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摘要：城市轨道交通中的CBTC系统，即基于通信的列车控制系统在运行过程中无线通信受到干扰的问题已经得到了越来越多的重视。要保证运行的安全可靠，就要对该系统在通信过程中可能遇到的干扰因素进行分析，本文从来自CBTC系统外部的干扰来分析其对通信传输的影响，并提出合适的抗干扰方案。
关键词：无线通信 列车控制系统 干扰 抗干扰方案
中图分类号：U231.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）12-0000-00
当今城市的轨道交通广泛使用CBTC系统进行列车控制。CBTC 系统由 ATS（列车自动监控系统）、ZC（区域控制器）、DSU（数据存储单元）、CI（计算机联锁）和 VOBC（车载控制器）构成。地面和车载设备通过无线网相连，组成 CBTC 系统的核心部分。
车地通信技术是CBTC系统中的关键技术，是保证整个系统正常运行的基础。车地通信主要有基于漏泄波导或漏泄同轴；基于环线；基于采用802.11 标准的 WLAN技术三种主要的方式。CBTC系统采用的符合 IEEE802.11 标准的无线通信系统，实现了车地间连续双向、大容量的通信，以保证列车运行的控制命令和列车实时的运行状态在不同列车之间可靠交换，达到CBTC地面设备和受控列车紧密联系的目的。CBTC无线通信系统采用工作频段，该频段具有较为开放免费，有非常标准的使用协议，与其适配的厂家多，使用成本不高等优点。但随着移动电子设备广泛的使用，该频段聚集了大量的用户，移动设备和车载通信系统信号之间相互影响会产生比较明显的噪音干扰以及产生信号拥堵等，从而导致车地无线通信系统的不稳定，甚至会引发严重的事故。
1 列车控制系统中的干扰问题
对CBTC系统造成干扰的因素很多，主要包括内部干扰以及外部干扰。内部干扰主要包括地铁其它无线通信系统，如CCTV、PDIS等系统形成的干扰，列车高速移动所带来的多普勒效应以及隧道内部形成折射的多径效应带来的干扰；而外部干扰主要指的则是乘客所携带的电子设备所形成的干扰，地铁车站及沿线环境中存在的无线设备的干扰等。
如今，带WiFi功能的手机可随时变身为临时AP（即无线接入点），地铁沿线充斥着各种使用WiFi通信的设备和仪器等，这些设备的信号都可能会对地铁信号系统产生同频干扰，阻断数据传输，最终导致通信失败。
如果其他使用WLAN信道的设备与系统设备相距较远，没有重叠，那么理论上对通信质量没有影响，但对当运行的列车靠近轨旁的AP时，列车中的乘客所携带的设备信号和CBTC系统车载设备信号之间如有相对比较接近的强度，两者之间便会形成争夺无线信道的关系。在乘客所携带的设备使用频繁而且有大功率信号的情况下，就可能会阻碍CBTC系统的信道，进而形成较大的隐患。早在2012年11月，深圳地铁就曾多次出现过因为乘客使用便携式的WiFi无线路由器而对列车的控制系统造成干扰，最终导致列车中断运行的情况。
2 外部干扰模拟分析
下文采用网络仿真软件OPENT ，对CBTC系统的外部干扰进行分析，本次分析采用BSS 网络作为干扰源，即带有中心节点的网络结构。干扰源由1个服务器和5个客户端构成，客户端布置于服务器半径 50m 内的范围内，设定其在工作的同时与列车一起运行，干扰源运行 FTP 业务，采用 IEEE802.11 标准，工作频率与 CBTC 系统的工作频率不同，但是相邻且有重叠部分。干扰源发射功率为 1mw，与车载 WGB（车载网桥） 发射功率相同， 仿真场景如图2.1所示。
图2.1 CBTC系统外车载干扰
当车辆WGB运行接近 AP 时，AP 的接收延时逐渐增大到 100ms 左右，之后又回落至 60ms～70ms 左右，保持一段时间后，在 WGB远离 AP 时干扰又重新增加到 100ms 左右。当 WGB 在较远的距离时，干扰不能被 AP 识别，从而造成了误码率的增加，信噪比下降，导致延时增大；当 WGB 靠近 AP 时，干扰就会被 AP 接收机识别为噪声而直接抛弃噪声包，此时延时反而减小；随后 WGB 又远离 AP，又重复出现了靠近时的“危险距离”现象，所以延时又有所增加。仿真数据如图2.2所示。
