城市軌道交通CBTC系統(tǒng)與M iFi設備共存方案研究

劉曉娟，徐 昱，張雁鵬

（蘭州交通大學a.電子與信息工程學院；b.自動化與電氣工程學院，蘭州730070）

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)與M iFi設備共存方案研究

劉曉娟a，徐 昱a，張雁鵬b

（蘭州交通大學a.電子與信息工程學院；b.自動化與電氣工程學院，蘭州730070）

便攜式寬帶無線路由器（M iFi）的普及對城市軌道交通列車運行的干擾日益加重，必須對基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）與M iFi設備進行共存抗干擾分析。為此，提出一種自適應區(qū)間化的分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）改進方案，檢測網(wǎng)絡中的M iFi節(jié)點個數(shù)并進行區(qū)域劃分，對每個區(qū)域設置不同的競爭窗口值以改善系統(tǒng)性能。分析車廂內(nèi)M iFi設備的分布模型和M iFi對CBTC車地通信的干擾模型，根據(jù)干擾的特點改進傳統(tǒng)DCF方案，合理設置分區(qū)區(qū)間并預設競爭窗口。在不同幀長下計算改進前后DCF方案的吞吐量、傳輸時延和傳輸失敗率等系統(tǒng)參數(shù)，評估系統(tǒng)性能。分析結(jié)果表明，改進DCF優(yōu)化方案可有效提高M iFi干擾下的CBTC車地通信性能，實現(xiàn)一定程度的兩者共存。

基于通信的列車控制系統(tǒng)；便攜式寬帶無線路由器；無線干擾；分布式協(xié)調(diào)功能

1 概述

城市軌道交通的列車控制系統(tǒng)目前主要采用基于通信的列車控制（Communication-based Train Control，CBTC）系統(tǒng)，工作在無需申請的2.4 GHz公開頻段，易受到使用同樣頻段的便攜式寬帶無線路由器（MiFi）的干擾，影響車地正常通信，致使列車急停，危害列車運行安全。實際運營中，深圳、廣州等地已發(fā)生過類似事故，因此，探討CBTC系統(tǒng)與M iFi設備共存方案，減小M iFi干擾對CBTC系統(tǒng)的影響是亟待解決的問題。

M iFi是新興的便攜式無線寬帶路由器，可將4G信號轉(zhuǎn)化為無線保真（Wireless Fidelity，WiFi）信號，構(gòu)建小型無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN），為手機、平板電腦、多媒體播放器等設備提供上網(wǎng)服務。M iFi設備使用的W iFi信號仍采用IEEE802.11系列標準，并且用戶可以對設備采用的子信道進行自由選擇。當乘客在地鐵列車中使用M iFi設備時，可能與CBTC系統(tǒng)選擇相同的信道，由此產(chǎn)生的同頻干擾將造成信號碰撞和數(shù)據(jù)包傳輸延時，從而干擾CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常發(fā)送和接收。M iFi設備干擾嚴重時，車地通信無法正常進行，列車啟動緊急制動系統(tǒng)致使列車急停，進而影響列車的運行安全。

