关于CBTC系统无线通信抗干扰技术的研究

关于 ＣＢＴＣ 系统无线通信抗干扰技术的研究 邱 鹏等
技术装备
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。
优越性能，可以 显著提高 Ｗ Ｌ Ａ Ｎ 的抗干扰能力。
（１）规则 ＲＡ
Ｎ 位输入信息
ｑＮ
u
重复 ｑ 次
从图 ２ 可以看到，Ｗ Ｌ Ａ Ｎ 的工 层 管 理 实 体 注：Ｌ Ｌ Ｃ 即逻辑链路控制；Ｗ Ｅ Ｐ 即有线等效保密
作层有介质访问控制层（ＭＡＣ）和物 Ｍ Ｌ Ｍ Ｅ 和 Ｐ Ｈ Ｙ
图 2 WLAN 的核心结构
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
52 MODERN URBAN TRANSIT 6 / 2009 现代城市轨道交通
２．４～２．４８７５ ＧＨｚ
以 及 Ｕ － Ｎ ＩＩ ：
５．７２５～５．８５ ０
ＬＬＣ
轨旁 Ａ Ｔ Ｃ 系统
图 1 CBTC 系统框图
ＬＬＣ
ＭＡＣ 业务接口
Ｍ Ａ Ｃ 管理 业务接口
网络与无线通信技术相结合的产物， Ｇ Ｈ ｚ （取决于采
它以无线多址信道作为传输媒介， 用 的 标 准 ）。在
利用电磁波完成数据交互，实现传 ＩＥＥＥ８０２．１１ 结
交织器
ｑＮ x
累加器
图 4 规则 RA 码编码器结构
ｑＮ 位输出 y
同频干扰是指无用信号的载频 码编码器。 规则 ＲＡ 码的编码器结
与有用信号的载频相同，并对接收 构由重复码、交织器和累加器串行
同频有用信号的接收机造成的干扰。 级联而成（图 ４），图 ４ 中，Ｎ 位输
邻频干扰是指干扰台邻频道功率落 入数据重复 ｑ 次，得到 ｑＮ（信息），
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关于 ＣＢＴＣ 系统无线通信抗干扰技术的研究 邱 鹏等
包括对死区、干扰和使用模式等的 内的多输入 ／ 输出 ＭＩＭＯ 无线链路，
基于标签机制的动态频谱分配
了解。感知无线电的核心就是通过 设定，表示从第 ｋ 个发射天线至第 ｊ 算法类似图染色算法。然而它们之
频谱感知和系统的智能学习能力， 个接收天线之间在时刻 ｔ 的信道系 间的区别在于，图染色算法着重找
收机切换成跟踪模式。跟踪模式是 键功能就是频谱共享。频谱共享技
矩阵Ａ ＝｛an,m|an,m∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｍ 频
在数据传输过程中连续地在非监视 术是感知无线电中非常重要并且非 谱分配矩阵，１个 Ａ 的实例代表了
状态下执行的。
常具有实用性的功能，其重点是动 对频谱的１次分配。而且规定分配
（２）预测模型。无线链路的状态 态频谱分配（Ｄ Ｓ Ａ ）， 这一功能包括 必须满足没有矩阵 Ｃ 中所定义的冲
心是给出１个高效的公
Ｍ－１
Σ 找到分配矩阵 Ａ 满足A∈ｍ∧ａｘＮ ，ｍＭｉn<ｎN m＝ ０ an,m □
输入
平分配算法。根据上面对 bn,m
信息 频谱感知无线电的介绍，
最公平分配：即找到分配矩阵
频谱分配算法实质上可
Ｎ －１
Ｍ－１
Σ Σ Ａ
满足
ｍａｘ
入接收邻频道接收机通带内造成的 再经过随机交织，到累加器进行累
干扰。同频干扰示意如图 ３ 所示。 加，得到 ｑＮ 位输出，累加器可以看
2 解决方案的抗干扰技术
要提高 Ｃ Ｂ Ｔ Ｃ 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 ． １ ＣＢＴＣ 系统设计阶段引入重 复累积码和感知无线电
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 ＝ ｑ Ｎ ）， 则 两 者 之 间 关 系 为 ：
y１＝x１；y２＝x１＋x２ ；y３＝x１＋x２＋x３ ；…
yｎ＝ x１＋x２＋ ... xｎ
（１）
物理层管理实体 Ｐ Ｌ Ｍ Ｅ）和管理信 息库（ Ｍ Ｉ Ｂ ） ，从而控制 Ｍ Ａ Ｃ 层和 Ｐ Ｈ Ｙ 层的工作状态。 １．２ ＭＡＣ 层干扰问题
无线局域网的 Ｍ Ａ Ｃ 层的载 波监听多路访问 ／ 冲突检测方法
