城市轨道交通CBTC系统无线抗干扰研究_徐昱.docx

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1、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含获得 兰州交通大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名 : 馀昱 签宇 R期： 2 15年 & 月 /6円 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰州交通大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段

2、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： #、里 _ 导师签名 : 签字円期：； 1丨 5年 6月 /6円 签字 期：山汐年多月 n 硕 士 学 位 论 文 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研究 Research on Wireless Anti-interference of CBTC Systems in Urban Rail Transit 作 者 姓 名 学科、专业 研 究 方 向 学 号 指导 教 师 完 成 日 期 徐星 通信与信息系统 轨道交通通信系统 0212688 刘晓娟

3、 2015年 4月 兰 州 交 通 大学 Lanzhou Jiaotong University 兰州交通大学硕士学位论文 摘 要 基于通信的列车控制 （ Communications Based Train Control, CBTC)系统具有高精度 定位、双向连续车地通信等特点，能更好的实现列车移动闭塞控制，满足当今城市轨道 交通中列车自动控制的需求。车地通信系统是其关键组成部分，主要采用 IEEE802.il 标准的无线局域网技术实现数据传输。然而该标准工作在频率为 2.4GHz的工业、科学、 医疗 (Industrial Scientific Medical, ISM)频段，在城市无线

4、网络飞速发展、覆盖面积曰益 增长的今天，容易受到外界无线信号的干扰。因此对 CBTC无线通信系统的干扰成因进 行分析，提出相应的抗干扰方案，提高 CBTC系统的抗干扰能力，以保障列车的安全高 效的运行，对进一步发展城市轨道交通具有重要的意义。 首先，对 CBTC无线通信系统进行说明，给出适合实际的无线传播模型。对 CBTC 系统无线干扰进行详细分析，将干扰分为系统内部和外部干扰两种，指出 AP(ACCeSS Pomt,AP)接入瓶颈问题和无线移动设备干扰问题是研究 CBTC系统抗干扰的主要难点， 并对现已有的抗干扰方案进行阐述，说明本文抗干扰方案 的基础。 其次，通过二维马尔可夫链对传统分布式

5、协调 （ Distributed Coordination Functior DCF)协议进行分析与改进，给出车载天线节点数、竞争窗口大小和干扰移动无线保真 (Mobile Wireless Fidelity, MiFi)节点个数对 CBTC系统吞吐量和传输时延的影响。针对 AP接入瓶颈问题提出一种 DCF的改进方案，分别对 AP和车载天线 (Vehicle-mounted Antenna, VA)制定不同的算法，以进一步减小 CBTC系统内部干扰；提出一种自适应区 间化的竞争窗口设置方案，根据 MiH节点个数设置合理的竞争窗口值，减小系统外部 的干扰，提高 CBTC系统的抗干扰能力；同时对传

6、统指数退避算法进行分析，使用慢增 慢减回退机制，从回退角度提高 CBTC系统的抗干扰能力。 最后，运用 OPNET工具对 CBTC无线通信系统进行仿真，修订系统 DCF协议模块 并设置工作参数，分别对系统内部和系统外部无线干扰进行场景建模并仿真分析，对提 出的抗干扰改进方案和传统 DCF协议进行系统吞吐量和传输时延对比，仿真结果表明， 本文所提出的改进抗干扰方案具有良好的效果， CBTC系统性能得 到改善，一定程度上 提高了系统的抗干扰能力。 关键词：基于通信的列车控制；无线抗干扰；便携式无线路由器；分布式协调 论文类型：应用研究 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研究 Abstract C

7、ommunication Based Train Control (CBTC) systems have many characteristics such as high accuracy positioning and bidirectional train-to-wayside data communication, which can better realize the train control under moving block and meet the demand of train automatic control in current urban rail transi

8、t. Train-to-wayside data communication system is an important part in CBTC systems, which transmits data by using WLAN technology with the standard of IEEE802.il. The wireless standard works on the open ISM band, so the train-wayside communication processes are easily disturbed by other wireless sig

9、nals in urban environment nowadays. Hence, after the analysis of interference causes of CBTC wireless communication systems, the corresponding anti-interference schemes have been put forward to improve the ability of anti-interference, which can ensure the safety and efficiency of train running and

10、are significant to the further development in urban rail transit. Firstly, according to the Free Space Loss Mode and the special circumstance of CBTC, the wireless propagation model applying to urban rail transit environment has been constructed. After the detailed analysis of CBTC systems, the inte