M iFi設備對CBTC車地通信干擾的本質(zhì)是同頻干擾。當M iFi節(jié)點增多時，干擾主要表現(xiàn)為M iFi節(jié)點對信道的爭搶，以及對CBTC信號頻譜的疊加而造成數(shù)據(jù)傳輸失敗。評價系統(tǒng)性能的主要參數(shù)為系統(tǒng)吞吐量和傳輸時延，IEEE802.11標準在實現(xiàn)介質(zhì)共享的媒體介入控制（Media Access Control，MAC）層對節(jié)點進行分配，最基本、應用最廣泛的接入方式是分布式協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function，DCF）隨機競爭方式。DCF協(xié)議采用載波監(jiān)聽/沖突避免機制（CSMA/CA）實現(xiàn)有競爭的信道共享，Cali運用數(shù)學建模的方法對CSMA/CA策略流程進行了分析［1-3］，發(fā)現(xiàn)各節(jié)點在運行時適當調(diào)整退避算法能有效提高系統(tǒng)吞吐量。文獻［4］在干擾模型分析中加入了數(shù)據(jù)包重傳率和傳輸出錯率，表明隨著競爭節(jié)點個數(shù)的不斷增加，IEEE 802.11的MAC層傳輸性能急劇惡化。無線局域網(wǎng)中競爭窗口（Content W indow，CW）的大小對系統(tǒng)吞吐量和傳輸時延有著重要影響，節(jié)點個數(shù)固定時存在最優(yōu)競爭窗口［5］。Bianchi等人通過檢測網(wǎng)絡中發(fā)送節(jié)點的數(shù)目變化，來動態(tài)調(diào)整合適的競爭窗口值，以此改進傳統(tǒng)的DCF協(xié)議［6-8］。而CBTC系統(tǒng)IEEE802.11的傳統(tǒng)DCF使用常數(shù)競爭窗口（Constant Contention Window，CWW）模式，其競爭窗口是固定的，在M iFi干擾節(jié)點動態(tài)變化時性能顯著下降。因此，本文將區(qū)間化思想應用于競爭窗口動態(tài)調(diào)整機制，提出一種基于M iFi自適應區(qū)間化的DCF優(yōu)化方案，建立M iFi設備對CBTC系統(tǒng)的無線干擾模型，分析數(shù)據(jù)傳輸特點及干擾原理，將干擾節(jié)點分布區(qū)間化，在各區(qū)間執(zhí)行不同的競爭窗口方案，提高M iFi干擾下CBTC系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)CBTC系統(tǒng)與M iFi設備的共存。

2 系統(tǒng)干擾模型

2.1 CBTC系統(tǒng)與M iFi設備

CBTC系統(tǒng)不依賴于軌道電路，是基于高精度車地定位、雙向連續(xù)及大容量車地數(shù)據(jù)通信、車載地面安全功能處理器實現(xiàn)的一種連續(xù)自動列車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展及改進，目前已廣泛應用于國內(nèi)各大城市地鐵列車中。CBTC系統(tǒng)主要由車載設備、地面設備和車地通信系統(tǒng)（Data Communication System，DCS）組成。其中最為關(guān)鍵的DCS系統(tǒng)包括車載無線傳輸設備、軌旁無線接入點（Access Point，AP）和骨干網(wǎng)絡。如圖1所示，當DCS系統(tǒng)受到無線干擾時，造成的丟包、傳輸時延及差錯重傳將極大地影響系統(tǒng)吞吐量，迫使列車無法正常計算位置，造成列車急停。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

便攜式M iFi設備可以填補W iFi信號覆蓋不到的區(qū)域，可以隨時隨地建立小型無線W iFi局域網(wǎng)絡。一個W iFi基站STA（Station）訪問一個新的AP時，STA需要一系列的操作，包括連接，認證和密碼輸入。對于移動用戶來說，M iFi設備不需要頻繁的更新STA和重選AP，克服了切換問題并實現(xiàn)了W iFi移動跟蹤功能，因此應用越來越廣泛。一個典型的M iFi網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，M iFi設備作為一個繼電器來轉(zhuǎn)換蜂窩網(wǎng)絡，將2G，3G，4G轉(zhuǎn)換成為W iFi網(wǎng)絡，對任意具有訪問功能的設備如智能手機，筆記本電腦和平板電腦等提供W iFi訪問。

2.2 干擾路徑分析

圖2顯示了CBTC系統(tǒng)和M iFi設備在車廂中共存時的傳播鏈接，根據(jù)他們的傳輸環(huán)境分為三大類。車地通信信道的傳播鏈路為1和2。車廂內(nèi)的M iFi設備和移動終端STA之間的通信則由3和4表示。M iFi設備對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾主要由G1，G2，S1，S2組成。其中，G1和G2分別表示M iFi信號下行鏈路對車載天線（Vehicle-m ounted Antenna，VA）和軌旁AP的干擾；S1，S2分別表示移動終端上行鏈路對車載天線VA和軌旁AP的干擾。本文首先介紹這3類傳輸模型，然后推斷主要研究路徑。

