关于CBTC系统无线通信抗干扰技术的研究

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0引言

列车控制系统在地铁信号的发展过程中，经历了从单向轨道电路到双向无线通信的变革。目前广泛应用于地铁列车控制系统的是基于无线通信的列车控制系统（ＣＢＴＣ）（图１）。而无论基于无线局域网还是专用无线网的通信，都存在同频或邻频干扰的问题。为此，如何引入技术手段，提高ＣＢＴＣ系统的抗干扰能力，保证其可靠、稳定运行十分重要。

1无线局域网

１．１结构

无线局域网（ＷＬＡＮ）是计算机

网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，利用电磁波完成数据交互，实现传统有线局域网的功能。ＷＬＡＮ的核心结构如图２所示。

从图２可以看到，ＷＬＡＮ的工作层有介质访问控制层（ＭＡＣ）和物

理层（ＰＨＹ），其中物理层分为ＰＬＣＰ（物理层收敛过程）子层和ＰＭＤ（物理机制相关）子层。ＰＬＣＰ子层通过将ＭＡＣ层信息映射到ＰＭＤ子层，使ＭＡＣ层对物理层的依赖减到最低，而ＰＭＤ子

层则提供了控制无线介质

的方法和手段。ＷＬＡＮ的物理层采用扩频工作方式，包括ＦＨＳＳ（跳频扩频）、ＤＳＳＳ（直接序列扩频）、ＨＲ／ＤＳＳＳ（高速直接序列扩频）和ＯＦＤＭ（正交分复用），无线工作频段为ＩＳＭ：２．４～２．４８７５ＧＨｚ以及Ｕ－ＮＩＩ：５．７２５～５．８５０

ＧＨｚ（取决于采用的标准）。在ＩＥＥＥ８０２．１１结构内还包含两个管理实体（ＭＡＣ层管理实体ＭＬＭＥ和ＰＨＹ

物理层管理实体ＰＬＭＥ）和管理信息库（ＭＩＢ），从而控制ＭＡＣ层和ＰＨＹ层的工作状态。

１．２ＭＡＣ层干扰问题

无线局域网的ＭＡＣ层的载波监听多路访问／冲突检测方法（ＣＳＭＡ／ＣＤ）协议问题，从理论上讲，ＭＡＣ层的ＣＳＭＡ／ＣＤ协议完全能够满足局域网级的多用户信道竞争问题，但是，对应无线环境而

邱鹏：南京恩瑞特实业有限公司轨道交通事业部，助理工程师，南京　２１１１０６

关于ＣＢＴＣ系统无线通信

抗干扰技术的研究

邱鹏

李亮

摘

要：研究基于无线传输的ＣＢＴＣ系统车－地通信抗干扰技术，通过

分析无线局域网中的同频干扰，结合重复累积码、感知无线电、一致性测试３项技术，提出１套在ＣＢＴＣ系统设计和系统运营两个阶段抑制同频干扰的完整解决方案。

关键词：车地通信；同频干扰；重复累积码；感知无线电；一致性测试

注：ＬＬＣ即逻辑链路控制；ＷＥＰ即有线等效保密

图2WLAN 的核心结构

图1CBTC 系统框图

车载部分

车载ＡＴＣ定位

数据通信部分

无线传输系统

轨旁网络装置

ＡＴＳ

轨旁ＡＴＣ系统

ＬＬＣ

ＷＥＰＭＡＣ

ＰＨＹ

ＤＳＳＳ

ＦＨ

ＩＲ

ＯＦＤＭＭＡＣＭｇｍｔ

ＭＩＢ

ＬＬＣ

ＭＡＣ

业务接口

ＭＡＣ管理业务接口ＭＡＣ子层

ＭＡＣ管理层 ＰＨＹ业务接口

ＰＨＹ管理业务接口ＰＨＹ管理层

ＰＬＣＰ子层ＰＭＤ

子层

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译码算法。由

Ｔａｎｎｅｒ

图表示的规则ＲＡ码，可由信息传递（ｍｅｓｓａｇｅｐａｓｓｉｎｇ）算法实现译码，也可采用类似串行Ｔｕｒｂｏ码译码器算法来实现，即分别对累加器和重复码译码，然后利用外信息迭代译码的方法。