11、rference has been divided into two parts: internal interference and external interference. The problems of Access Point (AP) bottleneck and wireless mobile device interference are mainly difficult in the anti-interference research of CBTC systems. Some existing anti-interference measures has also be

12、en expounded on the basis of anti-interference schemes in CBTC systems. Secondly, after the analysis and improvement of the traditional Distributed Coordination Function (DCF) model protocols by the two-dimensional Markova chain, the influence of vehicle-mounted antenna nodes number, contention wind

13、ow size, Mobile Wireless Fidelity (MiFi) nodes number and other parameters on the throughput and transmission delay of CBTC systems have been given. To reduce the internal interference in CBTC systems, a DCF improvement scheme has been proposed, which can increase the priority of AP by developing di

14、fferent algorithms for AP and vehicle-mounted Antenna (VA). An adaptive scheme that sets the reasonable competition window value according to the number of MiFi nodes has been proposed, which can reduce the external interference and improve the anti-interference ability of CBTC systems. Meanwhile, b

15、ased on the perspective of backoff mechanism, another scheme with slowly increase and decrease algorithm has also been proposed to further improve the anti-interference ability. Finally, according to the above analysis, the different train operation senses have been built by OPNET. The network modul

16、e has been built with working parameters, such as communication protocol, data flow, and movement path. Then the different train operation scenes have been built to analyze and simulate the suffering interference of CBTC systems -II- 兰州交通大学硕士学位论文 from both inside and outside. By calculating throughp

17、ut and transmission delay, the improved anti-interference scheme has been compared with the traditional DCF protocol. The results show that the improved anti-interference algorithm has a good effect in the performance improvement of CBTC systems and can improve the anti-interference ability of CBTC

18、systems. Key Words： Communication Based Train Control； Wireless anti-interference； Portable wireless router； Distributed Coordination Function -ill- 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研宄 目 录 . I Abstract . II 1绪论 . 1 1.1研宄背景及意义 . 1 1.1.1 CBTC系统特点 . 1 1.1.2正 EE802.il标准及干扰影响 . 3 1.1.3研宄意义 . 4 1.2 CBTC无线抗干扰研宄现状 . 4 1.3

19、论文主要工作和结构安排 . 5 2 CBTC无线通信系统抗干扰分析 . 7 2.1 CBTC系统传播模型 . 7 2.1.1大尺度路径损耗 . 7 2.1.2小尺度路径损耗 . 8 2.1.3适合 CBTC系统的传播模型 . 8 2.2 CBTC系统无线干扰分析 . 10 2.2.1系统内的无线干扰分析 . 10 2.2.2系统外的无线干扰分析 . 10 2.3传统 CBTC系统无线抗干扰方案 . 13 2.3.1无线电技术的选择 . 13 2.3.2冗余设计 . 14 2.3.3优化无线覆盖方式 . 14 2.3.4 MAC 层协议 . 15 2.4本章小结 . 16 3 DCF协议在 CB

20、TC中性能研宄与改进 . 17 3.1 正 EE802.il 传统 DCF 协议 . 17 3.1.1 DCF接入方式 . 17 3.1.2二维马尔可夫链模型 . 19 3.2 CBTC系统吞吐量和传输时延 . 22 3.2.1系统吞吐量分析 . 22 3.2.2介质访问时延分析 . 25 3.3自适应区间化 DCF改进方案 . 28 -IV- 兰州交通大学硕士学位论文 3.3.1 提 _ AP优先级 . 29 3.3.2自适应区间化算法 . 32 3.3.3慢增慢减机制 . 35 3.4本章小结 . 35 4 CBTC系统抗干扰建模及仿真 . 36 4.1 CBTC系统模块的定制 . 36

21、4.1.1 OPNET 介绍 . 36 4.1.2无线管道阶段的修改 . 37 4.1.3 WLAN服务集的建立 . 37 4.1.4移动轨迹的设置 . 38 4.1.5网络业务布置 . 39 4.1.6用户档案的制定 . 39 4.1.7统计量的选取 . 40 4.2 CBTC系统 DCF协议行为建模 . 41 4.2.1 MAC有限状态机结构 . 41 4.2.2 MAC层输入输出接口设置 . 42 4.3 CBTC系统干扰场景搭建及仿真分析 . 43 4.3.1 CBTC系统内部干扰场景搭建 . 43 4.3.2 CBTC系统外部干扰场景搭建 . 44 4.3.3干扰仿真分析 . 45

