关于CBTC系统无线通信抗干扰技术的研究

技术装备52MODERN URBAN TRANSIT 6/2009现代城市轨道交通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：５．７２５～５．８５０ＧＨｚ（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ＬＬＣＷＥＰＭＡＣＰＨＹＤＳＳＳＦＨＩＲＯＦＤＭＭＡＣＭｇｍｔＭＩＢＬＬＣ 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子层技术装备53现代城市轨道交通6/2009MODERN URBAN TRANSIT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 ii ＝１y i ＝x i＋yi -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ｑＮｑＮuxy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　ＡＣｅｌｌ　ＢＣｅｌｌ　Ｃ同频干扰带同频干扰带同频干扰带｛（２）基于标签机制的动态频谱分配算法类似图染色算法。

然而它们之间的区别在于，图染色算法着重找出给图上色的最小颜色数，而频谱分配算法的目标是最优化整个网络的频谱利用率。

假设Ｎ（０，１，２，…，Ｍ－１）个节点争用Ｍ（０，１，２，…，Ｍ－１）个频谱区间（信道）矩阵Ｌ＝｛l n,m |l n,m ∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｍ表示了每个节点可以使用的信道情况。

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＝｛l n,m |b n,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＝｛c n,k,m |c n,k,m ∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｎ×Ｍ是冲突矩阵，若c n,k,m ＝１，则代表了节点ｎ和节点ｋ不能同时使用信道ｍ，否则将会互相干扰导致数据无法传输。

显然，若在矩阵Ｌ中，节点ｎ若根本无法使用信道ｍ，那么c n,k,m 也应该为１。

矩阵Ａ＝｛a n,m |a n,m ∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｍ频谱分配矩阵，１个Ａ的实例代表了对频谱的１次分配。

而且规定分配必须满足没有矩阵Ｃ中所定义的冲突。

A N,M 是所有的可能分配的集合。

通过以上定义，可以方便地将希望的分配性能转化为数学表达式：系统最大带宽：即找到分配矩阵Ａ满足ｍａｘΣΣan,m□ b n,m最大化系统中最小带宽节点：即找到分配矩阵Ａ满足ｍａｘｍｉｎΣa n,m□b n,m最公平分配：即找到分配矩阵Ａ满足ｍａｘΣｌｏｇ１０（Σa n,m□ b n,m ），如果给定每个信道１个颜色，根据上面的定义，就可以把频谱分配问题转化为１个图染色问题。

定义１个无向图Ｇ＝（Ｕ，Ｅｃ，ＬＢ）。

其中，Ｕ是一Ｎ－１n ＝０A ∈∧Ｎ，ＭＭ－１m ＝０A ∈∧Ｎ，ＭＭ－１n <N m ＝０Ｎ－１A ∈∧Ｎ，Ｍn ＝０Ｍ－１m ＝０包括对死区、干扰和使用模式等的了解。

感知无线电的核心就是通过频谱感知和系统的智能学习能力，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ＷＬＡＮ的抗干扰能力。

图６为基本感知周期示意图。

（１）信道状态估计。

半盲训练是很好的信道状态估计方法。

半盲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数据之前在有限的时间内发送出去。

其二，跟踪模式。

一旦接收机获得了可信赖的ＣＳＩ后，信道中传输训练序列就被换成实际数据了，这时接收机切换成跟踪模式。

跟踪模式是在数据传输过程中连续地在非监视状态下执行的。

（２）预测模型。

无线链路的状态定义为：预测链路未来行为必需的链路过去行为中最少的数据组。

这里考虑的是具有普遍性的窄带通信范畴内的多输入／输出ＭＩＭＯ无线链路，设定，表示从第ｋ个发射天线至第ｊ个接收天线之间在时刻ｔ的信道系数，k ＝１，２，．．．，ＮＴ，ｊ＝１，２，．．．，Ｎｒ描述状态方程：x jk ，t ＋１＝Σβl ，t x jk ，t －１＋d jk ，t（３）式３中，βl ，t 是时刻ｔ的时变自回归（ＡＲ）系数；d jk ，t 是相应的动态噪声。

自回归系数对应于信道由于多径现象而产生的记忆（式３中求和的上限是模型阶数）。

无线链路的测量方程：y j ，t ＝Σs k ，t x jk ，t＋v j ，t j ＝１，２，．．．，Ｎｒ（４）式４中，s k ，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和式４组成的状态—空间模型是线性的。

（３）频谱共享。

在感知无线网络中，对于空闲频谱利用的一个关键功能就是频谱共享。

频谱共享技术是感知无线电中非常重要并且非常具有实用性的功能，其重点是动态频谱分配（ＤＳＡ），这一功能包括感知用户之间的频谱共享，感知用户与授权用户之间的频谱共享，以及不同网络之间的频谱共享。

频谱共享的目的是对频谱的无冲突使用。

频谱共享的算法核心是给出１个高效的公平分配算法。