0 引言
理层（ＰＨＹ），其中物理层分为 ＰＬＣＰ （Ｃ Ｓ Ｍ Ａ ／ Ｃ Ｄ ）协议问题，从理论上 （物理层收敛过程）子层和 ＰＭＤ（物 讲，Ｍ Ａ Ｃ 层的 Ｃ Ｓ Ｍ Ａ ／ Ｃ Ｄ 协议完
定义为：预测链路未来行为必需的 感知用户之间的频谱共享，感知用 突。AN,M 是所有的可能分配的集合。
链路过去行为中最少的数据组。这里 户与授权用户之间的频谱共享，以
通过以上定义，可以方便地将希
考虑的是具有普遍性的窄带通信范畴 及不同网络之间的频谱共享。频谱 望的分配性能转化为数学表达式：
无线电环境
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，
｛ yi＝
xi
i＝ １
xi＋yi-1 其他
（２）
图 ５ 为输入长度为 ２、重复次数为
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），
具有与 Ｔ ｕ ｒ ｂ ｏ 码和 Ｌ Ｄ Ｐ Ｃ 码同样的 ３ 的规则 ＲＡ 码 Ｔａｎｎｅｒ 图，交织顺 高斯估计（Ｇ Ａ ）。
数据之前在有限的时间内发送出去。 和式４组成的状态—空间模型是线 ｍ，否则将会互相干扰导致数据无法
其二，跟踪模式。一旦接收机获得了 性的。
传输。显然，若在矩阵 Ｌ 中，节点 ｎ
可信赖的 ＣＳＩ 后，信道中传输训练
（３）频谱共享。在感知无线网 若根本无法使用信道 ｍ，那么 cn,k,m 也
序列就被换成实际数据了，这时接 络中，对于空闲频谱利用的一个关 应该为 １。
统有线局域网的功能。Ｗ Ｌ Ａ Ｎ 的核 构内还包含两个
心结构如图 ２ 所示。
管理实体（Ｍ Ａ Ｃ
ＷＥＰ ＭＡＣ
ＭＡＣ Ｍｇｍｔ
ＤＳＳＳ
ＰＨＹ ＦＨ ＩＲ ＯＦＤＭ
Ｍ Ａ Ｃ 子层 Ｍ Ａ Ｃ 管理层
ＰＨＹ Ｍ Ｉ Ｂ 业务接口
ＰＬＣＰ 子层
Ｐ Ｍ Ｄ 子层
Ｐ Ｈ Ｙ 管理 业务接口
Ｐ Ｈ Ｙ 管理层
方程：
Ｎ１
Σ yj，t＝i＝ s０ k，t xjk，t＋vj，t j＝１，２，．．．，Ｎｒ（４）
式 ４ 中，sk，t 是第 ｋ 个天线在时 刻 ｔ 发射的经编码后的字符；v j，t是 在时刻 ｔ 在第 ｊ 个接收天线输入处
的 测 量 噪 声：在 时 刻 ｔ 在 第 ｊ 个 接 收
天线输出处观测到的信号。由式 ３
出了结构简单的规则 ＲＡ（ｒｅｐｅａｔ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ）码的概念，即重复累积 码。Ｒ Ａ 码可以看成是特殊的串行
出 和 累 加器（内码）的输入）用 xi （i∈ ［ｑＮ ］）表示，xi 与 yi 的关系由
式 ２ 确定：
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
无线通信的列车控制系统（ＣＢＴＣ） 层则提供了控制无线介质
车载 Ａ Ｔ Ｃ 定位
（图１）。而无论基于无线局域网还是 的 方 法 和 手 段 。Ｗ Ｌ Ａ Ｎ 的
专用无线网的通信，都存在同频或 物理层采用扩频工作方式， 数据通信部分
无线传输系统
邻频干扰的问题。为此，如何引入 包 括 Ｆ Ｈ Ｓ Ｓ （ 跳 频 扩 频 ）、
个校验节点除外），每 制和降低冲突的发生。ＣＲ 的学习能
Ｃｅｌｌ Ｃ
个奇偶节点与２个校 力是使它从概念走向实际应用的真
验节点相连（最后１ 正原因。有了足够的人工智能，它就
个奇偶节点除外）。 可能通过吸取过去的经验来对实际
图 3 同频干扰示意图
（２）规则 ＲＡ 码的 的情况进行实时响应，过去的经验
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序为 π＝｛１，２，３，４， ２．１．２ 感知无线电
Ｃｅｌｌ Ａ 同频干扰带 Ｃｅｌｌ Ｂ
５，６｝，每个信息节点
感知无线电（ＣＲ）的概念起源于
与３个校验节点相连， １９９９年Ｊｏｓｅｐｈ Ｍｉｔｏｌｏ博士的奠基
每个校验节点对两个 性工作，其核心思想是 ＣＲ 具有学习
同频干扰带
同频干扰带
奇偶节点和１个信息 能力，能与周围环境交互信息，以感 节点进行校验（第１ 知和利用在该空间的可用频谱，限