22、4.4改进的 DCF算法抗干扰仿真分析 . 47 4.4.1提 _ AP优先级的有限状态机改进 . 48 4.4.2 MiFi干扰节点的自适应分组 . 48 4.4.3仿真结果对比 . 49 4.5本章小结 . 51 会吉 i仑 . 52 至夂 i射 . 54 参考文献 . 55 攻读学位期间的研宄成果 . 58 -V- 兰州交通大学硕士学位论文 1 绪论 基于通信的列车控制 CBTC系统经过多年的发展，己广泛应用在城市轨道交通信号 系统中。不同于传统的轨道电路， CBTC系统采用车地双向连续通信来传输数据，实现 列车的高精度定位和自动控制功能可以大幅度提高区间通过能力，具有较好的兼容 性，实

23、现对各种车型的控制，满足城市轨道交通快速化、集中化、信息化的发展需要。 CBTC系统可以分为两种类型，一种是基于感应环线的 CBTC系统，一种是基于无线局 域网，即基于 IEEE802.il标准的 CBTC系统目前广泛应用在城市轨道交通中是后者， 也是本文主要的研宄类型， 文中所提到的 CBTC系统均指基于IEEE802.il标准的 CBTC 系统。 车地无线通信子系统是 CBTC系统的核心，其正常工作是保证系统可靠运行的基 础，然而在无线局域网日益发展的今天，其受到的无线干扰己经成为了导致 CBTC系统 车地通信失败，影响列车安全运行的重要因素。干扰将造成车地通信数据包传输延时和 信道竞争的

24、激烈碰撞，使得CBTC系统不能及时发送和接收有用信号，吞吐量急剧下降， 导致列车启动紧急制动系统，进而影响列车的安全运行。实际运营中，深圳、广州等地 已发生过类似事故，如 2012年 11月深圳地铁 蛇口线因信号干扰多趟列车暂停运行， 2014 年 12月西安 2号线延误造成乘客被迫换乘并滞留于沿线车站等 W， 因此分析 CBTC系 统无线干扰成因，探讨合适的 CBTC系统抗干扰方案，提高 CBTC系统的抗干扰能力是 目前急需研宄的课题。 1. 1研究背景及意义 1.1.1 GBTG系统特点 自 1999年 CBTC的第一个标准正 EE Std 1474.1-1999颁布以来， CBTC系统在

25、全世 界范围内广泛应用和发展起来。如今， CBTC系统已成为国际上主流的轨道交通控制系 统 W。 CBTC系统使用的是移动闭塞控制，通过车地之间双向连续的无线数据传输得以 实现。系统的成本小、区间通过率高、数据集中传输且速度快等特点，是实现城市轨道 交通高密度、高精度的关键。 CBTC系统主要由列车自动监控系统 (Automatic Train Supervision, ATS)、区域控制 器(Zone Controller, ZC)、数据通信系统 (Data Communication System, DCS)、计算机联 锁(Computer Interlocking, Cl)、车载控制器

26、(Vehicle On Board Controller, VOBC)等子系 统构成 4。 ATS为列车提供自动监控功能； ZC接收 VOBC提供的列车的信息，授权控 制列车行进；CI系统主要是对处于各自控制范围内的列车办理进路或取消等相关功能； 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研究 数据通信系统 DCS用于完成列车运行控制子系统间的数据传输，也是整个 CBTC系统 的核心。具体结构如图 1.1所示： 图 1.1 CBTC系统结构图 数据通信子系统 DCS是 CBTC系统最显著的特点，分为地 -地通信及车 -地无线通 信两个层面，其中车 -地无线通信是整个系统的支柱之一，为列车提供连续的、

27、双向的 数据通信，使 CBTC系统的运行列车和地面中心实时的进行通信，以达到列车安全可靠 运行的目的。 DCS主要由光纤骨干网、交换机、轨旁无线接入点 AP和车载无线设备等组成，对 于 CBTC数据通信子系统大多都是使用双环冗余的设置理念，也就是说使用冗余结构的 骨干网、交换机以及 AP接入点，使得 DCS实现双网重叠覆盖，以达到提高数据传输的 可靠性的目的 5，如图 1.2所示。首先在铁路沿线每隔 300m的位置上设值一个冗余结构 的 AP箱，即在 AP箱里同时设置两个AP设备，然后在相互冗余的情况分别通过两个 相互独立的无线电交换机和骨干交换机连 接到两个相互独立的骨干通道上，形成完全冗