圖2 M iFi設備對CBTC系統(tǒng)的干擾模型

車載天線VA與軌旁AP之間一般使用Loss模型進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸模型為：

其中，d表示距離；PL0=-27.55+20×lg（f）為傳輸單位距離1 m時的損耗；n為空間自由傳播指數(shù)，實際測量中n=2；Xδ為陰影衰落（Shadow Fading，SF），在車地雙向通信中服從均值為0方差為2.75 dB的高斯分布。

車廂內(nèi)部M iFi設備和STA之間的傳播模型為：

其中，f為頻率（單位為MHz）；x為距離（單位為m）；α，δ，c為系數(shù)，正常期分別為2，0，5，擁擠期分別為2，0.065，5［9］。因此，M iFi設備對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾鏈路的傳播模型為：

其中，PLwin是城軌車廂的穿透損耗。具體傳輸參數(shù)如表1所示［10-11］。

表1 車地通信信道中的傳輸參數(shù)

由表1可知，M iFi設備到車載天線VA的傳播損耗為：

其傳播速率為6 M b/s，802.11b的閾值功率為-90 dBm＜-73 dBm，因此，G1和S1必須要納入考慮范圍之內(nèi)［12］。到達軌旁AP的W IFI信號強度比直接到VA的信號強度大65+10=75 dBm，軌旁AP受到的干擾功率為：

而-90 dBm＞-148 dBm，因此，G2和S2是可以忽略的。在本文中，僅考慮來源于S1和G1路徑的無線干擾。

3 基于M iFi自適應區(qū)間化的DCF方案

考慮到改變既定CBTC系統(tǒng)硬件的安全風險和控制分散的M IFI設備的困難度，目前一個可行的、具有抗干擾效果的算法只能通過升級CBTC系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。M IFI設備和CBTC系統(tǒng)在MAC層均使用DCF協(xié)議，因此，本文提出了一種簡單可行的抗干擾DCF協(xié)議。

3.1 CSM A/CA機制

DCF協(xié)議基于CSMA/CA機制實現(xiàn)有競爭的信道共享。在CBTC系統(tǒng)中車載天線VA和軌旁AP都可以監(jiān)聽信道狀態(tài)。當它們要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，首先監(jiān)聽信道是否空閑，若空閑時間達到DCF幀間隔時間（DCF Inter Frame Space，DIFS），產(chǎn)生一個隨機退避時間。隨后退避計時器依據(jù)此退避時間開始倒計時，在計時器值減為0時發(fā)送數(shù)據(jù)幀［13］。在退避計時過程中，若信道突然變?yōu)檎加脿顟B(tài)，退避計時器暫停計時，直到信道再次空閑達到一個時隙DIFS，計時器才會繼續(xù)倒計時。退避時間由式（6）計算：

其中，Random（）為一個隨機整數(shù)，服從［0，CW］的均勻分布，CW為競爭窗口值，取值介于最小競爭窗口CWmin和最大競爭窗口CWmax之間，CWmin和CWmax由系統(tǒng)物理層介質(zhì)特性決定；T0為時隙時間單元，主要包含傳播延遲、收發(fā)轉(zhuǎn)換時間和診斷時間，且T0應大于任意節(jié)點檢測其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)現(xiàn)時間。通常來說，T0由IEEE 802.11物理層的特性決定。因此，退避時間大小主要取決于競爭窗口CW的選擇，使用較小的CW可減小各節(jié)點的等待時間，提高信道利用率；使用較大的CW則可有效地減小發(fā)生碰撞的概率，合理選取CW的大小成為了改善系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