（１）信道状态估计。半盲训练 径现象而产生的记忆（式３中求和的
矩阵 Ｌ＝｛ln,m|ln,m∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｍ 表
是很好的信道状态估计方法。半盲 上限是模型阶数）。无线链路的测量 示了每个节点可以使用的信道情况。
训练不同于传统的差分检测和导频 传输的地方主要在于接收端的２种 操作模式。其一，监视训练模式。在 这种模式下，在１个接收机知道的 短训练序列（由２～４个字符组成）的 监视下，接收机获取信道状态估计 信息。短训练序列由发射机在发送
信号传输
输入信息
频谱决定
频谱空洞信息
信道容量 频谱分析
频谱感知
频谱空 洞信息
图 6 基本感知周期
共享的目的是对频谱的无
系统最大带宽：即找到分配矩阵
冲突使用。
Σ Σ Ａ 满足 ｍ ａ ｘ a Ｎ － １ Ｍ － １ A∈∧ Ｎ，Ｍ n＝ ０ m＝ ０ n ,m □
b n,m
频谱共享的算法核
最大化系统中最小带宽节点：即
Ｎ１
Σ x ＝ β x ＋d jk，t＋１ l＝ １ l，t jk，t－１ jk，t
（３） 的频谱利用率。
式 ３中，βl，t是时刻ｔ的时变自回
假设 Ｎ（０，１，２， …，Ｍ－１ ）个 节 点
归（ＡＲ）系数；djk，t 是相应的动态噪 争用 Ｍ（０，１，２，…，Ｍ－１）个频谱区间
声。自回归系数对应于信道由于多 （信道）
列车控制系统在地铁信号的发 理机制相关）子层。Ｐ Ｌ Ｃ Ｐ 子层通 全能够满足局域网级的多用户信道
展过程中，经历了从单向轨道电路 过将 Ｍ Ａ Ｃ 层信息映射到 Ｐ Ｍ Ｄ 子 竞争问题，但是，对应无线环境而
到双向无线通信的变革。目前广泛 层，使 Ｍ Ａ Ｃ 层对物理层的 车载部分 应用于地铁列车控制系统的是基于 依赖减到最低，而 Ｐ Ｍ Ｄ 子
用 Ｔａｎｎｅｒ 图表示的规则 Ｒ Ａ
信息结点
校验结点
积偶结点
图 5 规则RA 码编码器 Tanner图表示
在 Ｃ Ｂ Ｔ Ｃ 系统设计阶段，Ｗ Ｌ Ａ Ｎ 码的结构（图 ５），对于信息长度为 译码算法。由 Ｔａｎｎｅｒ 图表示的规则
通信协议算法中引入重复累积码和 Ｎ ，重复数为 ｑ 的规则 Ｒ Ａ 码，Ｎ ＲＡ 码，可由信息传递（ｍ ｅ ｓ ｓ ａ ｇ ｅ
矩阵 Ｂ＝｛b ｝ n,m Ｎ×Ｍ 表示当节点 ｎ 使用信道 ｍ 时所能获得的最大吞吐
量，ＬＢ＝｛ln,m|bn,m｝Ｎ×Ｍ 表示每个节点 可以使用的每个信道的吞吐量。
矩阵 Ｃ＝｛cn,k,m|cn,k,m∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｎ×Ｍ 是冲突矩阵，若 cn ＝ ,k,m １，则代表了 节点 ｎ 和节点 ｋ 不能同时使用信道
技术装备
关于 Ｃ Ｂ Ｔ Ｃ 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
实现动态频谱分配（ＤＳＡ ）和频谱 共享。而感知无线电技术中的频谱 管理和频谱共享，对频谱的冲突进 行了有效地避免，提高了 Ｗ Ｌ Ａ Ｎ 的 抗干扰能力。图６为基本感知周期示 意图。
数，k＝１，２，．．．，ＮＴ，ｊ＝１，２，．．．，Ｎｒ 出给图上色的最小颜色数，而频谱
描述状态方程：
分配算法的目标是最优化整个网络
感知无线电。 ２．１．１ 重复累积码
由Ｄｉｖｓａｌａｒ，Ｊｉｎ和ＭｃＥｌｉｅｃｅ提
个 信 息 位 用 u（i i∈ ［ Ｎ ］ ）表 示 ，ｑ Ｎ 个 码 位 用 y i（ i∈ ［ ｑ Ｎ ］ ）表 示 ，中 间 位（ 它 们 是 重 复 码（ 外 码 ）的 输
ｐａｓｓｉｎｇ）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，
ＡＴＳ
轨旁网络装置
技术手段，提高 Ｃ Ｂ Ｔ Ｃ 系统的抗干 Ｄ Ｓ Ｓ Ｓ （ 直 接 序 列 扩 频 ）、
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
Ｈ Ｒ ／ Ｄ Ｓ Ｓ Ｓ （高速直接序列
扩频）和 ＯＦＤＭ（正交分复
用），无线工作频段为 ＩＳＭ：