平柳瓊

【摘要】 本文對(duì)上海地鐵無(wú)線CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)所采用的技術(shù)制式、組網(wǎng)方式做了歸納總結(jié)，給出了FHSS與OFDM兩種主要體制的電磁干擾測(cè)試結(jié)果，重點(diǎn)分析了兩種體制抗干擾主要機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試結(jié)果給予說(shuō)明，最后提出了面對(duì)當(dāng)前形勢(shì)的應(yīng)對(duì)策略。

【關(guān)鍵詞】 CBTC FHSS OFDM 抗干擾

近年來(lái)，基于通信的列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)CBTC特別是無(wú)線CBTC發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已在我國(guó)多個(gè)城市投入運(yùn)營(yíng)。但是面對(duì)電磁環(huán)境的惡化，特別是車廂內(nèi)同類頻率干擾源的增加，其關(guān)鍵技術(shù)——車地?zé)o線通信系統(tǒng)的可靠性將經(jīng)受重大考驗(yàn)。

2013年7月，深圳地鐵蛇口線和環(huán)中線信號(hào)系統(tǒng)因CBTC車地?zé)o線通信受干擾而發(fā)生暫停故障。之后由于此類故障頻繁，引發(fā)了社會(huì)各界對(duì)地鐵安全運(yùn)行問(wèn)題的廣泛關(guān)注。對(duì)車地?zé)o線通信系統(tǒng)抗干擾能力的測(cè)試與研究迫在眉睫。

一、上海地鐵無(wú)線CBTC系統(tǒng)概況

上海于2005年在全國(guó)率先試點(diǎn)無(wú)線CBTC系統(tǒng)，截止2013年12月，已有9條線路正式啟用無(wú)線CBTC，均采用2.4GHz開(kāi)放頻段，其各條線路所采用的通信技術(shù)體制如表1所示。其中OFDM信道帶寬為20MHz，窄帶OFDM帶寬為5MHz。組網(wǎng)方式中自由空間無(wú)線指的是采用在軌旁安裝定向天線與車頭車尾的接收天線進(jìn)行車地通信，波導(dǎo)管指在軌道上安裝波導(dǎo)管與安裝車輛底部的接收天線進(jìn)行車地通信。

二、抗干擾測(cè)試

近期無(wú)線電管理局與申通集團(tuán)對(duì)上海地鐵無(wú)線CBTC的工作頻率2.4GHz頻段的電磁環(huán)境、技術(shù)體制等進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明上海軌交沿線2.4GHz頻段電磁環(huán)境普遍高于-106.33dBm，其中，地下空間平均底噪（空閑時(shí)噪聲功率）為-104.24dBm，地面及高架平均底噪為-104.70dBm，比2005年高出2.78倍。

對(duì)FHSS與OFDM兩種體制分別進(jìn)行了試驗(yàn)線、正線測(cè)試，在CBTC連接速度分別為54Mbps和1Mbps兩種不同工作狀態(tài)下，進(jìn)行了單類型干擾（MiFi、WLAN/AP和TDFi分別部署），以及混合干擾（MiFi、WLAN/AP和TDFi同時(shí)部署）各2次，共8次測(cè)試。結(jié)果如表2所示。

FHSS系統(tǒng)僅在極端干擾情況下出現(xiàn)列車急停情況；而寬帶OFDM系統(tǒng)在一般干擾下就出現(xiàn)列車急停情況，窄帶OFDM相對(duì)于寬帶OFDM抗干擾性有所提高。

三、CBTC無(wú)線通信抗干擾性分析

無(wú)線數(shù)字通信可靠性的主要指標(biāo)是誤碼率，當(dāng)干擾進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，合成信號(hào)波形發(fā)生改變，使判決時(shí)產(chǎn)生一定概率的誤判。如果干擾使誤碼率達(dá)到一定程度，信息傳輸就會(huì)被阻斷。一個(gè)通信系統(tǒng)能正常工作的條件是：

式中為接收機(jī)輸入擾信比，Mj是系統(tǒng)的干擾容限。通過(guò)降低接收機(jī)的輸入擾信比，或者提高系統(tǒng)的干擾容限都可能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由此產(chǎn)生的抗干擾技術(shù)有：增大發(fā)射機(jī)功率、提高天線增益、降低路徑損耗、擴(kuò)頻技術(shù)、干擾抑制技術(shù)、信源編碼、信道編碼、有效的調(diào)制技術(shù)等。下面對(duì)上海地鐵使用的兩種主要抗干擾技術(shù)進(jìn)行分析：

