上海地鐵無線CBTC車地通信抗干擾技術(shù)分析研究和對策

平柳瓊

【摘要】 本文對上海地鐵無線CBTC車地無線通信系統(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試結(jié)果，重點分析了兩種體制抗干擾主要機理及優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上對測試結(jié)果給予說明，最后提出了面對當前形勢的應(yīng)對策略。

【關(guān)鍵詞】 CBTC FHSS OFDM 抗干擾

近年來，基于通信的列車運行自動控制系統(tǒng)CBTC特別是無線CBTC發(fā)展勢頭迅猛，已在我國多個城市投入運營。但是面對電磁環(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)——車地無線通信系統(tǒng)的可靠性將經(jīng)受重大考驗。

2013年7月，深圳地鐵蛇口線和環(huán)中線信號系統(tǒng)因CBTC車地無線通信受干擾而發(fā)生暫停故障。之后由于此類故障頻繁，引發(fā)了社會各界對地鐵安全運行問題的廣泛關(guān)注。對車地無線通信系統(tǒng)抗干擾能力的測試與研究迫在眉睫。

一、上海地鐵無線CBTC系統(tǒng)概況

上海于2005年在全國率先試點無線CBTC系統(tǒng)，截止2013年12月，已有9條線路正式啟用無線CBTC，均采用2.4GHz開放頻段，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行車地通信。

二、抗干擾測試

近期無線電管理局與申通集團對上海地鐵無線CBTC的工作頻率2.4GHz頻段的電磁環(huán)境、技術(shù)體制等進行了測試。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FHSS與OFDM兩種體制分別進行了試驗線、正線測試，在CBTC連接速度分別為54Mbps和1Mbps兩種不同工作狀態(tài)下，進行了單類型干擾（MiFi、WLAN/AP和TDFi分別部署），以及混合干擾（MiFi、WLAN/AP和TDFi同時部署）各2次，共8次測試。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相對于寬帶OFDM抗干擾性有所提高。

三、CBTC無線通信抗干擾性分析

無線數(shù)字通信可靠性的主要指標是誤碼率，當干擾進入接收機時，合成信號波形發(fā)生改變，使判決時產(chǎn)生一定概率的誤判。如果干擾使誤碼率達到一定程度，信息傳輸就會被阻斷。一個通信系統(tǒng)能正常工作的條件是：

式中為接收機輸入擾信比，Mj是系統(tǒng)的干擾容限。通過降低接收機的輸入擾信比，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)射機功率、提高天線增益、降低路徑損耗、擴頻技術(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。下面對上海地鐵使用的兩種主要抗干擾技術(shù)進行分析：

（1）FHSS體制

跳頻擴頻FHSS是將傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制信號的載波頻率在一個偽隨機序列的控制下進行離散跳變，從而實現(xiàn)頻譜擴展的擴頻方式。

發(fā)射機的頻率在一組預(yù)先指定的頻率下跳變。頻率跳變時間間隔的倒數(shù)稱為跳速，每一跳的載波頻率由偽隨機碼產(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)端嚴格同步的跳頻序列。

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

如圖1所示，在T3時刻，干擾源與收發(fā)信機處于同一頻率，但干擾頻率F7也只能在T3時刻對FHSS系統(tǒng)造成影響，其余9個時隙仍能成功傳送。

對于FHSS，跳頻帶寬越寬，信道數(shù)越多，其抗干擾能力就越強。對于上海地鐵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79MHz頻段，1MHz作為跳頻信道帶寬，共劃分為79個信道。目前FHSS設(shè)備大多具備32ms、64ms、128ms等多種跳頻速率。本次測試中面對2.4GHz的同頻干擾FHSS體系表現(xiàn)出了較強的抗干擾性。

（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)將信道分為多個子信道，在每個子信道上使用獨立的子載波分別調(diào)制，再進行并行傳輸，子載波頻譜允許重疊，通過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的接收機實際為一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內(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)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€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受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯?？梢杂行У貙剐盘柌ㄐ伍g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。當信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，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：首先對相位噪聲和載波頻偏十分敏感。整個OFDM系統(tǒng)對各個子載波之間的正交性要求格外嚴格，任何一點小的載波頻偏都會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)制存在一個很高的峰值因子。因為OFDM信號是很多個小信號的總和，這些小信號的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對某些數(shù)據(jù)，這些小信號可能同相，而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生很大的瞬時峰值幅度。而峰均比過大，將會增加A/D和D/A的復(fù)雜性，而且會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限制信號的峰值，這會在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。

本次壓力測試，面對同頻干擾，OFDM體制的停車率確實高于FHSS體制。OFDM通過將原信道帶寬由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度門限，從而增強抗干擾能力。因此窄帶OFDM體制在本次測試中表現(xiàn)優(yōu)于原OFDM體制。

四、應(yīng)對措施

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

由于上海地鐵CBTC無線所使用的2.4GHz頻段屬非牌照頻段，該頻段對大量短距離微功率通信系統(tǒng)、微波爐、專用醫(yī)療器械開放，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)計未來3-5年，本市2.4GHz頻段電磁環(huán)境還將繼續(xù)惡化，這對CBTC系統(tǒng)的無線抗干擾能力提出了更高的要求?？梢詮娜缦路矫孀骺紤]：

（1）積極申請地鐵專用頻率。使用CBTC無線專用頻率，可以避開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)目前都運行良好。

（2）在列車車廂引入統(tǒng)一WiFi公共服務(wù)熱點。使用專用頻率固然是避歸系統(tǒng)風險的好方法，但專用頻率的設(shè)備開發(fā)需要很長時間，無法在時間上契合國內(nèi)未來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WIFI干擾的源頭是目前減少CBTC無線干擾是當務(wù)之急。可以在軌交車廂引入統(tǒng)一的WIFI公共服務(wù)熱點，這樣可減少車廂內(nèi)使用個人手機作為筆記本、ipad等上網(wǎng)熱點的情況，從而減少干擾。

（3）加強已運營線路無線CBTC系統(tǒng)電磁環(huán)境的監(jiān)測，加快研究，制定應(yīng)急預(yù)案。鑒于國內(nèi)未來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無線CBTC系統(tǒng)，相關(guān)單位應(yīng)加強電磁環(huán)境監(jiān)測與管理，加快研究系統(tǒng)變頻的可能或兼容過渡方案。跟蹤統(tǒng)計可能的移動WIFI干擾引起的停車事件和運營行車對策。

（4）在OFDM體制上增加擴頻技術(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有其優(yōu)越性，但是對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題，對上海既有線路而言，可以在OFDM基礎(chǔ)上結(jié)合直接序列擴頻或其他干擾抑制技術(shù)，揚長避短，來增強CBTC無線通信的可靠性。

參 考 文 獻

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