IEEE802.11使用二進制指數(shù)退避（Binary Exponential Backoff，BEB）算法，當發(fā)生沖突時使競爭窗CW增加1倍，而數(shù)據(jù)交互成功時將CW設為CWmin

［14］。但是在CBTC系統(tǒng)中，使用BEB算法會造成成功競爭到節(jié)點的信道容易再次競爭到信道，而傳輸失敗的節(jié)點競爭到信道的概率大大降低。這種公平性的缺失可能會造成車載VA或軌旁AP點喪失信道使用權(quán)，使DCS系統(tǒng)吞吐量急劇下降，傳輸時延大大增長。

3.2 自適應區(qū)間化的DCF算法

車廂內(nèi)的M iFi節(jié)點數(shù)是隨機變化的，不同的M iFi節(jié)點個數(shù)對DCS系統(tǒng)的干擾情況也不同。當M iFi節(jié)點多時干擾較大，若CW值偏小將造成不同節(jié)點出現(xiàn)相同隨機退避數(shù)的概率增大，引發(fā)數(shù)據(jù)幀的沖突導致發(fā)送失敗。為保證沖突概率p不超過一定值，必須適當增加CW。但CW增加的同時增大了節(jié)點的隨機退避數(shù)值，將增大DCF的退避等待時間，增加傳輸時延。當M iFi節(jié)點較少時，適當減小CW值并不會造成沖突概率p的增大，且可以減少節(jié)點的退避等待時間。因此，本文提出一種自適應區(qū)間化的DCF優(yōu)化方案，根據(jù)M iFi節(jié)點規(guī)模動態(tài)調(diào)整CW值，使系統(tǒng)更加靈活，具有更強的干擾適應性。具體算法流程如圖3所示。

圖3 自適應區(qū)間化的DCF算法流程

首先，傳統(tǒng)DCF中各節(jié)點是等價的，AP與車載VA有相同的概率爭搶到信道，在多節(jié)點長數(shù)據(jù)幀通信時將出現(xiàn)接入點AP瓶頸問題。為提高AP優(yōu)先級，要先對AP和VA算法進行改進。在信道占用致使AP進入退避凍結(jié)期間，將其計數(shù)器設為0，從而可以在VA發(fā)送數(shù)據(jù)幀完畢后立即競爭到信道。為了避免沖突，AP退避計數(shù)器設為0的同時，其他節(jié)點的退避計數(shù)器均加1。該退避算法使AP在VA發(fā)送每一幀數(shù)據(jù)后都可獲得一次信道，發(fā)送一次數(shù)據(jù)，這樣AP不會與其他節(jié)點發(fā)生沖突，總體可以獲取約50%的信道帶寬。

其次，將M iFi節(jié)點數(shù)劃分為若干區(qū)間，分別對每個區(qū)間進行統(tǒng)計分析并計算其合適的恒定CW值。將區(qū)間記為ni，對每個區(qū)間的節(jié)點數(shù)求期望值E（ni），將其作為該區(qū)間的節(jié)點值，然后，根據(jù)E（ni）計算CWmin值和CWmax值。

最后，針對傳統(tǒng)DCF使用的BEB算法有失公平性，提出基于指數(shù)增加指數(shù)減少（Exponential Increase Exponential Decrease，EIED）算法改進原有的退避機制，當發(fā)送失敗時競爭窗口以1.3倍遞增直到CWmax，實現(xiàn)競爭窗口緩慢增長；當發(fā)送成功時將競爭窗口重置為CWmax的一半，并在連續(xù)成功時以0.25倍速度遞減競爭窗口，直到CWmin。

4 仿真結(jié)果與分析

CBTC系統(tǒng)對數(shù)據(jù)包延遲是高敏感的，當延遲時間超過500 m s時就會發(fā)生列車急停。通過上訴分析可知M iFi設備主要由G1，S1對接入天線VA進行干擾，因此，本文通過VA吞吐量、VA平均分組時延和VA傳輸失敗率進行CBTC系統(tǒng)性能評估。利用仿真工具M atlab建立VA吞吐量等參數(shù)的仿真平臺，對比傳統(tǒng)DCF協(xié)議和自適應區(qū)間化改進后的DCF協(xié)議對各參量的影響。

