陳維明 鄒勁柏 高 偉

（上海通號軌道交通工程技術(shù)研究中心，200072，上?！蔚谝蛔髡?，高級工程師）

城市軌道交通的列車控制目前主要采用的是基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)，而CBTC的無線通信方式現(xiàn)階段以2.4 G的802.1x為主。采用2.4 G的802.11x具有以下特點：① 開放及免費的ISM頻段；② 國際標準的通信協(xié)議，使用廣泛，支持廠家眾多；③ 使用成本較低；④ 傳送距離比較短。

隨著802.11x往高速率的方向發(fā)展，并且應(yīng)用越來越普遍，不可避免地會造成彼此之間的無線信道噪聲干擾（表現(xiàn)為信噪比的降低）、無線信道爭用（表現(xiàn)為分時占用無線信道）和無線信道阻塞（表現(xiàn)為無線信道一直被占用），從而造成無線數(shù)據(jù)傳送速率降低或完全中斷。2012年11月初深圳地鐵2號線、5號線多趟列車多次發(fā)生了故障，緊急停運。后經(jīng)現(xiàn)場驗證表明，當列車上帶 WiFi無線路由器的3 G手機、便攜機等使用達到一定數(shù)量時，就會對使用2.4 GHz共用頻段的CBTC地鐵信號系統(tǒng)造成干擾［1］。

本文在對城市軌道交通車地?zé)o線通信干擾進行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于2.4 G的抗干擾車地?zé)o線通信的系統(tǒng)方案，為城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的升級提供了一個新的思路。

1 車地?zé)o線通信的干擾分析

對CBTC無線通信系統(tǒng)構(gòu)成干擾的因素有多種情況，如乘客信息系統(tǒng)（PIS）對信號的干擾、乘客攜帶電子設(shè)備對信號系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾、列車在高速移動中帶來的多普勒效應(yīng)、隧道內(nèi)的多徑效應(yīng)、工作在相同頻段非 WiFi設(shè)備形成的干擾等，具體請見參考文獻［1－2］。本文主要對乘客攜帶的電子設(shè)備對信號系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾進行進一步的分析。乘客攜帶的電子設(shè)備對信號系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾有3種典型場景。

1.1 典型的干擾場景

1）車廂離軌旁AP（無線接入點）較近，乘客攜帶的WiFi電子設(shè)備與CBTC無線通信系統(tǒng)的信號強度比較接近。這種情況下（見圖1），乘客攜帶的電子設(shè)備與軌旁AP和車載終端之間直接形成了無線信道的爭用，大家對無線信道的使用機會均等。假設(shè)CBTC的無線數(shù)據(jù)傳輸需要150 kbit／s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時801.11 g協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模式為6 M，按照50%的平均數(shù)據(jù)傳輸速率來計算，那么維持軌旁AP和車載終端之間不少于150 kbit／s數(shù)據(jù)傳輸速率的用戶數(shù)應(yīng)不多于20。即同時使用的用戶數(shù)超過20就會對CBTC的無線通信造成干擾。而當列車移動到兩個軌旁AP之間時，隨著接收端無線信號強度的下降和信噪比的降低，CBTC無線數(shù)據(jù)的平均傳輸速率會有比較大的降低，會降低到最大值的1／2或1／3以下，這樣其能夠抵抗乘客所攜帶電子設(shè)備同時在線傳輸?shù)臄?shù)量會大大下降。

