CBTC信号系统无线跳频技术的抗干扰设计

叶富智

随着民用无线通信广泛应用，无线干扰源的增多，信号系统抗干扰压力非常大。为了保证CBTC信号系统安全，广州地铁9号线采用FHSS无线跳频技术，具有较好的无线抗干扰能力。下面以广州地铁9号线为例，从CBTC信号系统的架构、原理、抗干扰设计等方面对无线跳频技术进行分析。

1 CBTC系统

基于无线通信的列车控制系统（CBTC），包含一个数据通信网络（DCS），连接列车控制系统中的车载设备 （MR）、轨旁设备和控制中心设备，实时、动态地传送列车的控制信息，实现轨道沿线与运行列车之间的双向通信。

DCS由一个有线骨干网络和一个沿着列车轨道分布的无线网络组成。整个DCS网络与列车控制系统的其他部分之间由安全设备 （SD）分隔，并对通信进行认证，确保车－地通信信息的安全可靠。广州地铁9号线DCS结构框架如图1所示。

图1 广州地铁9号线无线CBTC DCS网络

2 无线跳频抗干扰技术

无线技术采用基于802．11标准的FHSS无线跳频通信协议和802．3以太通信协议，该无线标准是一个开放性通信标准，属于瞬时窄带系统。

跳频技术将2．4GHz全频段划分为79个频点，每个频点带宽1MHz，进行动态跳频，且收发两端遵循一种预定义的伪随机序列 （跳频序列）。因为跳频载波频率的快速跳变和跳频序列的伪随机性，即使部分载波频率被截获，截获方也无法预测跳频接下来跳到哪个频率，保证了通信传输的安全、可靠。信号系统FHSS跳频技术主要通过以下几方面应对各种无线干扰。

2．1 外来干扰

1．忽略干扰。通过对无线系统设定尽量高的无线信号阈值，可以排除很多干扰。对无线通信而言，其效果与没有其他信号或噪音存在时相同。

2．避开干扰。2．4GHz全频段范围内共有79个频点可供跳频，频点较多，且跳频切换时间很短，使系统可以快速避开干扰，在其他频点重发信息，并在一定时间内最大可能避免再进入同一干扰区。由于重新传输所导致的时延很小 （毫秒级），不会影响列车控制系统。

3．竞争干扰。利用802．11中的无线标准自动实现分时共享信道。

应对外来干扰的方式如图2所示。

802．11的无线标准中提供了一个非常有用的机制，可以让所有用户分享无线媒介，而带来的时延很小，不会影响列车控制系统的运行。在10%的消息丢失率下，列车控制信号系统的工作仍能不受影响。

2．2 内部干扰

1．抗多径干扰。多径干扰是电波传播过程中遇到各种物体所引起的反射或散射信号，对直接传播到接收端的信号所产生的随机干扰。跳频系统根据预先设定的跳频序列，不断地从当前信道跳到一个新的信道。当跳频频率足够高时，可以从根本上解决多径干扰。广州地铁9号线的无线跳频设定为每64ms跳一次 （约15跳／s），可满足信号系统连续通信和抗多径干扰的要求。

2．抗频率衰落。由于跳频系统采用的是1MHz窄波段的传输信道，并不存在不同频率的选择性衰落问题，因此跳频系统不必像直序列扩频系统一样采用信道滤波器，避免了滤波器的时延对信号系统移动性的严重影响。

3．抗轨旁AP间的相互干扰。广州地铁9号线的FHSS无线跳频系统提供3组、每组26个互相正交的跳频序列，共计有78种完全不同的跳频序列可供AP使用。城轨轨旁的相近AP会选择不同的跳频序列进行跳频，保证了轨旁AP之间不会产生相互干扰影响。78组完全不同的跳频序列几乎避免了无线DCS系统设备之间的自干扰。

与采用802．11b／g的系统相比优势明显。采用802．11b／g的无线系统要求不同的轨旁AP采用不同的频段，以免相互干扰，在进行无线规划时，这样的要求往往会受到干扰环境、可供选择的频段数量少等限制。

4．降低工程调整难度。直序列扩频的无线网络建成后，如果发现突发干扰源需要调整网络时，由于不同AP之间的频率相互关联，调整时需要对全线以及车辆的所有AP同时修改，调整工作量大，实施较困难。而采用跳频系统，在应对突发干扰时，由于跳频范围较宽，跳频序列较多，一般不需要调整无线网络。

3 无线网络冗余

DCS无线网络提供轨旁AP和车载天线SA的冗余设计，实现了无线覆盖的冗余和无线链路的冗余，大大提高了系统的抗干扰能力。

车载天线SA随着列车在整个系统的无线覆盖区间内移动，与轨旁的AP（通常是与信号最强的AP）建立空中信道，利用该信道传输列车运行状态和控制信息，并根据802．11标准的MAC层协议自动进行切换。

系统的每个AP都有一对高增益天线，每个天线各指向轨道的一个方向，供列车双向运行通信。每个天线的类型、增益以及精确位置，综合考虑轨道的物理特性 （如曲线半径等），经过链路预算和无线勘测后决定。

轨旁AP采用冗余的无线覆盖，每个AP单方向的无线覆盖范围是AP间距的2倍。列车在任何位置，可以有更多的AP进行通信选择，保证完整的无线覆盖。

在现场勘测确定轨旁AP位置和后期DCS测试的过程中，对每个轨旁AP点都有详细的信号强度分析，确保轨道上任意点，即列车在线路上至少可以同时收到相邻的至少2个轨旁AP点的信号。

车载天线 （SA）也采用冗余配置，列车的两端分别安置一个SA，每个SA都带有2个空间分集的定向天线，实际通信时选择其中信号较强的一条链路。在每个瞬间，列车天线SA与轨旁AP之间，存在4个可选的独立无线链路，只要其中一条链路可以正常通信，列车控制系统即可正常工作。车载SA与轨旁AP间的无线链路冗余，大大提高了系统的抗干扰能力。

4 无线设计与实施

在进行具体系统的无线设计和实施时，无线CBTC系统还可以根据实际的无线环境，灵活地设置AP的天线位置，选择天线类型、调节天线朝向，并设置合理的跳频范围，尽可能地提高系统的抗干扰能力，降低无线现场环境对列车控制信号系统的干扰影响。由于列车高速运行，列车处于有效干扰范围中的时间最多几秒钟，而且干扰不会同时影响到列车与轨旁之间的4条无线通信链路，因此，也不会对整个列车控制系统的正常运行产生影响。在极端干扰情况下，系统采取可恢复制动，让列车减速或停车，以保证安全。

广州地铁9号线无线CBTC信号系统，采用基于802．11标准的FHSS跳频技术，有效提高系统抗外部干扰和内部干扰的能力。无线CBTC系统通过DCS无线网络中AP和SA的冗余设计，实现AP无线信号的冗余覆盖，以及AP与SA之间的无线链路的冗余，提高了系统的抗干扰能力。

［1］ 陶伟．基于跳频扩频技术的无线CBTC系统抗干扰能力研究及建议［J］．城市轨道交通研究，2013（6）．

［2］ 张雯，薛伟．DS－FH混合扩频技术在CBTC车－地通信中应用的研究［J］．铁路计算机应用，2010（9）．