由二維離散馬爾可夫鏈，IEEE 802.11 DCF的飽和吞吐量表達式為［15］：

其中，E［P］為數(shù)據(jù)包長度，由上層協(xié)議決定；Ts為某節(jié)點成功發(fā)送時信道被檢測為忙的平均時間；Tc為當碰撞發(fā)生時，信道被非碰撞節(jié)點檢測為忙的平均時間；Ptr為在一給定時隙至少有一個節(jié)點發(fā)送的概率Ps為在只有一個節(jié)點發(fā)送的條件下某次發(fā)送成功的概率。傳輸時延T則由DIFS、初始傳輸?shù)碾S機退避時間和數(shù)據(jù)傳輸時間組成：

其中，T0為DIFS時隙長度；Tb為初始傳輸?shù)碾S機退避時間；Td為數(shù)據(jù)幀發(fā)送時間；Ttr為無線信號在信道中的傳播時間。

仿真首先進行環(huán)境搭建，考慮到數(shù)據(jù)幀長（Data Frame Lengths，DFL）對吞吐量的影響，分別對幀長為1 024 Byte和4 096 Byte的數(shù)據(jù)包進行分析。在傳統(tǒng)DCF下M iFi節(jié)點數(shù)達到500時，VA吞吐量的損耗已經(jīng)達到了85%，對M iFi節(jié)點數(shù)大于500情況的仿真已失去意義。M iFi節(jié)點數(shù)雖然是隨機變化的，但是人群中M iFi設備的當前使用率為一個恒定的小范圍值，而且乘客人數(shù)在高峰期和空閑期可進行預估計。根據(jù)實際情況下，將M iFi節(jié)點數(shù)量分為4個區(qū)間較為合理：0～60，61～180，181～300，300以上。

圖4中分別對IEEE802.11傳統(tǒng)DCF方案和自適應區(qū)間化DCF方案進行了吞吐量仿真對比，繪制M iFi干擾越來越嚴重時吞吐量的衰減百分比曲線，可以看出，隨著M iFi節(jié)點數(shù)的增大，系統(tǒng)VA平均吞吐量急劇惡化。實線為使用傳統(tǒng)DCF時吞吐量的衰減曲線，虛線為使用改進DCF時吞吐量的衰減曲線。在DFL分別為4 096 Byte（三角型曲線）和1 024 Byte（星型曲線）時，改進DCF算法的吞吐量衰減均比傳統(tǒng)DCF緩慢。節(jié)點數(shù)從60開始進入第2個區(qū)間，曲線的衰落明顯開始減慢，這是由于系統(tǒng)使用了更為合適的競爭窗口值。同樣地節(jié)點數(shù)為180和300時，VA吞吐量衰減均得到了改善。

圖4 天線平均吞吐量

隨著M iFi節(jié)點數(shù)的增加，VA平均時延呈指數(shù)型增長，在增長到一定值時開始減慢增長速度，如圖5所示。同樣地，改進的DCF比傳統(tǒng)DCF時延的增加更為緩慢，并且在節(jié)點數(shù)進入下個區(qū)間時有明顯改善。

圖5 天線平均時延

天線傳輸失敗率是對評估CBTC系統(tǒng)性能的重要指標，對于VA來說其故障率表示傳輸延時達到500 m s的概率。從圖6可以看出，隨著M iFi節(jié)點數(shù)的增加，失敗率剛開始也呈現(xiàn)出指數(shù)型增長趨勢，整條曲線類似于VA平均時延。越大的節(jié)點個數(shù)和越長的數(shù)據(jù)幀長將導致更高的CBTC系統(tǒng)故障概率，如幀長為4 096 Byte、M iFi節(jié)點個數(shù)為300時有70%的概率導致系統(tǒng)故障，而使用改進的DCF則可以減小10%的失敗率。