图2.2 AP接收延时仿真数据
3 无线干扰问题的处理策略
为了解决干扰问题，结合应用环境特点，总结了以下几点建议，以优化系统的抗干扰能力，适应恶劣的电磁环境，从而提高CBTC系统的抗干扰性能。
3.1采用新扩频技术
当前在通信抗干扰领域当中有一种新型的技术被广为认可，它就是CSS（线性调频扩频通信技术）。CSS采用chirp信号作为载波，处于一个完整的chirp信号周期内时，chirp信号频率会随时间变化形成一种线性的变化，并且体现出线性调频的特征，具有单一扫频斜率的chirp信号组具有较好的自相关性和很小的互相关系数。CSS技术具有信号的处理增益大，抵抗噪音干扰能力、抗多普勒频移强、传输距离远等特点。在抵抗多普勒平移方面，拥有频偏的chirp信号能够通过滤波匹配之后形成压缩脉冲降低幅度以及时移。当前可以观测到的多普勒效应最大的频移是666Hz上下，与chirp信号本身所具备的几十兆带宽比起来基本上可以忽略不计。在抵抗多径效应方面，CSS信号的频宽越宽就能够越好地对多径效应产生抑制效果；它能够很好地分辨多径效应的分量，它的时间分辨率大概是1/B，如果我们设定CSS持续的时间是1000ns，chirp信号的频宽B是60M左右，接收天线能够同时接受直射信号以及反射信号，我们就可以算出CSS的持续时间大概是16ns。16ns与1000ns在空中进行传输的距离是4.8m和300m，因此，只要反射信号大于直射信号的距离在这个数值之间就不会对信号接收产生影响。
如将CSS技术应用在列车控制系统当中，能够在很大程度上提升无线通信对信号干扰的抵抗能力。
3.2提高AP天线的发射功率
地铁中的乘客信息显示系统也采用 2.4GHz工作频段，并且不间断地向旅客提供列车到达预告、换乘车次等与乘车有关信息，这项来自内部的干扰也会影响CBTC系统的运行，在 2.4GHz 频段允许的范围内，提高 AP 天线的发射功率，可以有效地克服这一问题。另外，采用 AP 定向天线、降低接收机灵敏度等方法，都可达到增强有用信号、减弱干扰信号的效果，从而提高了信噪比，最终实现抗干扰的目的。
3.3实现频段专网专用化
从运营安全性考虑，根据我国无线电频率划分规定及无线设备的使用情况，地铁通信和信号应该采用专用频率，避开民用通信和公共通信频率。避免其它信号源在该频段对无线通信系统造成干扰，保证地铁CBTC无线通信系统的安全。
3.2采用LTE技术
相比WLAN网络，LTE有着完善的抗干扰技术，在干扰检测、干扰避免、干扰控制三个层面均优于WLAN。从干扰检测层面来说，LTE采用OFDM直载波调度，先进的导频设计使时频域均匀分配，保证了对信道时频域变化的及时跟踪，能够实现2ms的快速调度响应，使干扰检测更及时、更准确。
其次，在干扰避免方面， LTE网络具有完善的编码、重传和干扰抑制合并机制，并拥有毫秒级的调度机制，可根据干扰情况动态调度资源。在检测到干扰后，LTE可以通过频选调度，根据每个终端的信道状况，优先分配干扰小、信号质量高的子带频率资源。同时，LTE还可以采取AMC（自适应调制编码），根据信道干扰情况自适应调整调制与编码策略。而WLAN只能提供固定的、系统带宽级（如20MHz）的信道选择，而且由于频点不足，该功能的实际效果非常有限。
从干扰控制角度来说，LTE采取ICIC（小区干扰协调）干扰抑制算法和CoMP（协同多点）上行干扰控制降低网络的整体干扰水平。
4结语
本文针对CBTC无线通信系统中来自外部的干扰进行了探究，为了解决干扰问题，可以从设备性能技术，系统规划等方面提高系统的抗干扰能力，但在实践的过程当实际的信号干扰也将会是非常多变的，我们仍需进行更加深入的探究来进行解决和完善。
参考文献
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