轨道交通信号系统无线传输抗干扰研究

前言

目前，城市轨道交通信号系统已经进入了CBTC通信列车控制系统的时代。CBTC采用车-地双向通信方式，实现移动闭塞，大大提高了系统性能，并为系统功能扩展打下了基础。在飞速发展的城市轨道交通行业，信号系统为老百姓快捷安全的出行提供了保障。

1 无线通信子系统结构和原理

无线通信子系统承载车载和轨旁CBTC系统间的信号数据流，由位于轨旁的无线接入点（AP）、功分器、车载天线和车载无线调制解调器组成，包括2套相互独立的设备。

每个轨旁无线设备由2个无线接入点组成，分别与各自的无线网络相连接，并通过不同的光纤与有线网连接。无线接入点通过功分器连接定向天线，上传射频（RF）信号。

车载无线调解器在无线覆盖区与无线网络完成握手及授权并接入。无线网络的漫游切换由车载无线调制解调器发起，切换过程为探测、搜索和加入3个阶段。一个轨旁无线接入点能够覆盖的范围称为无线小区。整个线路的无线覆盖由连续重叠的无线小区组成。

车载无线调制解调器存储了一个已授权的无线网络列表，默认情况下与对应的无线接入点关联。无线网络列表由主用和备用2部分组成。当主用网络故障时，车载无线调制解调器将与备用网络的无线接入点建立连接。当车载无线调制解调器到达2个无线小区的重叠区时，进行接入点间的切换。

2 基于802.11协议的无线传输抗干扰措施

2.1 调制方式的选择

轨道交通信号系统的无线传输一般选用802.11协议，表1对各种协议的频率、调制方式、带宽、速率及协议发布时间进行统计。

FHSS是一种跳频技术（Frequency-HoppingSpreadSpectrum），在同步且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送信号。跳频是用一定码序列进行选择的多频率频移键控，也就是说用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。

DSSS是一种扩频通信技术（DirectSequenceSpreadSpectrum），用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加（波形相乘）后的复合码序列去控制载波的相位，而获得直接序列扩频信号。即将原来窄的高功率频率，变成宽的低功率频率，以期获得抗噪声干扰性能。

OFDM即正交频分复用技术（OrthogonalFre-quency Division Multiplexing），采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，常用在易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

OFDM广泛应用于信号系统无线通信领域，相对FHSS（跳频序列扩频）和DSSS（直序列扩频），其在抗干扰性方面有以下优势。

（1）抗脉冲干扰能力。CBTC业务数据（包括协议开销）的最大速率为双向100kb/s，仅占用6Mb/s无线通道的4%（每方向2%）。CBTC的业务数据包为200个字节，完成一次CBTC数据的传递，FHSS每16ms中需3ms，而OFDM每16ms（单向传递100kb/s）中仅需0.5ms，所以OFDM可以利用最短的时间完成数据的传递，大大提高了系统的抗脉冲干扰能力。

（2）抗背景干扰能力。抗背景干扰能力取决于信噪比。如果在6Mb/s的速率下传输200个字节的报文，OFDM技术可以在背景噪声高于信号强度10dB的条件下进行，也就是说OFDM的信噪比为-10dB。而同等条件下，FHSS在信噪比为+13dB时的数据速率为1Mb/s，DSSS在信噪比为0dB时的数据速率为5.5Mb/s。综上所述，基于目前轨道交通信号系统的业务需求和抗干扰性，OFDM是一种值得推广的无线通信调制方式。

2.2 双频点冗余

为了提高系统可靠性，信号系统应该采用冗余的无线通信网络，并且轨旁无线接入点应工作在2个不同的频点，当干扰源对一个频点造成干扰时，另一个无线接入点保持可用状态，确保无线通信正常工作。冗余接入点对应不同频点的应用，大大提高了无线通信网络的可靠性和可用性。此外，在2个不同频点间还应预留足够的带宽，这样可以避免与其他无线系统及相邻无线接入点发生同频干扰。

2.3 数据传输加密

如果无线通信网络采用明文传输数据，无线系统的开放性特征使得其他无线用户能够窃听和破坏所传输的数据，那么信号系统将有必要对车-地之间的无线数据传输进行加密，以防止信息泄露。目前，WLAN无线系统常用的数据加密方式为WEP/WPA/WPA2等几种方式。WPA2是经由Wi-Fi联盟验证过的IEEE802.11i标准的认证形式。WPA2实现了802.11i的强制性元素，特别是Mi-chael算法由公认彻底安全的CCMP讯息认证码所取代，而RC4也被AES取代。因此，WPA2加密方式比WEP和WPA方式要安全得多。WPA2加密方式支持基于固定密钥和高级加密标准AES算法，能够有效确保数据传输的安全性，避免了大众无线用户对车-地无线数据传输的负面影响，是一种值得推荐的无线数据传输加密手段。

2.4 窄带无线调制解调器

轨道交通线路环境中包括各种民用无线系统、调度无线系统、多媒体无线系统等。这些无线系统采用了多种无线传播技术，如2G、3G、VHF、WLAN及TD-LTE等其他4G无线设备。在802.11g协议被广泛应用于轨道交通信号系统的背景下，由于2.4GHz频段为免费频段，越来越多的民用通信系统开始使用2.4GHz无线频段，使其成为了信号系统无线通信网络最大的干扰源。

为了增强无线通信系统对于2.4GHz频段其他无线设备的抗干扰能力，可将无线调制解调器的工作频宽由原来的20MHz调整为5MHz，调整后，在总的发射功率不变的情况下，功率谱密度提高了6dB，从而显著提高无线调制解调器抗同频干扰能力，另外，2.4GHz频段常用的3个无干扰频段CH1、CH6和CH11均占用20MHz频宽，如果窄带无线调制解调器工作在CH2和CH13，各占用5MHz频宽，那么与其有频谱重叠的其他2.4GHz频段将非常少，受干扰的几率与20MHz相比显著降低，因此，正确选择工作频段也能提高自身的抗干扰能力。窄带无线调制解调器在实验室模拟测试和现场测试中表现出了以下抗干扰特性：在相同强度的同频干扰情况下，窄带无线调制解调器承载的车-地通信几乎不受干扰；对于相邻频段干扰，窄带无线调制解调器的5MHz频段将完全被其他无线系统的2.4GHz频段覆盖；由于窄带无线调制解调器与主流802.11g无线设备采用的频宽不同，使得大众化民用无线设备无法识别改变带宽后的无线通信系统。

3 结束语

综上所述，在轨道交通信号系统应用开放频段的背景下，无线调制解调器的应用无疑是一种切实可行且效果很好的抗干扰措施。通过此抗干扰措施应对因无线干扰引起的无线通信中断导致的列车紧急制动现象大大得到改善。