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《北京交通大学》 2012年
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CBTC车地通信系统跨层设计研究

朱力  
【摘要】:作为轨道交通系统的中枢和大脑,列车运行控制系统控制列车运行速度和方向,确保列车间保持安全的间隔,在保证列车行车安全的前提下提高轨道交通系统的效率。随着通信与计算机技术的发展,列车运行控制系统发生了根本变化,逐渐由传统的基于轨道电路的列车控制向基于通信的列车控制(Communication Based Train Control, CBTC)方向发展。 CBTC系统中的车地通信系统将车载和地面控制设备联系在一起,保障列车高效、安全运行。基于IEEE802.11协议簇的WLAN,由于其在频段开放、安装维护方便、标准开放、商用现成品成熟等方面的优势,已经广泛被城市轨道交通CBTC车地通信系统所采用。然而,由于基于IEEE802.11协议簇的WLAN并不是为移动环境下的数据传输所设计的,其作为CBTC车地通信系统时,当列车离开一个AP(Access Point)的覆盖范围进入另一个AP的覆盖时,将会有一个切换过程。实验和仿真结果都表明,这一切换过程可能导致几百毫秒甚至几秒的通信延迟。这么长的通信延迟将会影响高密度行车时CBTC的服务质量(Qaulity of Service, QoS)。 本文针对基于WLAN的CBTC车地通信系统中存在的切换异常问题,设计了更加适合于车地通信环境的通信系统协议栈。通过跨层设计方法,首先映射CBTC系统中随机的实际信道条件和高层的服务质量之间的关系,用随机控制优化的方法计算得到车地通信系统中最优的切换决策策略和通信参数自适应策略。最优策略优化了车地通信系统的性能,提高了CBTC的服务质量。同时,本文将CBTC车地通信系统的跨层设计方法运用于城市轨道交通乘客信息系统,通过映射乘客信息系统中传输视频的服务质量与底层的信道条件,随机控制优化得到应用层的参数自适应策略与切换决策策略,最终提高系统中视频的传输质量。 论文的主要创新点如下: 1.设计了基于具有MIMO性能WLAN的CBTC车地通信系统协议栈。利用跨层设计的方法,将系统中的切换决策问题和MIMO参数自适应问题建模成一个半马尔科夫决策过程。CBTC车地通信系统的信道被建模成一个有限状态的马尔科夫过程,其中信道的状态转移概率从实际的现场测试数据中获得。 2.与现有的通信系统跨层设计不同的是,本文将CBTC系统中列车控制器的线性二次型成本函数(Linear Quadratic Cost Function)作为切换过程中的一个性能指标,将优化列车控制系统的性能作为通信系统的优化目标。在基于具有MIMO性能WLAN的CBTC车地通信系统中,根据列车控制的优化目标,MIMO系统中分集增益和复用增益之间的折中得到了优化设计。 3.设计了基于传输层SCTP和IEEE802.11p的车地通信系统以提高CBTC车地通信的可用性和低延迟特性。利用跨层设计的思想,我们将该车地通信系统中的切换决策问题建模成一个半马尔科夫决策过程。半马尔科夫决策过程的优化目标是求出最优的切换决策策略以最小化SCTP通信延迟以及最大化SCTP的传输带宽。深入的仿真表明,相比于现有的基于UDP与IEEE802.11g的车地通信系统,我们提出的切换机制能显著提高系统切换性能。仿真结果同样表明,我们提出的基于SMDP的切换决策算法能显著提高SCTP带宽。 4.作为跨层设计方法应用的扩展。本文针对乘客信息系统(Passenger Information System, PIS)中频繁切换造成的对视频传输质量的影响,提出了基于IEEE802.11p的城市轨道交通PIS车地视频传输系统,喷泉编码(Fountain Code)作为该系统应用层的前向纠错编码方案。利用跨层设计的方法,我们将所提出的车地视频传输系统中的切换决策问题和应用层参数自适应问题建模成半马尔科夫决策过程。半马尔科夫决策过程的优化目标是求出最优的切换决策策略和应用层参数自适应策略以减小视频传输失真。深入的仿真结果表明,我们所提出的跨层优化设计算法能显著提高PIS中的视频传输质量。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TP273

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 ;Dependability analysis of the data communication system in train control system[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2009年09期
2 徐田华;赵红礼;唐涛;;基于有色Petri网的ETCS无线通信可靠性分析[J];铁道学报;2008年01期
3 徐田华;唐涛;;基于有色Petri网的ETCS通信系统与列车间隔分析[J];系统仿真学报;2007年21期
4 范丽君;ETCS技术在列控系统中应用的探讨[J];中国铁道科学;2003年03期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘中田;吕继东;孙伟亮;;CTCS-3级列控系统车地交互流程形式化建模与验证[J];北京交通大学学报;2011年02期
