基于Matlab的CBTC系統鄰頻干擾研究

陳禹霖

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院,甘肅 蘭州　730070)

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基于Matlab的CBTC系統鄰頻干擾研究

陳禹霖

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院,甘肅 蘭州730070)

摘要針對IEEE 802.11g標準的特性,引入鄰頻干擾函數作為定量研究系統鄰頻干擾的方法。通過模擬一種實際運行場景,對采用不同信道方案時接收信號質量進行分析與計算,得出的增大信道間隔將有效提升接收信號的質量和系統吞吐量,為CBTC系統的信道規劃提供理論依據和參考。

關鍵詞CBTC系統;OFDM;鄰頻干擾;干擾函數

CBTC廣泛使用IEEE 802.11協議進行無線通信,其中IEEE 802.11g通常是OFDM模式[1]。CBTC系統需要在保證無線通信系統具有比較高的安全性的同時,擁有盡量大的吞吐量,因此要有較多的工作信道數量,這將增大信道間的干擾,受鄰信道影響設備性能將會降低甚至嚴重惡化。單方面提高工作信道數量有助于提高系統的吞吐量,但其相互間的干擾增大又會使單一設備的吞吐量降低,因此需要均衡信道數量和其增加所帶來的負面影響,即鄰頻干擾加大,從而優化整個系統的吞吐量。

本文針對CBTC系統的應用環境,對IEEE 802.11g標準的無線網絡進行分析和研究,根據其頻率特性結合OFDM方式,利用Matlab軟件計算研究信道間的干擾和重疊情況,引入干擾函數作為信道間干擾的定量分析手段,并模擬實際場景,對采用不同無線信道分配方案進行比較研究。通過計算,發現接收信號的質量存在較大不同,這將為CBTC系統信道規劃方案的設計提供理論依據以及實施建議。

1IEEE 802.11g及其頻率特性

IEEE 802.11協議在網絡的鏈路層、物理層上進行嚴格的定義,確保了系統中各個設備間的可靠性與兼容性,由于WLAN具有簡單的組網結構,工作頻段為2.4 GHz,應用相當廣泛,設備普遍且成本較低。IEEE 802.11g的WLAN采用OFDM調制,即將信道分成若干個正交子信道,將數據信號調制到各個子載波上,降低數據流的速率[2]。通過各個子載波進行傳輸的方式將大幅降低信道之間存在的干擾,提高傳輸效率。IEEE 802.11g工作頻段為2.402～2.483 GHz,其中規定了11個信道,分別占用約22 MHz的帶寬,信道間相隔5 MHz[3],如圖1所示。

圖1　IEEE 802.11g標準信道規劃

由圖1可發現,若信道間隔為1～4,則信道間是相互重疊的,由此產生的信道干擾會影響工作設備在該信道上的通信效率。其中信道1、6、11是沒有交疊部分的,因此在其上傳輸數據產生的鄰頻干擾可以忽略不計。利用這3個信道可以基本實現工作時的互不干擾。

2信道干擾函數的分析與計算

2.1研究信道干擾函數的意義

對抗CBTC系統無線通信過程中的鄰頻干擾,需要在選擇信道方案時進行分析和計算,明確通信設備是在互不干擾的前提下工作,或者干擾可通過技術手段進行削弱或消除。從IEEE 802.11g標準的規劃上看,選擇信道1、6、11是一種理想方案,在對信道數量要求較低的場景下,該方案能最大化信道的利用率,使鄰頻干擾降到最低。然而在實際應用中,CBTC系統需要有一定的冗余度,并在冗余度大時,工作信道的數量通常在3個以上,這將使設備之間存在干擾致使單一設備的吞吐量降低,但設備的增加又可能使整個系統的吞吐量得到有效提升[4]。因此,需要對信道方案進行仿真來得到最優解,此時就需要引入信道干擾函數來表征不同信道間的交疊程度,對鄰頻干擾進行定量分析研究。

2.2信道干擾函數的推導

OFDM即正交頻分復用技術,是多載波傳輸實現方案中的一種,也是運用最廣泛的一種。理論上OFDM過程將子載波進行相移鍵控(PKS)或正交幅度調制(QAM),因此子載波上的比特流表征為子載波的相位和幅度