（1）FHSS體制

跳頻擴(kuò)頻FHSS是將傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制信號(hào)的載波頻率在一個(gè)偽隨機(jī)序列的控制下進(jìn)行離散跳變，從而實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展的擴(kuò)頻方式。

發(fā)射機(jī)的頻率在一組預(yù)先指定的頻率下跳變。頻率跳變時(shí)間間隔的倒數(shù)稱為跳速，每一跳的載波頻率由偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的編碼決定，跳變規(guī)律又叫跳頻圖案。跳頻信號(hào)在信道中將疊加噪聲和干擾，接收方為了解調(diào)必須產(chǎn)生與發(fā)端嚴(yán)格同步的跳頻序列。

與深圳地鐵CBTC所采用的直序擴(kuò)頻DSSS不同，跳頻擴(kuò)頻沒(méi)有一個(gè)固定的中心頻率，載波頻率在一個(gè)很寬的頻帶內(nèi)以很快的速率跳變。由于收發(fā)雙方在每個(gè)頻率上停留的時(shí)間都非常短，因此即使某一時(shí)刻干擾源與收發(fā)設(shè)備在同一頻率上，即產(chǎn)生同頻干擾，也只會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生極短時(shí)間的干擾。而直序擴(kuò)頻由于采用固定頻率，一旦干擾源與CBTC無(wú)線處于同一頻率上，當(dāng)干擾信號(hào)電平足夠高時(shí)，將會(huì)直接壓制CBTC信號(hào)，造成停車事件。

如圖1所示，在T3時(shí)刻，干擾源與收發(fā)信機(jī)處于同一頻率，但干擾頻率F7也只能在T3時(shí)刻對(duì)FHSS系統(tǒng)造成影響，其余9個(gè)時(shí)隙仍能成功傳送。

對(duì)于FHSS，跳頻帶寬越寬，信道數(shù)越多，其抗干擾能力就越強(qiáng)。對(duì)于上海地鐵CBTC所采用的2.4GHz頻段，F(xiàn)HSS體制使用了其中2.402～2.480GHz共計(jì)79MHz頻段，1MHz作為跳頻信道帶寬，共劃分為79個(gè)信道。目前FHSS設(shè)備大多具備32ms、64ms、128ms等多種跳頻速率。本次測(cè)試中面對(duì)2.4GHz的同頻干擾FHSS體系表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗干擾性。

（2）正交頻分復(fù)用

正交頻分復(fù)用OFDM是一種特殊的多載波技術(shù)，與傳統(tǒng)的短波并行調(diào)制解調(diào)技術(shù)一樣，在頻域內(nèi)將信道分為多個(gè)子信道，在每個(gè)子信道上使用獨(dú)立的子載波分別調(diào)制，再進(jìn)行并行傳輸，子載波頻譜允許重疊，通過(guò)保持各子信道上波形的正交可以克服它們之間的相互干擾。OFDM的接收機(jī)實(shí)際為一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分。增加子載波數(shù)目就能提高數(shù)據(jù)的傳送速率。

OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會(huì)受到干擾。對(duì)這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)?？梢杂行У貙?duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。

但是OFDM技術(shù)也存在一些不足：首先對(duì)相位噪聲和載波頻偏十分敏感。整個(gè)OFDM系統(tǒng)對(duì)各個(gè)子載波之間的正交性要求格外嚴(yán)格，任何一點(diǎn)小的載波頻偏都會(huì)破壞子載波之間的正交性，引起信道間干擾ICI。同傳統(tǒng)的恒包絡(luò)的調(diào)制方法相比，OFDM調(diào)制存在一個(gè)很高的峰值因子。因?yàn)镺FDM信號(hào)是很多個(gè)小信號(hào)的總和，這些小信號(hào)的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對(duì)某些數(shù)據(jù)，這些小信號(hào)可能同相，而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生很大的瞬時(shí)峰值幅度。而峰均比過(guò)大，將會(huì)增加A/D和D/A的復(fù)雜性，而且會(huì)降低射頻功率放大器的效率。因此，在發(fā)射端，放大器的最大輸出功率就會(huì)限制信號(hào)的峰值，這會(huì)在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。