2 林增;王俊峰;王禹霖;;基于CPN高铁临时限速数据融合方案验证[J];北京交通大学学报;2012年03期
3 刘宏杰;郜春海;刘波;陈黎洁;;城市轨道交通列车运行控制系统分级标准研究[J];都市快轨交通;2011年04期
4 李淑英;杜晓鑫;刘丹;;京广高速铁路无线闭塞中心故障处理流程[J];高速铁路技术;2013年03期
5 全宏宇;赵会兵;;基于概率模型检验的CTCS-3级无线通信建模与分析[J];北京交通大学学报;2014年02期
6 史殿毅;李清;;CTCS-2级列控系统可靠性影响因素分析[J];黑龙江科技信息;2010年27期
7 范丽君;列车运行控制系统车载设备发展探讨[J];机车电传动;2004年06期
8 ;Integrity assurance of GNSS-based train integrated positioning system[J];Science China(Technological Sciences);2011年07期
9 ;Formal verification of safety protocol in train control system[J];Science China(Technological Sciences);2011年11期
10 刘中田;孙伟亮;;基于安全计算机平台的无线闭塞中心仿真研究[J];计算机应用研究;2011年03期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 陈军华;张星臣;徐彬;张懿;;运煤专用线列车运行的Petri网仿真模型研究[A];信息化、工业化融合与服务创新——第十三届计算机模拟与信息技术学术会议论文集[C];2011年
2 ;Hidden Markovian Chain Based Occurrence Time Prediction for GSM-R Down Fault[A];Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference(CCDC)[C];2011年
3 范明;范丽君;;CTCS及列控车载方案研究[A];铁道科学技术新进展——铁道科学研究院五十五周年论文集[C];2005年
4 程剑锋;范明;;无线闭塞中心发展与研究[A];铁道科学技术新进展——铁道科学研究院五十五周年论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘江;基于鲁棒估计理论的列车组合定位方法研究[D];北京交通大学;2011年
2 刘铭;列车通信网络系统形式化建模与验证方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
3 王剑;基于GNSS的列车定位方法研究[D];北京交通大学;2007年
4 陈军华;基于稳定性的客运专线运行图编制与评价问题研究[D];北京交通大学;2009年
5 荀径;基于智能体和元胞自动机的列车协同控制研究[D];北京交通大学;2012年
6 惠蕾放;无线网络中的资源管理问题研究[D];西安电子科技大学;2012年
7 谢雨飞;列控系统需求规范形式化建模与验证方法研究[D];北京交通大学;2012年
8 陈黎洁;列车运行控制系统安全通信协议验证方法的研究[D];北京交通大学;2013年
9 林思雨;高速铁路移动通信系统性能研究[D];北京交通大学;2013年
10 郑杰;异构无线网络中资源管理研究[D];西安电子科技大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁珣;高速铁路GSM-R无线网络QoS分析及其对CTCS-3列控系统的影响[D];北京交通大学;2011年
2 张友兵;基于CPN的CTCS-3级列控系统RBC切换的建模与分析[D];北京交通大学;2010年
3 刘佳;CTCS-3级列控系统仿真测试平台[D];北京交通大学;2010年
4 张静;利用OPNET仿真分析CBTC系统中通信参数对列控的影响[D];北京交通大学;2010年
5 庞萌萌;高速铁路GSM-R网络越区切换对CTCS-3系统的影响及模型研究[D];北京交通大学;2011年
6 石杰;高速环境下GSM-R网络电路域数据传输分析及改善策略研究[D];北京交通大学;2011年
7 业青;CTCS-2级客专列控CAD的设计和验证[D];北京交通大学;2011年
8 朱通;HXD1型机车运行状态在途监控系统的研究与应用[D];中南大学;2011年
9 刘军宇;列车速度控制系统的硬件设计与实现[D];华南理工大学;2011年
10 李嘉懿;CTCS-3级列控系统RBC报文安全传输的研究[D];西南交通大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 ;Modeling and simulation for train control system using cellular automata[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2007年06期
2 李红君,钟章队;基于无线的列车控制系统[J];铁道通信信号;2002年01期
3 胡耀华;我国铁路速差式自动闭塞的发展及在提速中的作用[J];中国铁路;2002年06期