(1)

根據上式,假設ts=0,可得到功率歸一化OFDM信號的復包絡[6]

(2)

(3)

IEEE 802.11g中OFDM方式的參數[7]如表1所示。借助這些參數用Matlab軟件可仿真出OFDM信號的功率譜密度圖,如圖2所示。

表1　OFDM參數

圖2　OFDM信號功率譜密度

在符合IEEE 802.11g協議標準的無線設備中,如無線網卡,是自帶中頻濾波器的,其作用是降低OFDM信號兩側的功率譜密度。該濾波器的頻率響應曲線如圖3所示。

(4)

圖3　中頻濾波器響應曲線

OFDM信號通過中頻濾波后的功率譜密度如圖4所示。

圖4　濾波后OFDM信號功率譜密度

在定義干擾函數時引入函數overlap(i,j,f),該函數表征信道i和j在f頻率處的重合程度

overlap(i,j,f)=S(ch(i,f))·Filt(ch(i,f))·S(ch(j,f))·Filt(ch(j,f))

(5)

(6)

表2　鄰頻干擾因數

表2中干擾因數隨著信道間隔的增大而減小,當信道間隔為1～3時,信道間存在較大干擾,而當間隔增加到5時干擾因數低至0.007 4,此時干擾忽略不計,即鄰頻信道間互不干擾,與從圖1得出的信道特性一致。

3信道間干擾對信噪比的影響

實際場景模擬如圖5所示,A點和C點相距300 m,各建有一個無線接入點AP,B點處有一輛列車行駛于兩個接入點之間,同時與兩個接入點建立通信,分別處于不同的信道上。其之間存在信道間的干擾。A點的信噪比(SINR)可由式(7)計算

(7)

圖5　實際場景模擬圖

(8)

式中,λ為波長;r為兩點間距離。對干擾函數olfi,j代入不同的干擾因數用以表征兩個接入點在不同信道上工作時的干擾,將列車與A點的距離代入r表征列車在兩個接入點間行駛,通過Matlab軟件計算得到兩個接入點在不同信道工作,且列車行駛在兩點之間時AP#1接受信號的信噪比,見圖6所示?？煽闯鲈黾咏尤朦c工作信道的間隔將會提高AP#1接收信號的信噪比。例如,當列車與A點相距200m時,若信道采用CH1&4,相比于CH1&3有4dB的提升;若采用CH1&5,相比于CH1&4又有10dB的提升,可見增大信道間隔將在顯著提高接收信號質量的同時使系統吞吐量也得到了大幅提升,與之前給出的結論一致。

圖6　采用不同工作信道方案時接收信號的質量

4結束語

CBTC系統在城市軌道交通快速發展中得到了廣泛開發和普遍運用,因其使用開放性較高的2.4 GHz頻段,易受到干擾的問題不可避免。本文針對IEEE 802.11g標準的特性,引入鄰頻干擾函數作為定量研究系統信道間干擾的方法,并模擬一種實際場景,對采用不同信道方案時接收信號質量進行分析和計算最終得出結論,為CBTC系統的信道規劃提供理論依據和參考,同時也為研究者提供了一種理論工具,幫助提高仿真模型的有效性。

參考文獻

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Research on Matlab-based Adjacent Channel Interference of CBTC System

CHEN Yulin

(School of Electronic & Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractThe paper explains the IEEE 802.11g standard which is widely applied in Communication-Based Train Control system.Then for the features of IEEE 802.11g standard,a function of adjacent channel interference is introduced as a quantitative research method of adjacent channel interference of the system.The quality of the accepted signal between different channel schemes is analyzed and calculated by simulating a practical scenario,leading to the conclusion that greater channel spacing effectively improves the quality of received signals and system throughput.

Keywordscommunication-based train control system;OFDM;adjacent channel interference;interference function

中圖分類號TN92

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-029-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.008

作者簡介:陳禹霖(1989—),男,碩士研究生。研究方向:移動通信。

收稿日期:2015- 09- 03