張明遠(yuǎn)，付 靖，宮 劍

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

1 研究背景

基于通信的列車運(yùn)行控制（Communication Based Train Control，簡(jiǎn)稱為CBTC）技術(shù)[1]，是一種在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中使用的技術(shù)。它定義為：利用（不依賴于軌道電路的）高精度列車定位、雙向大容量車-地?cái)?shù)據(jù)通信和車載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的一種連續(xù)自動(dòng)列車控制系統(tǒng)，用以代替軌道電路作為媒體來(lái)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制，典型的CBTC系統(tǒng)如圖1所示。CBTC系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是車地雙向通信，而且傳輸信息量大，傳輸速度快，信號(hào)系統(tǒng)能夠突破傳統(tǒng)的固定閉塞運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)為移動(dòng)閉塞模式，同時(shí)可減少區(qū)間敷設(shè)電纜和日常維護(hù)工作，具有適度提高區(qū)間通過(guò)能力，靈活組織雙向運(yùn)行和單向連續(xù)發(fā)車，容易適應(yīng)不同車速、運(yùn)量和不同類型牽引的列車運(yùn)行控制等優(yōu)點(diǎn)。基于通信的CBTC系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外軌道交通項(xiàng)目上均已得到實(shí)際應(yīng)用，目前在國(guó)內(nèi)開(kāi)始實(shí)施或即將實(shí)施的項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)并逐步增多。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，代表著信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的基于無(wú)線通信的CBTC系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始走向成熟，并得以實(shí)施。目前主流的CBTC系統(tǒng)主要工作在2.4GHz工科醫(yī)頻段，此頻段無(wú)需支付頻占費(fèi)用。主流的CBTC設(shè)備采用IEEE 802.11系列或僅做細(xì)微調(diào)準(zhǔn)后的IEEE 802.11系列做為通信協(xié)議，配合天線、泄露電纜及泄露波導(dǎo)等多種傳輸形式，形成了多種類型的CBTC系統(tǒng)形式。

圖1 Wi-Fi設(shè)備信道分配圖

2 我國(guó)2.4GHz頻段發(fā)展現(xiàn)狀

一般來(lái)說(shuō)，2.4GHz頻段的頻率范圍是指2.4GHz-2.4835GHz，屬于工科醫(yī)頻段。該頻段免費(fèi)使用，不需要許可，只需滿足國(guó)家規(guī)定的相應(yīng)指標(biāo)，獲得工信部頒發(fā)的型號(hào)核準(zhǔn)證即可。該頻段目前使用非常廣泛，主要有無(wú)線局域網(wǎng)（Wi-Fi）設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、Zigbee設(shè)備、RFID設(shè)備、數(shù)字無(wú)繩電話設(shè)備、無(wú)線視頻傳輸設(shè)備、無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線鍵盤(pán)、無(wú)線耳機(jī)等。為規(guī)范此頻段無(wú)線電發(fā)射設(shè)備，我國(guó)無(wú)線電主管機(jī)構(gòu)先后發(fā)布了信部無(wú)〔2002〕353號(hào) 《關(guān)于調(diào)整2.4GHz頻段發(fā)射功率限值及有關(guān)問(wèn)題的通知》，信部無(wú)〔2005〕423號(hào) 關(guān)于發(fā)布《微功率（短距離）無(wú)線電設(shè)備的技術(shù)要求》的通知等多個(gè)文件。其中使用最為廣泛的為采用IEEE 802.11系列協(xié)議的Wi-Fi設(shè)備，其典型的信道分配方案如圖2所示。應(yīng)用越來(lái)越廣泛的Wi-Fi設(shè)備也成為對(duì)CBTC系統(tǒng)干擾的重要源頭[2]。

3 影響CBTC系統(tǒng)抗干擾性能的因素

3.1 傳輸方式影響

主要的CBTC系統(tǒng)主要有無(wú)線天線、泄露電纜和泄露波導(dǎo)三種形式，圖3給出了三種傳輸形式均位于車頂位置時(shí)的信號(hào)干擾比，可以看出采用泄露電纜與泄露波導(dǎo)的抗干擾性能相近，干擾源距離車頭越遠(yuǎn)各種傳輸形式的抗干擾能力均會(huì)增強(qiáng)，泄露電纜與泄露波導(dǎo)的抗干擾能力整體較強(qiáng)且相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 Wi-Fi設(shè)備信道分配圖

