城市軌道交通CBTC系統(tǒng)無線通信抗干擾技術探析

摘 要：隨著城市化建設進程的不斷加快，城市軌道交通信號系統(tǒng)主要是基于通信列車自動控制系統(tǒng)進行控制，不僅投資相對較少，而且軌道交通運輸能力得以提高。本文先對CBTC系統(tǒng)架構進行分析，并在此基礎上就如何采取有效的抗干擾技術在該系統(tǒng)無線通信中的應用談一下筆者的觀點和認識，以供參考。

關鍵詞：軌道交通；城市CBTC系統(tǒng)；抗干擾技術；無線通信；研究

中圖分類號：TN975 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0115-02

BTC城軌交通系統(tǒng)中的車地無線通信子系統(tǒng)非常重要，其作為該系統(tǒng)的核心，基于車地無線通信子系統(tǒng)的運行來確保CBTC系統(tǒng)正常運轉。近年來，隨著科技水平的不斷提升，無線局域網(wǎng)技術得以快速發(fā)展，因其受無線干擾而導致CBTC車地通訊受到影響，不利于城軌交通的安全可靠性。隨著城軌交通事業(yè)的快速發(fā)展，加強CBTC以及無線通信過程中的抗干擾技術研究，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 CBTC架構

1.1 區(qū)域控制器

對于區(qū)域控制器中的MAU而言，即冗余校驗過程中的三取二配置，具有故障與安全測控功能，而且各聯(lián)鎖區(qū)域均布設了MAU。從應用效果來看，其實現(xiàn)了與控制區(qū)范圍內(nèi)全部城軌交通工具的信息互動，并且可以向轄區(qū)范圍內(nèi)的列車等交通工具進行LMA移動授權，以此來實現(xiàn)對PSD（屏蔽門）的監(jiān)控。

1.2 接口繼電器以及計軸ACE

在區(qū)域控制器與設備接口位置，采用接口繼電器，比如信號機、緊急停車按鈕以及屏蔽門和道岔等位置，采用接口控制器。對于計軸ACE而言，其主要是用以對區(qū)段占用情況以及出清和是否受到干擾進行檢測。

1.3 子系統(tǒng)

（1）ATS子系統(tǒng)。對調(diào)度區(qū)段的城軌車輛運行集中監(jiān)控，并且對進路控制以及城軌車輛間隔控制設備運行情況進行檢測，嚴格按照計劃對道旁信號設備進行監(jiān)控，以便于能夠準確接發(fā)車輛。對車輛運行軌跡進行監(jiān)控和自動記錄，并且負責時刻表的自動生成以及修改和顯示，對運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并自動生成報表；對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，記錄設備狀態(tài)以及調(diào)度員的操作情況，而且還要對城軌車輛的車次號進行自動傳遞等。

（2）ATP子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是對列車的運行超速進行防護，并且實時監(jiān)控與安全相關的設備，嚴格檢測列車的位置，以此確保列車之間保持安全的間隔距離。

（3）ATO子系統(tǒng)。對于ATO子系統(tǒng)而言，即地對車進行控制，主要是利用地面信息對城軌車輛進行驅動與制動控制。ATO系統(tǒng)應用以后，可使車輛處于安全運行狀態(tài)，以免出現(xiàn)劇烈加速或者驟然減速。

1.4 車載控制器與DCS

城軌交通系統(tǒng)中的車載控制器也具有故障安全控制功能，每一輛車上均設置了車載控制器。通過車載控制器，可實現(xiàn)與城市軌道旁設備的信息通信，并且根據(jù)授權進行安全距離計算以及車門控制。DCS即數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其采用的是獨立雙網(wǎng)形式，兩張網(wǎng)絡配置相同且保持相互獨立。城市軌道交通中的車地通信采用的是無線空間波，以UDP/IP作為通信協(xié)議。

2 城軌CTBC無線通信受到的主要干擾

2.1 WLAN干擾

WLAN多見于ISM頻段，由相關設備發(fā)出。部分非WLAN設施也存在于該頻段，比如生活中我們常用的藍牙設備以及無繩電話和無線游戲系統(tǒng)等，均會對城軌運行中的局域網(wǎng)系統(tǒng)造成不利影響。值得一提的是，很多設備對信號的干擾可忽略，常見的有藍牙設備，因其發(fā)射頻率相對較低，只要超過3m，則其干擾基本不計。

對于城軌地鐵等交通工具而言，其無線通信系統(tǒng)信號受到干擾主要源于WLAN網(wǎng)絡的同頻干擾。同時，乘客所用的各種便攜式無線路由器和手機以及平板電腦等終端設備提供信號，也會產(chǎn)生一定的影響。城軌交通運行中，尤其是大量的終端設備在車內(nèi)進行無線數(shù)據(jù)交換，列車的無線通信系統(tǒng)必然會受到來自于同頻段信號的干擾，以致于數(shù)據(jù)信息傳輸不暢，甚至造成系統(tǒng)通信故障。

2.2 天線分布

地鐵隧道較之于電波而言，猶如理想波導，會產(chǎn)生一定的波導效應。實踐中可以看到，因天線主要安裝在隧道壁上，此時直射波傳播難度較大較大，而且隧道有吸收衰減以及多徑等效應，容易造成極化紊亂或者更大傳播衰減。城軌列車在隧道中運行時，車體會對電波的傳播產(chǎn)生阻擋作用。天線主要用于收發(fā)信號，其布局不合理必然會影響到信號強弱。因隧道內(nèi)的電波傳播具有一定的特殊性，通常會因天線分布不合理或者頻點布設缺乏科學性等，導致系統(tǒng)受到同頻干擾或者互調(diào)干擾，不利于車地信號之間的傳輸。

