陳禹霖

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

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基于Matlab的CBTC系統(tǒng)鄰頻干擾研究

陳禹霖

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

摘要針對(duì)IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的特性,引入鄰頻干擾函數(shù)作為定量研究系統(tǒng)鄰頻干擾的方法。通過(guò)模擬一種實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景,對(duì)采用不同信道方案時(shí)接收信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行分析與計(jì)算,得出的增大信道間隔將有效提升接收信號(hào)的質(zhì)量和系統(tǒng)吞吐量,為CBTC系統(tǒng)的信道規(guī)劃提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞CBTC系統(tǒng);OFDM;鄰頻干擾;干擾函數(shù)

CBTC廣泛使用IEEE 802.11協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信,其中IEEE 802.11g通常是OFDM模式[1]。CBTC系統(tǒng)需要在保證無(wú)線通信系統(tǒng)具有比較高的安全性的同時(shí),擁有盡量大的吞吐量,因此要有較多的工作信道數(shù)量,這將增大信道間的干擾,受鄰信道影響設(shè)備性能將會(huì)降低甚至嚴(yán)重惡化。單方面提高工作信道數(shù)量有助于提高系統(tǒng)的吞吐量,但其相互間的干擾增大又會(huì)使單一設(shè)備的吞吐量降低,因此需要均衡信道數(shù)量和其增加所帶來(lái)的負(fù)面影響,即鄰頻干擾加大,從而優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。

本文針對(duì)CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,對(duì)IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和研究,根據(jù)其頻率特性結(jié)合OFDM方式,利用Matlab軟件計(jì)算研究信道間的干擾和重疊情況,引入干擾函數(shù)作為信道間干擾的定量分析手段,并模擬實(shí)際場(chǎng)景,對(duì)采用不同無(wú)線信道分配方案進(jìn)行比較研究。通過(guò)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)接收信號(hào)的質(zhì)量存在較大不同,這將為CBTC系統(tǒng)信道規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)以及實(shí)施建議。

1IEEE 802.11g及其頻率特性

IEEE 802.11協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)的鏈路層、物理層上進(jìn)行嚴(yán)格的定義,確保了系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備間的可靠性與兼容性,由于WLAN具有簡(jiǎn)單的組網(wǎng)結(jié)構(gòu),工作頻段為2.4 GHz,應(yīng)用相當(dāng)廣泛,設(shè)備普遍且成本較低。IEEE 802.11g的WLAN采用OFDM調(diào)制,即將信道分成若干個(gè)正交子信道,將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到各個(gè)子載波上,降低數(shù)據(jù)流的速率[2]。通過(guò)各個(gè)子載波進(jìn)行傳輸?shù)姆绞綄⒋蠓档托诺乐g存在的干擾,提高傳輸效率。IEEE 802.11g工作頻段為2.402～2.483 GHz,其中規(guī)定了11個(gè)信道,分別占用約22 MHz的帶寬,信道間相隔5 MHz[3],如圖1所示。

圖1　IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)信道規(guī)劃

由圖1可發(fā)現(xiàn),若信道間隔為1～4,則信道間是相互重疊的,由此產(chǎn)生的信道干擾會(huì)影響工作設(shè)備在該信道上的通信效率。其中信道1、6、11是沒(méi)有交疊部分的,因此在其上傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的鄰頻干擾可以忽略不計(jì)。利用這3個(gè)信道可以基本實(shí)現(xiàn)工作時(shí)的互不干擾。

2信道干擾函數(shù)的分析與計(jì)算

2.1研究信道干擾函數(shù)的意義

對(duì)抗CBTC系統(tǒng)無(wú)線通信過(guò)程中的鄰頻干擾,需要在選擇信道方案時(shí)進(jìn)行分析和計(jì)算,明確通信設(shè)備是在互不干擾的前提下工作,或者干擾可通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行削弱或消除。從IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃上看,選擇信道1、6、11是一種理想方案,在對(duì)信道數(shù)量要求較低的場(chǎng)景下,該方案能最大化信道的利用率,使鄰頻干擾降到最低。然而在實(shí)際應(yīng)用中,CBTC系統(tǒng)需要有一定的冗余度,并在冗余度大時(shí),工作信道的數(shù)量通常在3個(gè)以上,這將使設(shè)備之間存在干擾致使單一設(shè)備的吞吐量降低,但設(shè)備的增加又可能使整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量得到有效提升[4]。因此,需要對(duì)信道方案進(jìn)行仿真來(lái)得到最優(yōu)解,此時(shí)就需要引入信道干擾函數(shù)來(lái)表征不同信道間的交疊程度,對(duì)鄰頻干擾進(jìn)行定量分析研究。