本次壓力測(cè)試，面對(duì)同頻干擾，OFDM體制的停車率確實(shí)高于FHSS體制。OFDM通過(guò)將原信道帶寬由20MHz收窄為5MHz，可獲得更高的功率譜密度，抬高物理層判斷通道占用的強(qiáng)度門(mén)限，從而增強(qiáng)抗干擾能力。因此窄帶OFDM體制在本次測(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)于原OFDM體制。

四、應(yīng)對(duì)措施

本次測(cè)試以停車比率來(lái)判斷FHSS與OFDM兩種體制的優(yōu)劣，對(duì)已運(yùn)營(yíng)線路提出預(yù)防警示起到了積極作用，同時(shí)也反映出，在極端條件下，2.4GHz的兩種制式可能均不能完全滿足信號(hào)系統(tǒng)對(duì)可靠性、可用性的要求。

由于上海地鐵CBTC無(wú)線所使用的2.4GHz頻段屬非牌照頻段，該頻段對(duì)大量短距離微功率通信系統(tǒng)、微波爐、專用醫(yī)療器械開(kāi)放，因此隨著智能終端和WIFI接入的普及，該頻段電磁環(huán)境承載壓力巨大。專家預(yù)計(jì)未來(lái)3-5年，本市2.4GHz頻段電磁環(huán)境還將繼續(xù)惡化，這對(duì)CBTC系統(tǒng)的無(wú)線抗干擾能力提出了更高的要求?？梢詮娜缦路矫孀骺紤]：

（1）積極申請(qǐng)地鐵專用頻率。使用CBTC無(wú)線專用頻率，可以避開(kāi)使用非牌照頻段所存在的眾多干擾源，創(chuàng)造良好的電磁環(huán)境。鐵道部的800M數(shù)字集群系統(tǒng)和900M的GSM-R專用頻段系統(tǒng)目前都運(yùn)行良好。

（2）在列車車廂引入統(tǒng)一WiFi公共服務(wù)熱點(diǎn)。使用專用頻率固然是避歸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的好方法，但專用頻率的設(shè)備開(kāi)發(fā)需要很長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)法在時(shí)間上契合國(guó)內(nèi)未來(lái)3-5年軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，且由于受眾面小，不一定能得到廠商的支持。因此治理軌交移動(dòng)WIFI干擾的源頭是目前減少CBTC無(wú)線干擾是當(dāng)務(wù)之急?？梢栽谲壗卉噹虢y(tǒng)一的WIFI公共服務(wù)熱點(diǎn)，這樣可減少車廂內(nèi)使用個(gè)人手機(jī)作為筆記本、ipad等上網(wǎng)熱點(diǎn)的情況，從而減少干擾。

（3）加強(qiáng)已運(yùn)營(yíng)線路無(wú)線CBTC系統(tǒng)電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)，加快研究，制定應(yīng)急預(yù)案。鑒于國(guó)內(nèi)未來(lái)3-5年規(guī)劃建設(shè)的軌道交通線路基本全部選擇了2.4GHz無(wú)線CBTC系統(tǒng)，相關(guān)單位應(yīng)加強(qiáng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理，加快研究系統(tǒng)變頻的可能或兼容過(guò)渡方案。跟蹤統(tǒng)計(jì)可能的移動(dòng)WIFI干擾引起的停車事件和運(yùn)營(yíng)行車對(duì)策。

（4）在OFDM體制上增加擴(kuò)頻技術(shù)或其他干擾抑制技術(shù)。OFDM作為一種多載波調(diào)制技術(shù)在抗多徑衰落等方面確實(shí)有其優(yōu)越性，但是對(duì)相位噪聲和載波頻偏的要求較高，在惡劣的電磁環(huán)境其抗干擾性表現(xiàn)不佳，單靠收窄頻帶的方法并不能從根本上解決問(wèn)題，對(duì)上海既有線路而言，可以在OFDM基礎(chǔ)上結(jié)合直接序列擴(kuò)頻或其他干擾抑制技術(shù)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，來(lái)增強(qiáng)CBTC無(wú)線通信的可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 竇中兆. 《WCDMA系統(tǒng)原理與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》[M]. 清華大學(xué)出版社