3 城軌交通中的CBTC通信抗干擾技術方法

3.1 DSSS

對于CBTC系統(tǒng)而言，為了提高無線通信中的抗干擾能力，還應當使系統(tǒng)能夠有效適應通信頻段，比如2.4GHz等。CBTC系統(tǒng)通信過程中，允許有數(shù)百毫秒時間的延時，實踐中可基于DSSS直序擴頻技術對其進行優(yōu)化和改良。具體而言，對系統(tǒng)進行雙網(wǎng)設計以及雙頻冗余優(yōu)化設計，這有利于其中某網(wǎng)絡受干擾時利用其他網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸。基于兩個頻道的應用，可降低信號同時受干擾的概率，以此來保障無線通信。同時，基于窄帶技術的應用來收窄原頻帶占用，以此來提高無線通信功率譜密度。DSSS技術的應用，可以提高該系統(tǒng)的物理層強度門限，以此來判斷通道的占用；系統(tǒng)可使用其他獨立通道，以此來有效降低窄帶頻道被占用率，增強系統(tǒng)的通信靈活性，這對抵抗無線設備運行干擾性具有非常顯著的成效。通過構建CBTC無線通信子系統(tǒng)，可以增強車輛的車頭以及車尾屏蔽功能。實踐中，通過增設金屬網(wǎng)格可以屏蔽無線信號，減少乘客利用無線設備對城軌交通系統(tǒng)的通信信號干擾。

3.2 FHSS

基于FHSS技術的應用，采用CSMA/CA可以有效增強CBTC交通信號的抗干擾性。與DSSS技術不同，F(xiàn)HSS跳頻技術沒有采用固定的頻率來傳輸信號，而是利用跳變載波頻率進行數(shù)據(jù)傳輸。從技術特征來看，F(xiàn)HSS跳頻技術帶寬窄，功率譜密度相對較高，具有較強的抗干擾能力，可有效抵抗同頻率干擾。近年來，隨著國內(nèi)移動通信行業(yè)的快速發(fā)展和技術水平的不斷提高，城軌車輛上逐漸普及了WiFi設備。FHSS跳頻技術的應用，可在一定程度使CBTC信號抗干擾能力得以提高，這有利于適應外界通信條件變化。在該技術應用過程中，還應當密切結合實況優(yōu)化設計無線通道占用門限值，以便提高城軌交通通信系統(tǒng)頻道占有率，以此來有效抵抗外界環(huán)境的干擾。

3.3 CSS

隨著無線通信環(huán)境條件的越來越復雜，上述技術的應用可能依然難以確保城軌交通CBTC信號的穩(wěn)定傳輸，此時就必須加強城軌交通系統(tǒng)信號抗干擾技術創(chuàng)新，設計抗干擾性能更強的系統(tǒng)為城軌交通提供安全保障。比如，CSS技術利用寬帶線性頻率調(diào)制的Chirp信號進行無線傳輸擴頻，其可在Chirp頻率內(nèi)進行帶寬掃描，而且信號頻率隨時間的不斷推移而呈現(xiàn)出線性變化。在城軌交通通信過程中，只要對寬頻段信號進行掃描，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)符號擴頻之目的。在CBTC系統(tǒng)中引入這一技術手段，可在802.11x物理層應用CSS技術，使CSS基礎上的PHY與MAC層接口保持一致，在協(xié)議框架中使CSS實現(xiàn)無縫集成。同時，利用協(xié)議使CSS實現(xiàn)PHY。實踐中可以看到，在該協(xié)議中可對1Mbit/s以及250Mbit/s傳輸速率予以定義，各信道具有20M，而中心頻率間隔5M，具有三個不重疊的信道。在傳輸數(shù)據(jù)時，可基于DEMUX的利用將數(shù)據(jù)進行劃分，使其成為兩路，并對數(shù)據(jù)串/并轉換，然而在通過3/4或者6/32速率碼率進行簡單編碼，從而獲得I/Q信號。先進行QPSK調(diào)制，再差分編碼，按順序與發(fā)生器（CSK）多個正交載波序列相乘與相加，從而獲得可發(fā)送的信號（DQCSK）。從實踐來看，采用該技術手段可以保留城軌交通中的CBTC中的原通信架構，CSS技術的應用也可與原系統(tǒng)實現(xiàn)兼容，因此使用原系統(tǒng)通信裝置較為適合。CSS技術的應用，可實現(xiàn)多徑效應抑制功能，增強CBTC系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結束語

總而言之，隨著城市化建設進程的不斷加快，城軌交通技術應用以及發(fā)展空間也不斷的擴大，其中使用較為廣泛的是CBTC通信系統(tǒng)。值得一提的是，基于LTE（4G）無線通信解決方案地鐵專用的LTE頻段也劃分出來，未來應該會普及基于LTE的無線通信。實踐中，我們應當立足實際，結合具體情況和CBTC通信系統(tǒng)特點，對其干擾因素進行研究，并且進行技術創(chuàng)新，采用多種技術手段來提高CBTC通信系統(tǒng)抗干擾能力，確保城市軌道交通安全運行。

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收稿日期：2018-3-25

作者簡介：陳 智（1987-），男，漢族，助理工程師，本科，主要從事城市軌道交通通信系統(tǒng)運營維護等工作。