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GSM-R多普勒效应与切换掉话分析及车载分析系统研究

吴端坡  
【摘要】:近年来,我国铁路发展迅速,截止至2015年,我国高速铁路运营里程将达到1.8万km。在如此庞大规模的高铁线路中,网络通信技术成为保障高铁安全稳定运行的重要一环。现有的用于高铁无线数据传输的网络是GSM-R (GSM for Railway)网络,它基于成熟的GSM网络,增加了调度通信功能、铁路特有的调度业务等来满足铁路专用调度通信要求,是现代高速铁路列车运行控制的重要通信平台。因此在各国高速列车运行管理中,高铁无线网络运行状态的实时监测都是关键技术之一,受到业界的极大关注。我国高速铁路的飞速发展,更是亟待能实时监测GSM-R网络状态并能智能分析的系统。 本论文按国家科技计划项目的要求,在深入分析列车高速移动对高铁无线网络多普勒效应、频繁越区切换和误码及掉话率的影响等通信机制的基础上,理论结合工程实际,设计实现了一套具有包括车载GSM-R运行数据采集、层二层三信令解析、运行数据统计与运行参数关联分析、故障分析与初步预警等软硬件系统,通过相关高铁干线的实测,已基本达到了设计要求。针对高铁无线网络持续通信可靠性在高铁领域中的重要意义,本论文结合在高铁干线中的实测运行数据,对无线网络快速有效的切换算法及相关参数优化进行了研究,并对未来铁路无线网络将向LTE-R (LTE for Railway)网络过渡的相关问题作了讨论。主要内容有:1、针对我国高铁无线网络安全运维管理急需和国家科技计划项目要求,设计了一套车载GSM-R运行数据采集与分析及初步预警系统,通过对GSM-R无线模块底层二进制码的层二和层三信令深入解析和构建数据库,实现了符合列车运维业务的无线网络运行参数查询系统,该系统在具有高铁无线网络数据的实时采集与存储功能的同时,还需要有参数的相关性等智能分析功能,为无线网络的故障分析和初步预警提供辅助决策依据,这也是本论文后续在高速移动对高铁无线网络多普勒效应、频繁越区切换和误码及掉话率的影响等通信机制方面进行重点研究的应用背景。 2、研究了高速运动状态下多普勒效应对高铁无线网络误码率的影响。从单基站、多基站情况下列车直行过程中的多普勒频移分析、到曲线行驶过程中的频移分析,推导出了具体的定量频移公式,获得了行车过程中的频偏变化规律,并对多普勒频偏校正方法进行了分析,提出了一种多普勒频偏补偿误差计算方法。然后在不考虑气候地形等因素条件下,本文构建了GSM-R网络无线信道传输误码率仿真模型,利用matlab的simulink工具箱对高速列车行驶过程中数据传输误码率变化进行了仿真,发现靠近基站时,多普勒频偏值会减小,误码率呈震荡减小的趋势,该趋势得到某高铁线路实测数据的支持,而且通过对比基站与铁轨距离不同时的情况,得出基站距铁轨越远,低误码率区越大,为基站选址提供了依据。已有的误码率方面的研究都未结合实测数据进行分析,该研究弥补了这方面的空缺,对实现高速铁路GSM-R无线网络车载分析系统的话音等参量分析内容起到了指导作用。 3、通过对高速铁路无线网络中的越区切换算法进行研究,提出了一种基于多普勒效应的快速切换算法。当多普勒频偏值为负而且服务小区的电平值与邻小区电平值之差大于一定阈值时网络执行切换,该阈值由多普勒频偏值进行调节。该算法的有效性通过与传统切换算法进行比较得到验证,对比参数包括切换次数、平均切换时延和平均掉话次数,仿真结果表明,在对数正态衰落环境下,该算法能有效避免网络中的乒乓切换效应,并能减少网络平均切换时延与掉话次数。切换分析模型以及本文提出的切换算法有效性得到了某高铁线路实测数据的支持。已有的切换算法方面的研究都未能有效避免乒乓切换效应的发生,而乒乓切换在高速移动环境下是一个非常重要的现象,该研究对构建高速铁路GSM-R无线网络车载分析系统的切换分析内容起到了指导作用。 4、在不考虑多普勒频移对网络掉话率影响的前提下,通过对高速铁路网络环境下由于越区切换引起的网络掉话率情况的分析,得出不同位置的越区切换概率,从而获得不同位置的掉话概率,提出了一种掉话率分析模型。在理论分析的基础上,通过对高铁GSM-R和LTE-R网络进行了掉话率对比仿真,发现LTE-R网络的掉话率相比GSM-R网络减小了29.23%;通过对不同列车穿透损耗下的掉话率进行对比仿真,发现穿透损耗越大,掉话率越高,24dB的穿透损耗下掉话率达到了0.8%;通过对不同运行速度下的网络掉话率对比仿真,发现列车运行速度越高,网络掉话率越高,LTE-R网络下540km/h相比60km/h的掉话率提高了151.56%;通过对基站故障情况下的网络掉话进行仿真,发现基站正常时的平均掉话率仅为基站故障后平均掉话率的36.3%。已有的掉话率方面的研究缺乏有效的分析模型,该研究对车载分析和网络优化以及后续LTE-R的研究都具有重要意义。


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