基于通信的列車運行控制（CBTC）系統的抗干擾性能分析

張明遠，付 靖，宮 劍

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

1 研究背景

基于通信的列車運行控制（Communication Based Train Control，簡稱為CBTC）技術[1]，是一種在列車運行控制系統中使用的技術。它定義為：利用（不依賴于軌道電路的）高精度列車定位、雙向大容量車-地數據通信和車載、地面的安全功能處理器實現的一種連續自動列車控制系統，用以代替軌道電路作為媒體來實現列車運行控制，典型的CBTC系統如圖1所示。CBTC系統的突出優點是車地雙向通信，而且傳輸信息量大，傳輸速度快，信號系統能夠突破傳統的固定閉塞運行模式，轉為移動閉塞模式，同時可減少區間敷設電纜和日常維護工作，具有適度提高區間通過能力，靈活組織雙向運行和單向連續發車，容易適應不同車速、運量和不同類型牽引的列車運行控制等優點。基于通信的CBTC系統在國內外軌道交通項目上均已得到實際應用，目前在國內開始實施或即將實施的項目已經開始出現并逐步增多。隨著無線通信技術的不斷發展，代表著信號系統技術發展趨勢的基于無線通信的CBTC系統已經開始走向成熟，并得以實施。目前主流的CBTC系統主要工作在2.4GHz工科醫頻段，此頻段無需支付頻占費用。主流的CBTC設備采用IEEE 802.11系列或僅做細微調準后的IEEE 802.11系列做為通信協議，配合天線、泄露電纜及泄露波導等多種傳輸形式，形成了多種類型的CBTC系統形式。

圖1 Wi-Fi設備信道分配圖

2 我國2.4GHz頻段發展現狀

一般來說，2.4GHz頻段的頻率范圍是指2.4GHz-2.4835GHz，屬于工科醫頻段。該頻段免費使用，不需要許可，只需滿足國家規定的相應指標，獲得工信部頒發的型號核準證即可。該頻段目前使用非常廣泛，主要有無線局域網（Wi-Fi）設備、藍牙設備、Zigbee設備、RFID設備、數字無繩電話設備、無線視頻傳輸設備、無線鼠標、無線鍵盤、無線耳機等。為規范此頻段無線電發射設備，我國無線電主管機構先后發布了信部無〔2002〕353號 《關于調整2.4GHz頻段發射功率限值及有關問題的通知》，信部無〔2005〕423號 關于發布《微功率（短距離）無線電設備的技術要求》的通知等多個文件。其中使用最為廣泛的為采用IEEE 802.11系列協議的Wi-Fi設備，其典型的信道分配方案如圖2所示。應用越來越廣泛的Wi-Fi設備也成為對CBTC系統干擾的重要源頭[2]。

3 影響CBTC系統抗干擾性能的因素

3.1 傳輸方式影響

主要的CBTC系統主要有無線天線、泄露電纜和泄露波導三種形式，圖3給出了三種傳輸形式均位于車頂位置時的信號干擾比，可以看出采用泄露電纜與泄露波導的抗干擾性能相近，干擾源距離車頭越遠各種傳輸形式的抗干擾能力均會增強，泄露電纜與泄露波導的抗干擾能力整體較強且相對穩定。

圖2 Wi-Fi設備信道分配圖

圖 3 三種傳輸方式均布置車頂時的抗干擾能力

3.2 調制方式影響

主流CBTC系統一般采用FHSS，OFDM及DSSS調制方式，在相同的干擾源配置下，采用不同調制方式的CBTC系統的時延如圖4～圖6所示：

圖4 采用FHSS調制方式，CBTC系統時延

圖5 采用OFDM調制方式時， CBTC系統時延

圖 6 采用DSSS調制方式時，CBTC系統時延

由上述仿真結果可以看出，在系統信道占用較多的條件下，采用FHSS調制方式的CBTC系統可以保證較小的時延，而采用OFDM和DSSS調制方式會產生較大時延甚至通信中斷的情況。

3.3 協議機制影響

部分CBTC系統直接采用了未經修改的IEEE 802.11系列協議，該協議采用載波偵聽多路接入（CSMA）[3][4]的信道接入機制，該機制決定設備確定無線信道的占用狀態并非一件非常容易的事情，設備需借助物理載波偵聽及虛擬載波偵聽兩種方法。任何一個設備要發送數據幀時都必須等待一個DIFS的間隔，且要進入爭用窗口。各設備都要執行退避算法，以減少發生碰撞的概率。這種“碰撞避讓”的載波偵聽機制，決定了采用IEEE 802.11系列協議的CBTC系統在無需很多干擾源存在的情況下即可發生較大時延甚至鏈接中斷的情況。如圖7～圖9所示為在不同數量干擾源存在的情況下，CBTC工作信道的頻譜占用率情況。

圖7 存在2個干擾源時，頻譜占用率情況

圖8 存在6個干擾源時，頻譜占用率情況

圖9 存在12個干擾源時，頻譜占用率情況

在上述實驗環境下，CBTC系統與干擾源均遵循IEEE 802.11協議的退避機制，隨著干擾源數量的增加，頻譜占用率反而降低。此外，CBTC系統的數據吞吐率雖干擾源數量不同的變化趨勢也證實了上述結果，如圖10～圖13所示：

圖10 無干擾時，CBTC系統數據吞吐量情況

圖11 2個干擾源時，CBTC系統數據吞吐量情況

圖12 6個干擾源時，CBTC系統數據吞吐量情況

圖13 12個干擾源時，CBTC系統數據吞吐量情況

從上述實驗結果可以看出，隨著干擾源數量的不斷增加，CBTC系統的數據吞吐量會出現明顯下降。其原因正是由于CBTC系統采用了與Wi-Fi設備一致的載波監聽機制，導致在發生干擾時CBTC系統出現了嚴重阻塞甚至通信連接中斷的情況。

4 結束語

本文對影響CBTC系統抗干擾能力的三個主要因素進行了分析，對后續的CBTC系統部署提供了有益的借鑒意義，即：在部署新的CBTC系統時應避免直接使用IEEE 802.11系列協議或僅做細微調整的IEEE 802.11系列協議，應使用CBTC專有頻率及專門的通信協議，如無法滿上述要求，則應在傳輸形式、調制方式及冗余機制（頻率冗余、設備冗余、時間冗余）的選擇上充分考慮與現有Wi-Fi設備的共存問題。