圖1 地面AP、車載終端、乘客攜帶設(shè)備示意圖

2）在車廂離軌旁AP較遠（在軌旁兩個AP中間）時，如果乘客攜帶的WiFi電子設(shè)備與CBTC無線通信系統(tǒng)使用不兼容的協(xié)議模式（如802.11b模式和純802.11g模式）或不同的無線信道，雙方的無線信號于對方而言則純粹為噪聲干擾。一般來說，一方發(fā)射的信號強度超過對方接收模式最低接收靈敏度20 dBm以上，就會被對方視為無線信道被占用［7－8］。當車載終端處于接收狀態(tài)時，從AP側(cè)發(fā)送到達車載終端的信號相對來說比較弱，則乘客攜帶的WiFi電子設(shè)備可以始終處于發(fā)射狀態(tài)。當乘客攜帶的電子設(shè)備發(fā)射功率比較小時，會造成車載終端接收速率的降低。而當乘客攜帶的電子設(shè)備連續(xù)使用且發(fā)射功率比較大時，基本上可以造成CBTC地面到車載方向無線信道的阻塞，對CBTC無線數(shù)據(jù)通信具有比較大的殺傷力。

1.2 干擾的測試和驗證

下面對一些典型的場景進行測試和驗證。

1.2.1 測試場景一

1）測試環(huán)境：如圖2所示，選用干擾設(shè)備4對，被測設(shè)備1對。每對設(shè)備通過空口連接。

圖2 測試場景一測試環(huán)境示意圖

2）測試內(nèi)容：測試設(shè)備和干擾源配置為802.11g模式，且選用同信道，依次增加1、2、3、4對干擾源，查看測試設(shè)備帶寬情況。

3）測試結(jié)果：見圖3。由測試結(jié)果可知，隨著用戶數(shù)的增加，數(shù)據(jù)傳送速率會逐漸降低，每增加1對干擾源，數(shù)據(jù)傳送速率都會降低，數(shù)據(jù)傳送速率接近于無干擾時傳輸速率的1／（N＋1）。N為干擾源數(shù)目。

圖3 測試場景一的干擾和速率曲線

1.2.2 測試場景二

1）測試環(huán)境：如測試場景一，見圖2，不過采用1對干擾源。

2）測試內(nèi)容：干擾設(shè)備和測試設(shè)備配置為802.11g模式，互為鄰信道，傳輸速率設(shè)置為6M；固定干擾設(shè)備的發(fā)射功率，調(diào)節(jié)測試設(shè)備的發(fā)射功率（在正常工作范圍內(nèi)），看測試設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率的變化情況。然后降低干擾設(shè)備的發(fā)射功率，并保持不變，再重復(fù)以上的試驗。

3）測試結(jié)果：如表1所示，當干擾設(shè)備發(fā)射功率不高時，被測設(shè)備的傳輸速率雖然隨著接收電平的下降而降低，但仍然可以維持在一定的傳輸速率之上。但當干擾設(shè)備發(fā)射功率比較高時，如果被測設(shè)備的接收電平比較低，則很容易出現(xiàn)無線通信被完全阻塞的情況。

通過以上的試驗和試驗結(jié)果可以看出，乘客攜帶的電子設(shè)備所造成的干擾主要有3類：第一類是無線空間信道爭用，第二類是接收信噪比的降低所造成的傳輸速率下降，第三類是遇到強干擾而本身的信號較弱所造成的通信阻塞。第三種情況對CBTC無線通信的影響最大，在開放的ISM頻段和開放的802.11x協(xié)議下除了提高接收信號的電平或限制乘客行為外并沒有特別有效的方法。

表1 測試干擾條件下的接收電平和數(shù)據(jù)傳輸速率

2 抗干擾方案的研究

2.1 抗干擾方案及比較

城市軌道交通車地?zé)o線通信的抗干擾方案大致有這幾個方面：一是申請城市軌道交通通信信號的專用頻率［1］；二是進行現(xiàn)有頻率的頻率規(guī)劃，盡量減少相互間的影響［2］；三是在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高抗干擾的能力，如調(diào)整天線的極化方向、方向角，采用波導(dǎo)管，增加糾錯編碼等［2］；四是鼓勵創(chuàng)新，在現(xiàn)有頻段范圍內(nèi)采用抗干擾能力強的系統(tǒng)和方案［1］。表2中對這4種方案進行了簡單的比較。