圖 3 三種傳輸方式均布置車頂時(shí)的抗干擾能力

3.2 調(diào)制方式影響

主流CBTC系統(tǒng)一般采用FHSS，OFDM及DSSS調(diào)制方式，在相同的干擾源配置下，采用不同調(diào)制方式的CBTC系統(tǒng)的時(shí)延如圖4～圖6所示：

圖4 采用FHSS調(diào)制方式，CBTC系統(tǒng)時(shí)延

圖5 采用OFDM調(diào)制方式時(shí)， CBTC系統(tǒng)時(shí)延

圖 6 采用DSSS調(diào)制方式時(shí)，CBTC系統(tǒng)時(shí)延

由上述仿真結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)信道占用較多的條件下，采用FHSS調(diào)制方式的CBTC系統(tǒng)可以保證較小的時(shí)延，而采用OFDM和DSSS調(diào)制方式會(huì)產(chǎn)生較大時(shí)延甚至通信中斷的情況。

3.3 協(xié)議機(jī)制影響

部分CBTC系統(tǒng)直接采用了未經(jīng)修改的IEEE 802.11系列協(xié)議，該協(xié)議采用載波偵聽(tīng)多路接入（CSMA）[3][4]的信道接入機(jī)制，該機(jī)制決定設(shè)備確定無(wú)線信道的占用狀態(tài)并非一件非常容易的事情，設(shè)備需借助物理載波偵聽(tīng)及虛擬載波偵聽(tīng)兩種方法。任何一個(gè)設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)都必須等待一個(gè)DIFS的間隔，且要進(jìn)入爭(zhēng)用窗口。各設(shè)備都要執(zhí)行退避算法，以減少發(fā)生碰撞的概率。這種“碰撞避讓”的載波偵聽(tīng)機(jī)制，決定了采用IEEE 802.11系列協(xié)議的CBTC系統(tǒng)在無(wú)需很多干擾源存在的情況下即可發(fā)生較大時(shí)延甚至鏈接中斷的情況。如圖7～圖9所示為在不同數(shù)量干擾源存在的情況下，CBTC工作信道的頻譜占用率情況。

圖7 存在2個(gè)干擾源時(shí)，頻譜占用率情況

圖8 存在6個(gè)干擾源時(shí)，頻譜占用率情況

圖9 存在12個(gè)干擾源時(shí)，頻譜占用率情況

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，CBTC系統(tǒng)與干擾源均遵循IEEE 802.11協(xié)議的退避機(jī)制，隨著干擾源數(shù)量的增加，頻譜占用率反而降低。此外，CBTC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率雖干擾源數(shù)量不同的變化趨勢(shì)也證實(shí)了上述結(jié)果，如圖10～圖13所示：

圖10 無(wú)干擾時(shí)，CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量情況

圖11 2個(gè)干擾源時(shí)，CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量情況

圖12 6個(gè)干擾源時(shí)，CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量情況

圖13 12個(gè)干擾源時(shí)，CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量情況

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著干擾源數(shù)量的不斷增加，CBTC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)出現(xiàn)明顯下降。其原因正是由于CBTC系統(tǒng)采用了與Wi-Fi設(shè)備一致的載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制，導(dǎo)致在發(fā)生干擾時(shí)CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重阻塞甚至通信連接中斷的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)影響CBTC系統(tǒng)抗干擾能力的三個(gè)主要因素進(jìn)行了分析，對(duì)后續(xù)的CBTC系統(tǒng)部署提供了有益的借鑒意義，即：在部署新的CBTC系統(tǒng)時(shí)應(yīng)避免直接使用IEEE 802.11系列協(xié)議或僅做細(xì)微調(diào)整的IEEE 802.11系列協(xié)議，應(yīng)使用CBTC專有頻率及專門(mén)的通信協(xié)議，如無(wú)法滿上述要求，則應(yīng)在傳輸形式、調(diào)制方式及冗余機(jī)制（頻率冗余、設(shè)備冗余、時(shí)間冗余）的選擇上充分考慮與現(xiàn)有Wi-Fi設(shè)備的共存問(wèn)題。