CBTC信號系統(tǒng)無線跳頻技術(shù)的抗干擾設(shè)計

葉富智

隨著民用無線通信廣泛應(yīng)用，無線干擾源的增多，信號系統(tǒng)抗干擾壓力非常大。為了保證CBTC信號系統(tǒng)安全，廣州地鐵9號線采用FHSS無線跳頻技術(shù)，具有較好的無線抗干擾能力。下面以廣州地鐵9號線為例，從CBTC信號系統(tǒng)的架構(gòu)、原理、抗干擾設(shè)計等方面對無線跳頻技術(shù)進(jìn)行分析。

1 CBTC系統(tǒng)

基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），包含一個數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（DCS），連接列車控制系統(tǒng)中的車載設(shè)備 （MR）、軌旁設(shè)備和控制中心設(shè)備，實時、動態(tài)地傳送列車的控制信息，實現(xiàn)軌道沿線與運行列車之間的雙向通信。

DCS由一個有線骨干網(wǎng)絡(luò)和一個沿著列車軌道分布的無線網(wǎng)絡(luò)組成。整個DCS網(wǎng)絡(luò)與列車控制系統(tǒng)的其他部分之間由安全設(shè)備 （SD）分隔，并對通信進(jìn)行認(rèn)證，確保車－地通信信息的安全可靠。廣州地鐵9號線DCS結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 廣州地鐵9號線無線CBTC DCS網(wǎng)絡(luò)

2 無線跳頻抗干擾技術(shù)

無線技術(shù)采用基于802．11標(biāo)準(zhǔn)的FHSS無線跳頻通信協(xié)議和802．3以太通信協(xié)議，該無線標(biāo)準(zhǔn)是一個開放性通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于瞬時窄帶系統(tǒng)。

跳頻技術(shù)將2．4GHz全頻段劃分為79個頻點，每個頻點帶寬1MHz，進(jìn)行動態(tài)跳頻，且收發(fā)兩端遵循一種預(yù)定義的偽隨機(jī)序列 （跳頻序列）。因為跳頻載波頻率的快速跳變和跳頻序列的偽隨機(jī)性，即使部分載波頻率被截獲，截獲方也無法預(yù)測跳頻接下來跳到哪個頻率，保證了通信傳輸?shù)陌踩?、可靠。信號系統(tǒng)FHSS跳頻技術(shù)主要通過以下幾方面應(yīng)對各種無線干擾。

2．1 外來干擾

1．忽略干擾。通過對無線系統(tǒng)設(shè)定盡量高的無線信號閾值，可以排除很多干擾。對無線通信而言，其效果與沒有其他信號或噪音存在時相同。

2．避開干擾。2．4GHz全頻段范圍內(nèi)共有79個頻點可供跳頻，頻點較多，且跳頻切換時間很短，使系統(tǒng)可以快速避開干擾，在其他頻點重發(fā)信息，并在一定時間內(nèi)最大可能避免再進(jìn)入同一干擾區(qū)。由于重新傳輸所導(dǎo)致的時延很小 （毫秒級），不會影響列車控制系統(tǒng)。

3．競爭干擾。利用802．11中的無線標(biāo)準(zhǔn)自動實現(xiàn)分時共享信道。

應(yīng)對外來干擾的方式如圖2所示。

802．11的無線標(biāo)準(zhǔn)中提供了一個非常有用的機(jī)制，可以讓所有用戶分享無線媒介，而帶來的時延很小，不會影響列車控制系統(tǒng)的運行。在10%的消息丟失率下，列車控制信號系統(tǒng)的工作仍能不受影響。

2．2 內(nèi)部干擾

1．抗多徑干擾。多徑干擾是電波傳播過程中遇到各種物體所引起的反射或散射信號，對直接傳播到接收端的信號所產(chǎn)生的隨機(jī)干擾。跳頻系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的跳頻序列，不斷地從當(dāng)前信道跳到一個新的信道。當(dāng)跳頻頻率足夠高時，可以從根本上解決多徑干擾。廣州地鐵9號線的無線跳頻設(shè)定為每64ms跳一次 （約15跳／s），可滿足信號系統(tǒng)連續(xù)通信和抗多徑干擾的要求。

2．抗頻率衰落。由于跳頻系統(tǒng)采用的是1MHz窄波段的傳輸信道，并不存在不同頻率的選擇性衰落問題，因此跳頻系統(tǒng)不必像直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)一樣采用信道濾波器，避免了濾波器的時延對信號系統(tǒng)移動性的嚴(yán)重影響。

