淺談FHSS無線標(biāo)準(zhǔn)在CBTC系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙祝樑

摘 要 CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)中的DCS系統(tǒng)（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）為其關(guān)鍵子系統(tǒng)。其主要作用為為CBTC系統(tǒng)提供可靠的，透明的傳輸。本論文針對FHSS無線標(biāo)準(zhǔn)的需求，通過實際測試驗證了基于無線擴(kuò)頻跳頻標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)在高速運行列車上的可用性。

關(guān)鍵詞 跳頻擴(kuò)頻標(biāo)準(zhǔn);CBTC系統(tǒng);可靠安全傳輸

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入了一個高峰期?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂疲–BTC）系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通中。無線CBTC系統(tǒng)最顯著的特點是引入了基于無線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）。無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是無線CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時也是整個無線CBTC系統(tǒng)的支柱之一，它可以為車地之間提供連續(xù)、可靠、高效的數(shù)據(jù)通信。

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

1跳頻擴(kuò)頻技術(shù)

1.1 跳頻序列

跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）為較常用的擴(kuò)頻方式之一，其工作原理為通過收發(fā)傳輸信號的載波按照一定規(guī)律進(jìn)行隨機(jī)跳變。對于其他固定頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無線標(biāo)準(zhǔn)來說，跳頻擴(kuò)頻技術(shù)有如下優(yōu)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(yōu)勢。

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(fā)射方和接收方必須同時調(diào)諧到這一新的頻率上。在發(fā)射和接收雙方跳變到一個頻率上后，發(fā)射和接收雙方僅僅在很短的一段時間內(nèi)進(jìn)行信息傳輸，然后就立刻跳變到另一個新的頻率上，繼續(xù)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(kuò)頻技術(shù)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(tǒng)所造成的干擾影響。對于采用該跳頻序列的無線系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的地鐵車地通信系統(tǒng)

對于基于802.11 FHSS標(biāo)準(zhǔn)的CBTC系統(tǒng)來說，首先，由于軌旁設(shè)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(shè)備成本以及維護(hù)成本相對GSM-R較低;最后，基于802.11 FHSS標(biāo)準(zhǔn)的CBTC系統(tǒng)，由于有79個信道可供跳變，有26個跳頻序列可供設(shè)置，因此其抗無線干擾能力相對較強(qiáng)。專業(yè)測試中心測試結(jié)果：基于802.11 FHSS無線標(biāo)準(zhǔn)的CBTC系統(tǒng)在90%可用信道被白噪聲干擾時，仍能繼續(xù)工作;在80%可用信道被白噪聲干擾時，工作狀態(tài)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(biāo)準(zhǔn)的鐵路通信系統(tǒng)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(jìn)行實地的測試。測試時，組建如圖3（測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D）所示的測試網(wǎng)絡(luò)。

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(nèi)的測試期間無外部人員及車輛進(jìn)入該測試區(qū)域。測試的主要內(nèi)容包括：車輛分別在時速120km、140km、160km、180km及200km時的車地?zé)o線數(shù)據(jù)通信漫游切換時延以及丟包率。

3.2 根據(jù)理論分析設(shè)置STA的漫游參數(shù)

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(shè)11個軌旁無線設(shè)備節(jié)點，這樣的參數(shù)設(shè)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(dāng)1個點的AP故障后，仍然可以保證STA能正常關(guān)聯(lián)軌旁AP并進(jìn)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(fā)生2次以上的漫游切換。

3.3 測試結(jié)果

由圖4測試結(jié)果可以看出，列車在200km/h時速下，基于802.11 FHSS標(biāo)準(zhǔn)的鐵路通信系統(tǒng)的無線車地通信系統(tǒng)的最大切換時延都在100ms以內(nèi)，車地?zé)o線數(shù)據(jù)丟包率在1%以內(nèi)，完全滿足高速漫游的要求[3]。

4結(jié)束語

通過上述的理論分析以及實際的測試結(jié)果來看，在應(yīng)對告訴漫游方面，跳頻擴(kuò)頻技術(shù)相對于其他無線標(biāo)準(zhǔn)有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢。同時，通過理論分析、實驗測試和項目的實際運營，已經(jīng)證明跳頻擴(kuò)頻技術(shù)在抗干擾技術(shù)上較其他WLAN的組網(wǎng)有優(yōu)勢。因此，將802.11FHSS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)，使得CBTC系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，也為CBTC應(yīng)用于城際鐵路提供了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 韋崗.通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：52.

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