4 胡耀华;我国铁路提速中的列车超速防护系统的分析与研究[J];中国铁路;2002年08期
【相似文献】
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1 尹逊政;李亮;王芃;;CBTC仿真与培训系统的研究与实现[J];铁道通信信号;2013年S1期
2 杜菡萏;焦万立;;基于有向图的CBTC仿真系统数据库设计[J];铁路计算机应用;2012年01期
3 赵汝强;;高速铁路智能交通系统中的CBTC技术分析[J];无线互联科技;2013年05期
4 管琼芳;;CBTC系统功能通用实现方式的分析[J];信息通信;2014年04期
5 周庭梁;查伟;;面向服务的CBTC车载控制器测评支撑环境研究[J];科技与创新;2014年09期
6 王浩;林湛;杨霓霏;吴卉;;轨道交通国产化CBTC系统技术创新点研究[J];铁路计算机应用;2014年01期
7 ;城市轨道交通CBTC项目评审会在京举行[J];数字通信世界;2014年01期
8 闫岩;陈霞;谈振辉;;CBTC移动无线信道的建模和仿真[J];铁路计算机应用;2006年09期
9 牛儒;唐涛;;基于CPN的CBTC地面数据通信系统仿真和分析[J];系统仿真学报;2008年17期
10 何廷润;;面临电磁环境恶化的地铁CBTC系统安全性分析[J];移动通信;2012年23期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 唐涛;;基于通信的城轨CBTC系统成果汇报[A];中国城市轨道交通关键技术论坛(第十八届地铁学术交流会)主题报告汇编[C];2007年
2 燕飞;唐涛;;形式化方法在基于通信的列车运行控制系统(CBTC)中的应用研究[A];可持续发展的中国交通——2005全国博士生学术论坛(交通运输工程学科)论文集(下册)[C];2005年
3 燕飞;赵显琼;唐涛;;功能安全分析及建模方法研究[A];第13届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集[C];2011年
4 高晶晶;陈霞;谈振辉;;基于GSM-R网络的CBTC技术关键问题的探讨[A];GSM-R移动通信及无线电管理学术会议论文集[C];2006年
5 王松涛;;CBTC车载VOBC技术及WSP丢失故障分析[A];2010城市轨道交通关键技术论坛论文集[C];2010年
6 汪伟;;CBTC技术在郑西高速铁路智能交通系统中的运用[A];第三届铁路安全风险管理及技术装备研讨会论文集(中册)[C];2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 商报记者 方彬楠;国产轨道交通信号控制系统迈入产业化[N];北京商报;2010年
2 记者 唐景莉 通讯员 蓝晓霞 袁芳;地铁“国产脑” 高校牵头造[N];中国教育报;2011年
3 本报记者 冷德熙;春深如海觅芳华[N];科技日报;2012年
4 本报记者 李波;CBTC信号技术助力四万亿城轨建设潮[N];中国证券报;2013年
5 本报记者 宋莉;郜春海:把“交控科技”分解成“自主创新的麦当劳”[N];科技日报;2011年
6 本报记者 曾强;阿尔卡特武汉“吆喝”轨道通讯技术标准难产[N];21世纪经济报道;2004年
7 本报记者 宋莉;丰台科技园:轨道交通产业发展态势喜人[N];科技日报;2011年
8 本报记者 吕择;新地铁国产脑[N];北京科技报;2010年
9 本报记者 沈慧;为中国轨道交通装上自己的“大脑”[N];经济日报;2013年
10 记者 陶健 通讯员 冯昊;11号线启用最先进信号系统[N];解放日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 陈荣武;CBTC系统列车运行仿真与优化策略[D];西南交通大学;2011年
2 刘晓娟;城市轨道交通CBTC系统关键技术研究[D];兰州交通大学;2009年
3 王飞杰;城轨CBTC智能调度指挥系统关键技术的研究[D];北京邮电大学;2011年
4 朱力;CBTC车地通信系统跨层设计研究[D];北京交通大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 周大鹏;数据库存储单元在CBTC系统中的应用与研究[D];北京交通大学;2007年
2 王伟;CBTC测试平台关键问题研究[D];北京交通大学;2008年
3 刘雨;CBTC系统通信协议的设计和形式化分析[D];北京交通大学;2007年
4 孙琳;CBTC系统区域控制中心内部实时通信网络的研究[D];北京交通大学;2008年
5 刘朔;CBTC系统移动授权生成的建模与实现[D];北京交通大学;2008年
6 董秋丽;基于规则的CBTC系统数据分析与验证的研究[D];北京交通大学;2012年
7 杨清雯;CBTC无线信道建模及链路仿真器研究[D];北京交通大学;2012年
8 魏伟;CBTC系统中无线通信的干扰分析与仿真[D];兰州交通大学;2013年
9 赵训婷;基于网络拓扑的城轨CBTC系统数据自动生成研究[D];北京交通大学;2013年
10 王洪涛;基于时间触发机制的以太网在CBTC系统应用中的研究[D];北京交通大学;2009年
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