淺談FHSS無線標準在CBTC系統中的應用

趙祝樑

摘 要 CBTC（基于通信的列車控制）系統中的DCS系統（數據通信系統）為其關鍵子系統。其主要作用為為CBTC系統提供可靠的，透明的傳輸。本論文針對FHSS無線標準的需求，通過實際測試驗證了基于無線擴頻跳頻標準的車地無線通信網絡在高速運行列車上的可用性。

關鍵詞 跳頻擴頻標準;CBTC系統;可靠安全傳輸

引言

隨著國民經濟的快速發展，城市軌道交通建設進入了一個高峰期。基于通信的列車控制（CBTC）系統已廣泛應用于城市軌道交通中。無線CBTC系統最顯著的特點是引入了基于無線的數據通信系統（DCS）。無線數據通信系統是無線CBTC系統的基礎，同時也是整個無線CBTC系統的支柱之一，它可以為車地之間提供連續、可靠、高效的數據通信。

但是隨著民用WiFi無線信號干擾已日趨嚴重，面對列車周圍可能存在的各類同頻干擾，車地無線通信系統的抗干擾能力、對各種惡劣的無線電磁環境的使用能力是CBTC能否高效、安全地執行列車控制功能的基礎。因此無線通信抗干擾研究已經成為整個無線CBTC系統設計的焦點和難點問題。

1跳頻擴頻技術

1.1 跳頻序列

跳頻擴頻技術（FHSS）為較常用的擴頻方式之一，其工作原理為通過收發傳輸信號的載波按照一定規律進行隨機跳變。對于其他固定頻率進行數據通信的無線標準來說，跳頻擴頻技術有如下優點：

（1）跳頻通信比較隱蔽，難以被截獲。

（2）具有較好的抗干擾能力。

（3）跳頻帶寬有優勢。

發射機和接收機在通信時，按照某個精確的頻率跳變序列同時改變各自的傳輸頻率，在任意時刻，發射方和接收方必須同時調諧到這一新的頻率上。在發射和接收雙方跳變到一個頻率上后，發射和接收雙方僅僅在很短的一段時間內進行信息傳輸，然后就立刻跳變到另一個新的頻率上，繼續剩余信息的傳輸。如圖1所示，圖中的縱軸將可用頻率劃分為10個頻隙，同樣地，橫軸將時間也劃分為10個時隙。這些時隙及頻隙的使用方式由事先定義的跳頻序列來控制。圖1所使用的跳頻序列為{3，10，7，2，5，8，1，4，9，6}。

1.2 跳頻擴頻技術抗干擾能力分析

圖2顯示了某個無線干擾用戶使用第7個頻率時對跳頻系統所造成的干擾影響。對于采用該跳頻序列的無線系統來說，雖然T3這個時隙的傳送受到陰影部分的干擾而損毀，但其余9個時隙還是可以成功傳送的[1]。

2基于802.11FHSS標準的地鐵車地通信系統

對于基于802.11 FHSS標準的CBTC系統來說，首先，由于軌旁設備的部署是冗余的，列車在運行軌道的任意一處都能保證被至少2個軌旁無線單元的信號覆蓋到，所以單點故障完全不會影響CBTC的安全高效運營;其次，CBTC所使用的無線通信頻段的是開放的頻段，所以軌旁設備成本以及維護成本相對GSM-R較低;最后，基于802.11 FHSS標準的CBTC系統，由于有79個信道可供跳變，有26個跳頻序列可供設置，因此其抗無線干擾能力相對較強。專業測試中心測試結果：基于802.11 FHSS無線標準的CBTC系統在90%可用信道被白噪聲干擾時，仍能繼續工作;在80%可用信道被白噪聲干擾時，工作狀態良好[2]。

3列車以高速運行時的車地實際通信情況測試

3.1 建立測試模型

為了驗證使用802.11 FHSS標準的鐵路通信系統在列車高速運行時的車地實際通信情況，采用模擬列車的運行情況進行實地的測試。測試時，組建如圖3（測試網絡拓撲圖）所示的測試網絡。

鑒于場地安全等因素，本次測試選擇上海通用汽車試車場，一條3車道全長2.2km左右的跑道。在測試階段，保證8h內的測試期間無外部人員及車輛進入該測試區域。測試的主要內容包括：車輛分別在時速120km、140km、160km、180km及200km時的車地無線數據通信漫游切換時延以及丟包率。

3.2 根據理論分析設置STA的漫游參數

在建立模擬測試模型時，每200m的間隔距離放置軌旁無線單元AP，沿線路共布設11個軌旁無線設備節點，這樣的參數設置，既保證了在測試場地任意一處位置STA都可以被2個AP信號覆蓋到，且當1個點的AP故障后，仍然可以保證STA能正常關聯軌旁AP并進行漫游切換;又保證了測試車輛在200km/h速度時STA與軌旁AP至少發生2次以上的漫游切換。

3.3 測試結果

由圖4測試結果可以看出，列車在200km/h時速下，基于802.11 FHSS標準的鐵路通信系統的無線車地通信系統的最大切換時延都在100ms以內，車地無線數據丟包率在1%以內，完全滿足高速漫游的要求[3]。

4結束語

通過上述的理論分析以及實際的測試結果來看，在應對告訴漫游方面，跳頻擴頻技術相對于其他無線標準有著巨大的技術優勢。同時，通過理論分析、實驗測試和項目的實際運營，已經證明跳頻擴頻技術在抗干擾技術上較其他WLAN的組網有優勢。因此，將802.11FHSS標準應用于CBTC系統，使得CBTC系統更加穩定可靠，也為CBTC應用于城際鐵路提供了良好的基礎。

參考文獻

[1] 汪希時.高速鐵路行車安全控制系統概論[J].世界鐵路報道，1997， （2）：33.

[2] 韋崗.通信系統建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2007：52.

[3] 龍隆.基于IEEE802.11協議的無線局域網分布式功率控制研究[D].上海：上海交通大學，2008：215.