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铁路无线通信系统射频链路的一体化建模与分析

浦实  
【摘要】:我国铁路采用工作于900 MHz频段的GSM-R无线通信系统作为列车调度和控制的主要手段,该通信系统的无线射频链路包括基站天线、电波空间传播、列车天线三部分,其特性对整个通信系统的可靠性、进而对列车运行的安全性都有重要的影响。现有研究大多集中在空间电波传播方面,其结果与整个链路的特性有较大差别,尤其是在高速铁路环境下。本论文研究内容来源于国家自然科学基金项目(No.60674010,60825101)和国家863计划项目(No.2008AA012224),主要针对铁路发展趋势,研究高速铁路环境下、包含收发天线及其环境在内的无线射频链路的一体化建模方法及特性分析。研究工作对铁路无线通信系统性能评估、车—地间无线通信系统优化设计等具有重要意义。本文的主要贡献有如下几个方面: 1.针对较为复杂的高速铁路无线通信环境,提出了对收发天线及其周围环境与空间电波传播进行一体化建模与分析的思路;对以基站为主的开阔空间采用全波方法与射线方法以及随机统计方法相结合来进行长距离射频链路的一体化建模;对以漏泄波导为主的短距离封闭空间则完全采用全波方法进行一体化建模。 2.在一体化建模过程中,首先分析了列车长度对车顶天线接收特性的影响,确定了模拟中必须采用的最小列车长度,以便在减小计算量的同时又能满足计算精度要求;然后将列车天线与包括机车车体在内的周围铁路环境作为一个整体进行模拟,研究了带有环境影响的车载天线的收发特性,给出了相应的方向图。 3.模拟过程中,在信号源的引入上,提出了方同轴端口馈电模型用以对车载单极天线进行馈电,该模型在FDTD矩形网格划分情况下能够简单有效地对天线进行馈电或输出电压电流信号;针对本文所研究问题的特点,对现有FDTD计算区域中引入平面波源的方法进行了改进,验证了改进方法的正确性;提出了在FDTD计算区域中利用磁偶极子阵列来模拟漏泄同轴电缆辐射的近似方法。 4.将单径模型和双径模型与FDTD方法相结合,对平坦开阔地面上铁路环境下长距离无线链路的大尺度衰落特性进行了一体化建模与分析,研究了基站信号所覆盖的铁路沿线较长距离范围内,列车天线的输出信号随列车位置的变化规律。 5.采用多径散射波统计分布模型与双径确定性传播模型以及FDTD方法相结合,对铁路环境下多径效应引起的无线链路小尺度衰落特性进行了一体化建模与分析,研究了多径时变散射波影响下较短距离范围内列车天线的输出信号随列车位置的变化规律。 6.提出了在无线射频链路一体化模型中引入调制解调模块来研究铁路环境对传输数据误码率影响的思路,并对BPSK调制信号在传输过程中受环境因素影响的情况进行了初步研究。在此基础上,研究了弓网间因火花放电而产生的电磁脉冲噪声对列车天线所接收的BPSK调制信号的干扰情况。 7.研究了山区隧道内由漏缆和车载天线构成的无线射频链路的特性,分析了有无列车通过时隧道中场强覆盖的情况,给出了隧道内的电场分布图,并讨论了漏泄同轴电缆架设位置对场强分布的影响。


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