28、余的星形布局。同时在列车头部和尾部各安装一个车载天线 VA， 形成车载天线冗余设 置，并通过不同的网络标识和方向性天线指向，分别与冗余骨干网相关联，这样就组成 了 CBTC数据通信子系统 DCS的结构，形成了 DCS的完全冗余结构和列车单元冗余结 构的设置，提高了 DCS的数据通信的可靠性。 兰州交通大学硕士学位论文 图 1.2 DCS结构示意图 1. 1.2丨 EEE802. 11标准及干扰影响 自 1997年 6月颁布的正 EE802.il统一标准以来，该标准己经成为一个大系列标准， 反映了无线局域网在宽带化、移动性支持、安全性和可靠性等各方面的研宄现状和发展 趋势。其中常用的类型为正 E

29、E802.11a、 正 EE802.11b和正 EE802.11g三种。 基于正 EE802.il的 CBTC系统工作在 ISM频段，其频率为 2.4 2.4835GHz。 规定 该频道分为 13个宽度为 22MHz的子信道，然而这 13个子信道是两两之间互相重叠的。 如图 1.3所示，相互之间没有重叠并可以同时使用的最多只有 3个信道，通常使用 1、 6、 11这三个子信道。 由于该频段的使用是不需要申请牌照的，任何机构或个人的无线链路都可以使用， 这就造成 CBTC系统的信号传播会受到其他使用该频段无线信号的干扰，干扰源可以是 其他用户在轨道交通网附近的故意干扰、接入点未经授权的安装和使用

30、同样频率的第三 方设备干扰等，可分为系统内部和系统外部无线干扰两种 6。前者可以描述为因同一时 刻 AP只能与一辆列车进行通信，而多辆列车却都有数据需要传输给接入点 AP时，信 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研究 号之间就会争抢信道资源而产生时延，这就造成了 CBTC系统内部干扰。轨道线路附近 其他 ISM频段的无线网络，比如其他无线局域网 (Wireless Local Area Networks, WLAN) 设备、便携式无线宽带路由设备 MiFi、蓝牙用户等，它们的工作频率与 CBTC系统重 叠，也会对车地通信产生干扰，称之为系统外无线干扰。 1. 1.3研究意义 根据 CBTC系

31、统无线通信传输的特点，在民用无线保真 (Wireless Fidelity, WiFi)信 号干扰己日趋严重的今天，为了在任何地点、任何时间运行的列车都能获取可靠、稳定 的控制信息，发挥最大的运营效能， CBTC系统就必须具备顽强的抗干扰能力。 各类无线干扰是影响系统性能的主要因素，因此需利用计算机全面分析无线干扰带 来的影响，得到定量的仿真结果，并结合仿真结果在已有的抗干扰方案上进行优化。从 而指导实际，避免列车因干扰出现安全问题，减小干扰对系统性能的影响，更好地保障 CBTC系统通信质量，达到保障列车安全可靠运行的目的。因此，无线通信抗干扰研宄 已经成为整个无线 CBTC系统设计的焦点和难

32、点问题，对于推进 CBTC系统的发展具有 重要意义。 1.2 CBTC无线抗干扰研究现状 为了保证 CBTC系统的正常运行，近些年来很多学者对其抗干扰能力进行了广泛而 深入的研宄，从各方面入手对系统进行了改进，取得了相应的成果。甘勇 m对系统冗余 技术进行了研宄，通过 “ 二取二 ” 和 “ 三取二 ” 计算机冗余设计，每辆列车首尾各配备 一套完整的车载控制系统，冗余部件在系统因干扰产生故障时投入使用，减少故障时间， 提高系统的抗干扰能力。杨安玉等分析了运用无线波导管的无线传播方式，其本质为 连续的加长型天线，列车使用波导管定向天线，实现在很小的范围 （ 60 孔径）空间内的 车地数据传输，具

33、有较强的无线抗干扰能力。漏泄电缆传播与波导管类似，其信号覆盖 均匀，方向性强，使用频率宽，场强辖射稳定，有良好的无线抗干扰能力，王洪伟等 对传统漏泄电缆传播方式进行了改进，提出一种基于无线多入多出技术 (MuWple-Input MuWple-Output, MIMO)的漏缆传播方法。众多学者在无线信号的扩频方式上也进行了 改良，陈浩莹 12将窄带技术应用于直接序列扩频，提高判断信道空闲的门限值，并加大 对未开发频段的使用，提高了对使用其他厂商的 802.11无线设备的抗干扰能力。陶伟 和张雯 14基于提高跳频速率的理论，认为中高速跳频技术和混合跳频技术可有效避免同 频干扰。在 CBTC无线局

