仿真模型的有效性。

参考文献

[1]李凤华.城市轨道交通CBTC系统区域控制器的研究与仿真[D].兰州:兰州交通大学,2011.

[2]雷少帅.OFDM系统中基于导频的信道估计算法研究[D].太原:太原理工大学,2009.

[3]Gast M S.802.11无线网络权威指南[M].2版.O’Reilly Taiwan公司,译.南京:东南大学出版社,2007.

[4]刘威,赵尔敦.无线网络中基于信道状态的改进PF调度算法[C].上海:全国第19届计算机技术与应用(CACIS)学术会议,2008.

[5]于丽.多业务OFDM系统中自适应资源分配算法研究[D].北京:华北电力大学,2011.

[6]廖敏超.CMMB系统中OFDM解调模块的仿真及FPGA实现[D].北京:北京邮电大学,2009.

[7]李鹏,张春业,韩旭东.最新WLAN协议IEEE802.11g物理层性能分析[J].重庆邮电学院学报,2004(6):97-100.

[8]江汉红,王征,李庆,等.基于IEEE802.11g标准的WLAN性能分析与测试[J].武汉理工大学学报,2005(4):86-88,92.

Research on Matlab-based Adjacent Channel Interference of CBTC System

CHEN Yulin

(School of Electronic & Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractThe paper explains the IEEE 802.11g standard which is widely applied in Communication-Based Train Control system.Then for the features of IEEE 802.11g standard,a function of adjacent channel interference is introduced as a quantitative research method of adjacent channel interference of the system.The quality of the accepted signal between different channel schemes is analyzed and calculated by simulating a practical scenario,leading to the conclusion that greater channel spacing effectively improves the quality of received signals and system throughput.

Keywordscommunication-based train control system;OFDM;adjacent channel interference;interference function

中图分类号TN92

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-029-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.008

作者简介:陈禹霖(1989—),男,硕士研究生。研究方向:移动通信。

收稿日期:2015- 09- 03