表2 抗干擾方案的比較

從以上的比較可以看出，不同的抗干擾方案各有其優(yōu)勢和劣勢。如果能夠達成抗干擾方案一那是最好，否則可以綜合采用方案二和方案三來改進現(xiàn)有的車地?zé)o線通信系統(tǒng)。不過，從中長遠的角度來看，積極研制能滿足城市軌道交通車地?zé)o線通信的性能及高抗干擾要求的系統(tǒng)，對于我國城市軌道交通的穩(wěn)定性和安全性是具有重要意義的。本文后續(xù)對此進行一些探討。

2.2 CSS技術(shù)介紹

CSS（Chirp Spread Spectrum）是一種使用寬帶線性頻率調(diào)制的Chirp信號的擴頻技術(shù)。在一個Chirp信號周期內(nèi)，Chirp信號的頻率隨著時間的變化而線性變化，表現(xiàn)出線性調(diào)頻的特性，并在一個信號周期內(nèi)Chirp信號的頻率會掃過一定的帶寬。在通信領(lǐng)域中，可以用掃過較寬頻段的Chirp信號來表征數(shù)據(jù)符號，以達到對數(shù)據(jù)符號進行擴頻的效果。圖4為Chirp信號及其經(jīng)匹配濾波器后的輸出信號。

CSS信號及系統(tǒng)具有以下特點：

圖4 Chirp信號及其匹配濾波后的輸出信號

1）系統(tǒng)處理增益好［3］。幅度為1的Chirp信號經(jīng)過匹配濾波以后的脈沖最大幅度為（Tc為Chirp信號持續(xù)時間，B為Chirp信號頻寬），也就是CSS帶來的處理增益。較大的處理增益意味著較高的抗噪聲干擾的能力。

2）抗多普勒頻偏能力強［3］。有頻偏的Chirp信號經(jīng)過匹配濾波后會造成壓縮脈沖幅度的減小和使壓縮脈沖出現(xiàn)時移現(xiàn)象。假設(shè)δ＝ωd（2πB）（ωd為頻率偏移），則有頻偏的壓縮脈沖的最大幅度約為原來的（1－｜δ｜），時移量約為（δTc）。假設(shè)一個物體的移動速度為300 km／h，載波頻率為2.4 GHz，則產(chǎn)生的最大多普勒頻移為666 Hz，跟Chirp信號幾十兆的帶寬相比可以忽略?，F(xiàn)在微波射頻技術(shù)的進步使載波的頻差可以很容易地被控制在幾百Hz之內(nèi)，因而載波的頻差也基本可以忽略。

3）抗多徑能力強。一方面CSS信號對多徑效應(yīng)本身就有比較好的抑制作用。CSS信號的頻寬越寬，對多徑效應(yīng)的抑制作用越好［4］。另一方面，寬帶的CSS信號可以分辨多徑分量，其時間分辨率為1／B［4］。假設(shè)CSS信號的持續(xù)時間是1 000 ns，Chirp信號頻寬B為60 M，接收天線同時接收有直射信號和反射信號，那么CSS壓縮信號的持續(xù)時間約為16 ns。16 ns和1 000 ns對應(yīng)無線電波在空中的傳輸距離分別為4.8 m和300 m。只要反射信號的傳輸距離大于直射信號的傳輸距離在4.8 m和300 m之間，就不會影響信號正常的接收。反射信號的傳輸距離大于直射信號的傳輸距離300 m以上的情況下，由于反射信號的能量相對直射信號而言已大大衰減，一般來說對接收不會造成實質(zhì)性的影響。

4）傳輸距離遠。由于較高的系統(tǒng)處理增益，以及較好的抗噪聲干擾、頻率偏移和多徑的能力，同等發(fā)射功率等條件下，CSS信號可以傳輸更遠的距離。

5）發(fā)射功率低。Chirp信號同時具有擴頻和擴時2種特性。擴頻特性是指Chirp信號的能量均勻分布在整個頻帶范圍內(nèi)，而擴時特性指Chirp信號的能量平均分布在整段持續(xù)時間內(nèi)，因而Chirp信號發(fā)射機的瞬時功率和平均功率都比較小。

