CBTC信號系統無線跳頻技術的抗干擾設計

葉富智

隨著民用無線通信廣泛應用，無線干擾源的增多，信號系統抗干擾壓力非常大。為了保證CBTC信號系統安全，廣州地鐵9號線采用FHSS無線跳頻技術，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信號系統的架構、原理、抗干擾設計等方面對無線跳頻技術進行分析。

1 CBTC系統

基于無線通信的列車控制系統（CBTC），包含一個數據通信網絡（DCS），連接列車控制系統中的車載設備 （MR）、軌旁設備和控制中心設備，實時、動態地傳送列車的控制信息，實現軌道沿線與運行列車之間的雙向通信。

DCS由一個有線骨干網絡和一個沿著列車軌道分布的無線網絡組成。整個DCS網絡與列車控制系統的其他部分之間由安全設備 （SD）分隔，并對通信進行認證，確保車－地通信信息的安全可靠。廣州地鐵9號線DCS結構框架如圖1所示。

圖1 廣州地鐵9號線無線CBTC DCS網絡

2 無線跳頻抗干擾技術

無線技術采用基于802．11標準的FHSS無線跳頻通信協議和802．3以太通信協議，該無線標準是一個開放性通信標準，屬于瞬時窄帶系統。

跳頻技術將2．4GHz全頻段劃分為79個頻點，每個頻點帶寬1MHz，進行動態跳頻，且收發兩端遵循一種預定義的偽隨機序列 （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性，即使部分載波頻率被截獲，截獲方也無法預測跳頻接下來跳到哪個頻率，保證了通信傳輸的安全、可靠。信號系統FHSS跳頻技術主要通過以下幾方面應對各種無線干擾。

2．1 外來干擾

1．忽略干擾。通過對無線系統設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，使系統可以快速避開干擾，在其他頻點重發信息，并在一定時間內最大可能避免再進入同一干擾區。由于重新傳輸所導致的時延很小 （毫秒級），不會影響列車控制系統。

3．競爭干擾。利用802．11中的無線標準自動實現分時共享信道。

應對外來干擾的方式如圖2所示。

802．11的無線標準中提供了一個非常有用的機制，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的運行。在10%的消息丟失率下，列車控制信號系統的工作仍能不受影響。

2．2 內部干擾

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生的隨機干擾。跳頻系統根據預先設定的跳頻序列，不斷地從當前信道跳到一個新的信道。當跳頻頻率足夠高時，可以從根本上解決多徑干擾。廣州地鐵9號線的無線跳頻設定為每64ms跳一次 （約15跳／s），可滿足信號系統連續通信和抗多徑干擾的要求。

2．抗頻率衰落。由于跳頻系統采用的是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，因此跳頻系統不必像直序列擴頻系統一樣采用信道濾波器，避免了濾波器的時延對信號系統移動性的嚴重影響。

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行跳頻，保證了軌旁AP之間不會產生相互干擾影響。78組完全不同的跳頻序列幾乎避免了無線DCS系統設備之間的自干擾。

與采用802．11b／g的系統相比優勢明顯。采用802．11b／g的無線系統要求不同的軌旁AP采用不同的頻段，以免相互干擾，在進行無線規劃時，這樣的要求往往會受到干擾環境、可供選擇的頻段數量少等限制。

4．降低工程調整難度。直序列擴頻的無線網絡建成后，如果發現突發干擾源需要調整網絡時，由于不同AP之間的頻率相互關聯，調整時需要對全線以及車輛的所有AP同時修改，調整工作量大，實施較困難。而采用跳頻系統，在應對突發干擾時，由于跳頻范圍較寬，跳頻序列較多，一般不需要調整無線網絡。

3 無線網絡冗余

DCS無線網絡提供軌旁AP和車載天線SA的冗余設計，實現了無線覆蓋的冗余和無線鏈路的冗余，大大提高了系統的抗干擾能力。

車載天線SA隨著列車在整個系統的無線覆蓋區間內移動，與軌旁的AP（通常是與信號最強的AP）建立空中信道，利用該信道傳輸列車運行狀態和控制信息，并根據802．11標準的MAC層協議自動進行切換。

系統的每個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），經過鏈路預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進行通信選擇，保證完整的無線覆蓋。

在現場勘測確定軌旁AP位置和后期DCS測試的過程中，對每個軌旁AP點都有詳細的信號強度分析，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，大大提高了系統的抗干擾能力。

4 無線設計與實施

在進行具體系統的無線設計和實施時，無線CBTC系統還可以根據實際的無線環境，靈活地設置AP的天線位置，選擇天線類型、調節天線朝向，并設置合理的跳頻范圍，盡可能地提高系統的抗干擾能力，降低無線現場環境對列車控制信號系統的干擾影響。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的正常運行產生影響。在極端干擾情況下，系統采取可恢復制動，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，采用基于802．11標準的FHSS跳頻技術，有效提高系統抗外部干擾和內部干擾的能力。無線CBTC系統通過DCS無線網絡中AP和SA的冗余設計，實現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，提高了系統的抗干擾能力。

［1］ 陶偉．基于跳頻擴頻技術的無線CBTC系統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混合擴頻技術在CBTC車－地通信中應用的研究［J］．鐵路計算機應用，2010（9）．