3．抗軌旁AP間的相互干擾。廣州地鐵9號線的FHSS無線跳頻系統(tǒng)提供3組、每組26個互相正交的跳頻序列，共計有78種完全不同的跳頻序列可供AP使用。城軌軌旁的相近AP會選擇不同的跳頻序列進(jìn)行跳頻，保證了軌旁AP之間不會產(chǎn)生相互干擾影響。78組完全不同的跳頻序列幾乎避免了無線DCS系統(tǒng)設(shè)備之間的自干擾。

與采用802．11b／g的系統(tǒng)相比優(yōu)勢明顯。采用802．11b／g的無線系統(tǒng)要求不同的軌旁AP采用不同的頻段，以免相互干擾，在進(jìn)行無線規(guī)劃時，這樣的要求往往會受到干擾環(huán)境、可供選擇的頻段數(shù)量少等限制。

4．降低工程調(diào)整難度。直序列擴(kuò)頻的無線網(wǎng)絡(luò)建成后，如果發(fā)現(xiàn)突發(fā)干擾源需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)時，由于不同AP之間的頻率相互關(guān)聯(lián)，調(diào)整時需要對全線以及車輛的所有AP同時修改，調(diào)整工作量大，實施較困難。而采用跳頻系統(tǒng)，在應(yīng)對突發(fā)干擾時，由于跳頻范圍較寬，跳頻序列較多，一般不需要調(diào)整無線網(wǎng)絡(luò)。

3 無線網(wǎng)絡(luò)冗余

DCS無線網(wǎng)絡(luò)提供軌旁AP和車載天線SA的冗余設(shè)計，實現(xiàn)了無線覆蓋的冗余和無線鏈路的冗余，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

車載天線SA隨著列車在整個系統(tǒng)的無線覆蓋區(qū)間內(nèi)移動，與軌旁的AP（通常是與信號最強(qiáng)的AP）建立空中信道，利用該信道傳輸列車運行狀態(tài)和控制信息，并根據(jù)802．11標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議自動進(jìn)行切換。

系統(tǒng)的每個AP都有一對高增益天線，每個天線各指向軌道的一個方向，供列車雙向運行通信。每個天線的類型、增益以及精確位置，綜合考慮軌道的物理特性 （如曲線半徑等），經(jīng)過鏈路預(yù)算和無線勘測后決定。

軌旁AP采用冗余的無線覆蓋，每個AP單方向的無線覆蓋范圍是AP間距的2倍。列車在任何位置，可以有更多的AP進(jìn)行通信選擇，保證完整的無線覆蓋。

在現(xiàn)場勘測確定軌旁AP位置和后期DCS測試的過程中，對每個軌旁AP點都有詳細(xì)的信號強(qiáng)度分析，確保軌道上任意點，即列車在線路上至少可以同時收到相鄰的至少2個軌旁AP點的信號。

車載天線 （SA）也采用冗余配置，列車的兩端分別安置一個SA，每個SA都帶有2個空間分集的定向天線，實際通信時選擇其中信號較強(qiáng)的一條鏈路。在每個瞬間，列車天線SA與軌旁AP之間，存在4個可選的獨立無線鏈路，只要其中一條鏈路可以正常通信，列車控制系統(tǒng)即可正常工作。車載SA與軌旁AP間的無線鏈路冗余，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 無線設(shè)計與實施

在進(jìn)行具體系統(tǒng)的無線設(shè)計和實施時，無線CBTC系統(tǒng)還可以根據(jù)實際的無線環(huán)境，靈活地設(shè)置AP的天線位置，選擇天線類型、調(diào)節(jié)天線朝向，并設(shè)置合理的跳頻范圍，盡可能地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，降低無線現(xiàn)場環(huán)境對列車控制信號系統(tǒng)的干擾影響。由于列車高速運行，列車處于有效干擾范圍中的時間最多幾秒鐘，而且干擾不會同時影響到列車與軌旁之間的4條無線通信鏈路，因此，也不會對整個列車控制系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響。在極端干擾情況下，系統(tǒng)采取可恢復(fù)制動，讓列車減速或停車，以保證安全。

廣州地鐵9號線無線CBTC信號系統(tǒng)，采用基于802．11標(biāo)準(zhǔn)的FHSS跳頻技術(shù)，有效提高系統(tǒng)抗外部干擾和內(nèi)部干擾的能力。無線CBTC系統(tǒng)通過DCS無線網(wǎng)絡(luò)中AP和SA的冗余設(shè)計，實現(xiàn)AP無線信號的冗余覆蓋，以及AP與SA之間的無線鏈路的冗余，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

［1］ 陶偉．基于跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的無線CBTC系統(tǒng)抗干擾能力研究及建議［J］．城市軌道交通研究，2013（6）．

［2］ 張雯，薛偉．DS－FH混合擴(kuò)頻技術(shù)在CBTC車－地通信中應(yīng)用的研究［J］．鐵路計算機(jī)應(yīng)用，2010（9）．