圖6 天線傳輸失敗率

仿真結(jié)果表明，隨著M iFi節(jié)點數(shù)的增長和M iFi數(shù)據(jù)幀長的增長，系統(tǒng)吞吐量嚴重下降、傳輸時延顯著提高、VA失敗率迅速增加將有越來越高的概率迫使列車急停。相對與傳統(tǒng)DCF方案，基于自適應區(qū)間化的DCF優(yōu)化方案對系統(tǒng)性能的損耗有較好的改善能力。

5 結(jié)束語

本文通過建模分析M iFi設備對CBTC車地通信系統(tǒng)干擾的特點，研究兩者之間的共存干擾性問題。根據(jù)系統(tǒng)性能損耗與M iFi節(jié)點個數(shù)的關(guān)系，提出了一種基于自適應思想的節(jié)點區(qū)間化DCF優(yōu)化方案，首先對AP節(jié)點和VA節(jié)點分別使用不同的算法以提高AP優(yōu)先級，其次對M iFi節(jié)點進行分區(qū)，分別設置不同的競爭窗口最小值以減少M iFi的干擾，最后使用慢回退機制保證系統(tǒng)的公平性。仿真結(jié)果表明，該方案可以在一定程度上減小因M iFi干擾導致的CBTC系統(tǒng)性能損耗，保障列車的正常運行。研究中發(fā)現(xiàn)，M iFi節(jié)點分區(qū)的區(qū)間大小對方案的效果有直接影響，因此，未來將進一步探討列車具體運行場景的最優(yōu)區(qū)間長度，以更好地提升M iFi干擾下的系統(tǒng)性能。

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編輯 金胡考

Study on Coexistence Scheme for Urban Rail Transit CBTC System and MiFi Device

LIU Xiaojuana，XU Yua，ZHANG Yanpengb
（a.School of Electronic and Information Engineering；b.School of Automation&Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

As the popularity of portable wireless broadband router MiFi equipment，the interference of urban rail transit train becomes more and more serious，therefore it is necessary to analyze coexistence anti-interference between Communication-based Train Control（CBTC）system and MiFi device.In order to improve the performance of system，this paper proposes an improved Distributed Coordination Function（DCF）scheme based on adaptive section，dividing MiFi node number into several sections and setting different contention window value.It firstly analyses the distribution model of inside carriage MiFi devices and interference model between MiFi and CBTC system.Secondly，it sets partition interval and contention window value according to the characteristics of interference.Finally，it uses the simulation tool to analyze throughput，transmission delay and transmission failure rate of CBTC system，in order to compare the different data frame length performance of traditional DCF scheme and modified DCF scheme.Analysis results show that the new DCF model optimization scheme can effectively improve the CBTC train-ground communication performance under MiFi interference environment，and it can achieve a certain degree of the coexistence.

Communication-based Train Control（CBTC）system；MiFi；wireless interference；Distributed Coordination Function（DCF）

劉曉娟，徐 昱，張雁鵬.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)與M iFi設備共存方案研究［J］.計算機工程，2015，41（11）：30-34，46.

英文引用格式：Liu Xiaojuan，Xu Yu，Zhang Yanpeng.Study on Coexistence Scheme for Urban Rail Transit CBTC System and MiFi Device［J］.Computing Engineering，2015，41（11）：30-34，46.

1000-3428（2015）11-0030-05

A

U285.28

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.11.006

甘肅省青年科技計劃基金資助項目（1308RJYA 057）。

劉曉娟（1964-），女，教授、博士，主研方向：城市軌道交通智能控制系統(tǒng)；徐 昱（通訊作者），碩士研究生；張雁鵬，講師、博士研究生。

2014-12-17

2015-01-12 E-m ail：xuyu0609@126.com