2.2信道干擾函數(shù)的推導(dǎo)

OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù),是多載波傳輸實(shí)現(xiàn)方案中的一種,也是運(yùn)用最廣泛的一種。理論上OFDM過(guò)程將子載波進(jìn)行相移鍵控(PKS)或正交幅度調(diào)制(QAM),因此子載波上的比特流表征為子載波的相位和幅度

(1)

根據(jù)上式,假設(shè)ts=0,可得到功率歸一化OFDM信號(hào)的復(fù)包絡(luò)[6]

(2)

(3)

IEEE 802.11g中OFDM方式的參數(shù)[7]如表1所示。借助這些參數(shù)用Matlab軟件可仿真出OFDM信號(hào)的功率譜密度圖,如圖2所示。

表1　OFDM參數(shù)

圖2　OFDM信號(hào)功率譜密度

在符合IEEE 802.11g協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備中,如無(wú)線網(wǎng)卡,是自帶中頻濾波器的,其作用是降低OFDM信號(hào)兩側(cè)的功率譜密度。該濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

(4)

圖3　中頻濾波器響應(yīng)曲線

OFDM信號(hào)通過(guò)中頻濾波后的功率譜密度如圖4所示。

圖4　濾波后OFDM信號(hào)功率譜密度

在定義干擾函數(shù)時(shí)引入函數(shù)overlap(i,j,f),該函數(shù)表征信道i和j在f頻率處的重合程度

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

(5)

(6)

表2　鄰頻干擾因數(shù)

表2中干擾因數(shù)隨著信道間隔的增大而減小,當(dāng)信道間隔為1～3時(shí),信道間存在較大干擾,而當(dāng)間隔增加到5時(shí)干擾因數(shù)低至0.007 4,此時(shí)干擾忽略不計(jì),即鄰頻信道間互不干擾,與從圖1得出的信道特性一致。

3信道間干擾對(duì)信噪比的影響

實(shí)際場(chǎng)景模擬如圖5所示,A點(diǎn)和C點(diǎn)相距300 m,各建有一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)AP,B點(diǎn)處有一輛列車行駛于兩個(gè)接入點(diǎn)之間,同時(shí)與兩個(gè)接入點(diǎn)建立通信,分別處于不同的信道上。其之間存在信道間的干擾。A點(diǎn)的信噪比(SINR)可由式(7)計(jì)算

(7)

圖5　實(shí)際場(chǎng)景模擬圖

(8)

式中,λ為波長(zhǎng);r為兩點(diǎn)間距離。對(duì)干擾函數(shù)olfi,j代入不同的干擾因數(shù)用以表征兩個(gè)接入點(diǎn)在不同信道上工作時(shí)的干擾,將列車與A點(diǎn)的距離代入r表征列車在兩個(gè)接入點(diǎn)間行駛,通過(guò)Matlab軟件計(jì)算得到兩個(gè)接入點(diǎn)在不同信道工作,且列車行駛在兩點(diǎn)之間時(shí)AP#1接受信號(hào)的信噪比,見(jiàn)圖6所示。可看出增加接入點(diǎn)工作信道的間隔將會(huì)提高AP#1接收信號(hào)的信噪比。例如,當(dāng)列車與A點(diǎn)相距200m時(shí),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,可見(jiàn)增大信道間隔將在顯著提高接收信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)使系統(tǒng)吞吐量也得到了大幅提升,與之前給出的結(jié)論一致。

圖6　采用不同工作信道方案時(shí)接收信號(hào)的質(zhì)量

4結(jié)束語(yǔ)

CBTC系統(tǒng)在城市軌道交通快速發(fā)展中得到了廣泛開(kāi)發(fā)和普遍運(yùn)用,因其使用開(kāi)放性較高的2.4 GHz頻段,易受到干擾的問(wèn)題不可避免。本文針對(duì)IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的特性,引入鄰頻干擾函數(shù)作為定量研究系統(tǒng)信道間干擾的方法,并模擬一種實(shí)際場(chǎng)景,對(duì)采用不同信道方案時(shí)接收信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行分析和計(jì)算最終得出結(jié)論,為CBTC系統(tǒng)的信道規(guī)劃提供理論依據(jù)和參考,同時(shí)也為研究者提供了一種理論工具,幫助提高仿真模型的有效性。

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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

中圖分類號(hào)TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-029-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.008

作者簡(jiǎn)介:陳禹霖(1989—),男,碩士研究生。研究方向:移動(dòng)通信。

收稿日期:2015- 09- 03