34、域网媒体访问控制 （ Medium Access Control, MAC)的分布协调 功能的研宄中发现，改进节点访问无线信道的规则可较好的提高系统的无线抗干扰能 力。 Chhaya 等 15_17评价了 IEEE802.il 中的载波监听 /冲突检测 （ Carrier Sense Multiple 兰州交通大学硕士学位论文 Access With Collision Avoidance, CSMA/CA)机制以及异步传输方法的性能。 Bianchi1U9 利用二维 Markov模型推算出饱和负载下的吞吐量的公式。 Cali2G_22和 Bianchi23,24运用 数学建模的方法对 CSM

35、A/CA策略流程和指数退避机制进行了分析，发现基于 正 EE802.il的CBTC系统的性能随着竞争节点个数的增加急剧恶化，并且竞争窗口 (Content Wmdow, CW)的大小有着重要影响。王辉等 25_27通过检测网络中发送节点的数 目变化，来动态调整合适的竞争窗口值，以此改进传统的 DCF协议，包括改进常数竞 争窗口模式等。 1.3论文主要工作和结构安排 本论文从 CBTC系统内和系统外两个方面，特别是 AP接入点和车载设备干扰两个 角度，分析无线干扰对系统性能带来的影响，在分析现有的抗干扰措施的基础上，提出 一种改进的 DCF算法，以提高 CBTC系统的抗干扰能力。利用仿真软件进行

36、仿真分析， 对比在干扰环境中无抗干扰措施和使用改进抗干扰措施时 CBTC数据通信子系统的性 能（吞吐量、时延等），通过仿真结果说明改进的抗干扰方案的有效性，以及在降低 CBTC 系统受无线干扰影响方面的成效。通过本文的分析研宄，提出抗干扰措施，提高 CBTC 系统的抗干扰能力，对保证列车的运行安全有重要的意义。全文共分为四个章节，具体 安排如下： 第一章为绪论部分，是对本文研宄内容的整体说明。首先对 CBTC系统和主要核心 数据通信子系统 DCS做了详细介绍，并对其使用的无线通信技术和标准进行说明，引 出 CBTC系统无线干扰的问题，并简要介绍了 CBTC系统抗干扰研宄现状，说明对 CBTC

37、系统抗干扰研宄是本论文的重点研宄部分，进而说明本论文的研宄目的和意义。 第二章是对 CBTC无线通信系统的抗干扰分析。首先根据无线信号的传播特点， 给出适合 CBTC系统的传播模型，作为仿真的基础。接着总结产生无线干扰的原因，分 别对系统内部 AP接入瓶颈和系统外部列车上 MiFi设备的干扰问题进行了分析，提出了 MiFi设备干扰模型，最后阐述了现在已有的 CBTC抗干扰措 施。 第三章 DCF协议在 CBTC中性能研宄与改进。首先说明使用正 EE802.il的 CBTC 系统的 DCF协议的工作原理及工作方式，分析其吞吐量和介质访问时延的计算方法。 在此基础上提出一种改进的 DCF算法 自适

38、应区间化 DCF方案，介绍其工作原理， 并从理论上验证其可行性，说明相对于传统的 DCF协议，改进的 DCF协议使得 CBTC 系统具有更好的抗干扰能力。 第四章 CBTC系统抗干扰建模及仿真。首先介绍本次仿真所选取的工具 OPNET， 并根据 CBTC系统特点修订各个模块。然后结合前几章的研宄与分析，利用 OPNET软 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研宄 件搭建 CBCT系统内部和外部干扰模型，重点对列车中 MiFi设备的干扰进行仿真，并 利用改进的 DCF算法，对比传统的 DCF算法，通过仿真得到吞吐量和介质访问时延等 参数结果，说明改进后的 DCF协议相对于传统的 DCF协议对 CBTC系统抗干扰能力有 明显的提 _。 最后，对全文进行总结，说明本文提出的改进抗干扰措施的主要内容和论文的不足， 并对 CBTC无线抗干扰措施的研宄方向进行了展望。 兰州交通大学硕士学位论文 2 CBTC无线通信系统抗干扰分析 对无线电磁波传播损耗的研宄是分析 CBTC无线通信系统抗干扰的前提。通过数学 公式建立适合 CBTC系统的传播损耗模型，推算出经损耗后信