6）傳輸延時小。CSS信號的接收通過匹配濾波器可得到“自相關(guān)”，即壓縮脈沖。匹配輸出的壓縮脈沖幅度較大，能量集中，易于檢測，可大大簡化頻率同步和時間同步的設(shè)計和處理過程，因而傳輸時延相對較小。

隨著CSS技術(shù)的不斷成熟，2007年IEEE802.15.4標準體系接納CSS技術(shù)作為物理層標準之一并形成802.15.4a修正案［9］，為 CSS技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

2.3 基于CSS的車地?zé)o線通信方案

城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)一般由沿軌旁間隔（200～400 m）布置的AP和車載無線終端（Station）組成。軌旁無線AP和車載Station采用802.11x協(xié)議，構(gòu)成典型的無線局域網(wǎng)。另外，為了提高無線通信的可靠性，往往在地面布置2套無線接入網(wǎng)絡(luò)，列車上則安裝2套車載終端。2套車載終端分別接入地面不同的無線接入網(wǎng)絡(luò)以避免無線通信系統(tǒng)的單點故障問題。

為了提高城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的抗干擾性能，同時又盡量保持與原有系統(tǒng)的兼容性，可以在現(xiàn)有車地?zé)o線通信架構(gòu)的基礎(chǔ)上將CSS技術(shù)引入到802.11x的物理層（見圖5）。

圖5 802.11x的協(xié)議框圖

圖5中左側(cè)部分為原有802.11x協(xié)議框架，右側(cè)黑色粗線框的框內(nèi)為新添加的基于CSS技術(shù)的物理層。只要維持與上層MAC層相同的接口，就可以將基于CSS的PHY像802.11b PHY、802.11g PHY等一樣無縫地集成到802.11x協(xié)議框架中。

基于CSS的PHY可以參照802.15.4a協(xié)議［9］中有關(guān)定義內(nèi)容（6.5a節(jié)）來實現(xiàn)。802.15.4a中的CSS PHY定義了2種傳輸速率，一種為1 Mbit／s，另一種為250 kbit／s。另外，802.15.4a的信道定義與802.11b相同，使用2.4 G ISM頻段。每個信道為20 M，信道中心頻率的間隔為5 M，相互不重疊的信道數(shù)目為3個。802.15.4a中的CSS PHY采用“差分雙正交四相線性調(diào)頻相移鍵控調(diào)制和擴頻方法”（見圖6）。二進制數(shù)據(jù)首先經(jīng)DEMUX分成2路，然后分別經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換和簡單的編碼（1 Mbit／s速率的碼率是3／4，250 kbit／s速率的碼率是6／32）和內(nèi)部交織（僅針對250 kbit／s速率）及并／串轉(zhuǎn)換，變成I／Q信號。再經(jīng)QPSK調(diào)制和差分編碼，然后順序與CSK發(fā)生器產(chǎn)生的4個相互正交的subchirp載波序列相乘和相加形成DQCSK信號并進行發(fā)送。

基于CSS的車地?zé)o線通信方案能夠在提升抗干擾性能的基礎(chǔ)上，同時滿足CBTC對無線數(shù)據(jù)通信的要求。

3 結(jié)語

城市軌道交通的發(fā)展促進了CBTC系統(tǒng)的開發(fā)和普遍應(yīng)用，同時也帶來了802.11x在該領(lǐng)域列車信號控制的應(yīng)用易受干擾的問題。本文在對乘客攜帶的電子設(shè)備對信號系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾進行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于CSS技術(shù)的車地?zé)o線通信抗干擾方案。通過在既有802.11x協(xié)議框架及ISM開放頻段下增加基于CSS技術(shù)的物理層，可以提高城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的抗干擾性能，同時又較好地保持了與原有系統(tǒng)的兼容性。該方案既能夠用于新建的系統(tǒng)，也便于現(xiàn)有CBTC無線通信系統(tǒng)的改造升級。

圖6 CSS信號調(diào)制和擴頻過程示意圖

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［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］.