（３）ＲＡ码的系统设计与性能分析。在理想交织器的条件下，ＲＡ码

在通信信道下的性能主要取决于信息节点参数与校验节点参数。ＲＡ码的设计方法主要有密度进化（ＤＥ），高斯估计（ＧＡ）。

２．１．２感知无线电

感知无线电（ＣＲ）的概念起源于１９９９年Ｊｏｓｅｐｈ　Ｍｉｔｏｌｏ博士的奠基性工作，其核心思想是ＣＲ具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，限制和降低冲突的发生。ＣＲ的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行实时响应，过去的经验

言，来自其他ＬＡＮ中的用户传输会干扰ＣＳＭＡ／ＣＤ的操作，而且，在无线环境中，检测冲突是困难的，也不能中止互相冲突的传输。

同频干扰是指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。邻频干扰是指干扰台邻频道功率落入接收邻频道接收机通带内造成的干扰。同频干扰示意如图３所示。

2解决方案的抗干扰技术

要提高ＣＢＴＣ系统的抗干扰能力，必须在ＣＢＴＣ系统设计阶段和系统运营阶段引入相关新技术。

２．１ＣＢＴＣ系统设计阶段引入重复累积码和感知无线电

在ＣＢＴＣ系统设计阶段，ＷＬＡＮ通信协议算法中引入重复累积码和感知无线电。２．１．１重复累积码

由Ｄｉｖｓａｌａｒ，Ｊｉｎ和ＭｃＥｌｉｅｃｅ提出了结构简单的规则ＲＡ（ｒｅｐｅａｔａｃｃｕｍｕｌａｔｅ）码的概念，即重复累积码。ＲＡ码可以看成是特殊的串行Ｔｕｒｂｏ码，其主要优点是可以实现线性时间编码和线性时间译码，而且具有低复杂度的迭代译码算法，具有与Ｔｕｒｂｏ码和ＬＤＰＣ码同样的

优越性能，可以显著提高ＷＬＡＮ的抗干扰能力。

（１）规则ＲＡ

码编码器。　规则ＲＡ码的编码器结构由重复码、交织器和累加器串行级联而成（图４）

，图４中，Ｎ位输入数据重复ｑ次，得到ｑＮ（信息），再经过随机交织，到累加器进行累加，得到ｑＮ位输出，累加器可以看成是传递函数为１／（１＋Ｄ）的递归卷积编码器。若累加器输入为ｘ＝［ｘ１，ｘ２，．．．，ｘｎ］，输出为ｙ＝［ｙ１，ｙ２，…，ｙｎ］（其中ｎ＝ｑＮ），则两者之间关系为：y １＝x １；y ２＝x １＋x ２；y ３＝x １＋x ２＋x ３；…

y ｎ＝x １＋x ２＋...x ｎ

（１）用Ｔａｎｎｅｒ图表示的规则ＲＡ码的结构（图５），对于信息长度为Ｎ，重复数为ｑ的规则ＲＡ码，Ｎ个信息位用u i （i ∈［Ｎ］）表示，ｑＮ个码位用y i （i ∈［ｑＮ］）表示，中间位（它们是重复码（外码）的输出和累加器（内码）的输入）用x i （i ∈［ｑＮ］）表示，x i 与y i 的关系由

式２确定：

x i

i ＝１

y i ＝

x i

＋y

i -1

其他

图５为输入长度为２、重复次数为３的规则ＲＡ码Ｔａｎｎｅｒ图，交织顺

序为π＝｛１，２，３，４，５，６｝，每个信息节点

与３个校验节点相连，每个校验节点对两个奇偶节点和１个信息

节点进行校验（第１个校验节点除外），每个奇偶节点与２个校验节点相连（最后１个奇偶节点除外）。

（２）规则ＲＡ码的

图3同频干扰示意图

图4规则RA 码编码器结构

Ｎ位输入信息

ｑＮ位输出重复ｑ次

交织器

累加器

ｑＮ

ｑＮu

x

y

图5

规则RA 码编码器Tanner 图表示

信息结点校验结点积偶结点

关于ＣＢＴＣ系统无线通信抗干扰技术的研究邱鹏等

Ｃｅｌｌ　Ａ

Ｃｅｌｌ　Ｂ

Ｃｅｌｌ　Ｃ

同频干扰带同频干扰带

同频干扰带｛（２）