基于通信的列车运行控制（CBTC）系统的抗干扰性能分析

张明远，付 靖，宫 剑

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 研究背景

基于通信的列车运行控制（Communication Based Train Control，简称为CBTC）技术[1]，是一种在列车运行控制系统中使用的技术。它定义为：利用（不依赖于轨道电路的）高精度列车定位、双向大容量车-地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统，用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制，典型的CBTC系统如图1所示。CBTC系统的突出优点是车地双向通信，而且传输信息量大，传输速度快，信号系统能够突破传统的固定闭塞运行模式，转为移动闭塞模式，同时可减少区间敷设电缆和日常维护工作，具有适度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、运量和不同类型牵引的列车运行控制等优点。基于通信的CBTC系统在国内外轨道交通项目上均已得到实际应用，目前在国内开始实施或即将实施的项目已经开始出现并逐步增多。随着无线通信技术的不断发展，代表着信号系统技术发展趋势的基于无线通信的CBTC系统已经开始走向成熟，并得以实施。目前主流的CBTC系统主要工作在2.4GHz工科医频段，此频段无需支付频占费用。主流的CBTC设备采用IEEE 802.11系列或仅做细微调准后的IEEE 802.11系列做为通信协议，配合天线、泄露电缆及泄露波导等多种传输形式，形成了多种类型的CBTC系统形式。

图1 Wi-Fi设备信道分配图

2 我国2.4GHz频段发展现状

一般来说，2.4GHz频段的频率范围是指2.4GHz-2.4835GHz，属于工科医频段。该频段免费使用，不需要许可，只需满足国家规定的相应指标，获得工信部颁发的型号核准证即可。该频段目前使用非常广泛，主要有无线局域网（Wi-Fi）设备、蓝牙设备、Zigbee设备、RFID设备、数字无绳电话设备、无线视频传输设备、无线鼠标、无线键盘、无线耳机等。为规范此频段无线电发射设备，我国无线电主管机构先后发布了信部无〔2002〕353号 《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》，信部无〔2005〕423号 关于发布《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》的通知等多个文件。其中使用最为广泛的为采用IEEE 802.11系列协议的Wi-Fi设备，其典型的信道分配方案如图2所示。应用越来越广泛的Wi-Fi设备也成为对CBTC系统干扰的重要源头[2]。

3 影响CBTC系统抗干扰性能的因素

3.1 传输方式影响

主要的CBTC系统主要有无线天线、泄露电缆和泄露波导三种形式，图3给出了三种传输形式均位于车顶位置时的信号干扰比，可以看出采用泄露电缆与泄露波导的抗干扰性能相近，干扰源距离车头越远各种传输形式的抗干扰能力均会增强，泄露电缆与泄露波导的抗干扰能力整体较强且相对稳定。

图2 Wi-Fi设备信道分配图

图 3 三种传输方式均布置车顶时的抗干扰能力

3.2 调制方式影响

主流CBTC系统一般采用FHSS，OFDM及DSSS调制方式，在相同的干扰源配置下，采用不同调制方式的CBTC系统的时延如图4～图6所示：

图4 采用FHSS调制方式，CBTC系统时延

图5 采用OFDM调制方式时， CBTC系统时延

图 6 采用DSSS调制方式时，CBTC系统时延

由上述仿真结果可以看出，在系统信道占用较多的条件下，采用FHSS调制方式的CBTC系统可以保证较小的时延，而采用OFDM和DSSS调制方式会产生较大时延甚至通信中断的情况。

3.3 协议机制影响

部分CBTC系统直接采用了未经修改的IEEE 802.11系列协议，该协议采用载波侦听多路接入（CSMA）[3][4]的信道接入机制，该机制决定设备确定无线信道的占用状态并非一件非常容易的事情，设备需借助物理载波侦听及虚拟载波侦听两种方法。任何一个设备要发送数据帧时都必须等待一个DIFS的间隔，且要进入争用窗口。各设备都要执行退避算法，以减少发生碰撞的概率。这种“碰撞避让”的载波侦听机制，决定了采用IEEE 802.11系列协议的CBTC系统在无需很多干扰源存在的情况下即可发生较大时延甚至链接中断的情况。如图7～图9所示为在不同数量干扰源存在的情况下，CBTC工作信道的频谱占用率情况。

图7 存在2个干扰源时，频谱占用率情况

图8 存在6个干扰源时，频谱占用率情况

图9 存在12个干扰源时，频谱占用率情况

在上述实验环境下，CBTC系统与干扰源均遵循IEEE 802.11协议的退避机制，随着干扰源数量的增加，频谱占用率反而降低。此外，CBTC系统的数据吞吐率虽干扰源数量不同的变化趋势也证实了上述结果，如图10～图13所示：

图10 无干扰时，CBTC系统数据吞吐量情况

图11 2个干扰源时，CBTC系统数据吞吐量情况

图12 6个干扰源时，CBTC系统数据吞吐量情况

图13 12个干扰源时，CBTC系统数据吞吐量情况

从上述实验结果可以看出，随着干扰源数量的不断增加，CBTC系统的数据吞吐量会出现明显下降。其原因正是由于CBTC系统采用了与Wi-Fi设备一致的载波监听机制，导致在发生干扰时CBTC系统出现了严重阻塞甚至通信连接中断的情况。

4 结束语

本文对影响CBTC系统抗干扰能力的三个主要因素进行了分析，对后续的CBTC系统部署提供了有益的借鉴意义，即：在部署新的CBTC系统时应避免直接使用IEEE 802.11系列协议或仅做细微调整的IEEE 802.11系列协议，应使用CBTC专有频率及专门的通信协议，如无法满上述要求，则应在传输形式、调制方式及冗余机制（频率冗余、设备冗余、时间冗余）的选择上充分考虑与现有Wi-Fi设备的共存问题。