GSM-R多普勒效應與切換掉話分析及車載分析系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來，我國鐵路發(fā)展迅速，截止至2015年，我國高速鐵路運營里程將達到1.8萬km。在如此龐大規(guī)模的高鐵線路中，網絡通信技術成為保障高鐵安全穩(wěn)定運行的重要一環(huán)?，F(xiàn)有的用于高鐵無線數(shù)據傳輸?shù)木W絡是GSM-R(GSM for Railway)網絡，它基于成熟的GSM網絡，增加了調度通信功能、鐵路特有的調度業(yè)務等來滿足鐵路專用調度通信要求，是現(xiàn)代高速鐵路列車運行控制的重要通信平臺。因此在各國高速列車運行管理中，高鐵無線網絡運行狀態(tài)的實時監(jiān)測都

2、是關鍵技術之一，受到業(yè)界的極大關注。我國高速鐵路的飛速發(fā)展，更是亟待能實時監(jiān)測GSM-R網絡狀態(tài)并能智能分析的系統(tǒng)。
　　本論文按國家科技計劃項目的要求，在深入分析列車高速移動對高鐵無線網絡多普勒效應、頻繁越區(qū)切換和誤碼及掉話率的影響等通信機制的基礎上，理論結合工程實際，設計實現(xiàn)了一套具有包括車載GSM-R運行數(shù)據采集、層二層三信令解析、運行數(shù)據統(tǒng)計與運行參數(shù)關聯(lián)分析、故障分析與初步預警等軟硬件系統(tǒng)，通過相關高鐵干線的實測，已基本

3、達到了設計要求。針對高鐵無線網絡持續(xù)通信可靠性在高鐵領域中的重要意義，本論文結合在高鐵干線中的實測運行數(shù)據，對無線網絡快速有效的切換算法及相關參數(shù)優(yōu)化進行了研究，并對未來鐵路無線網絡將向LTE-R（LTE for Railway）網絡過渡的相關問題作了討論。主要內容有:
　　1、針對我國高鐵無線網絡安全運維管理急需和國家科技計劃項目要求，設計了一套車載GSM-R運行數(shù)據采集與分析及初步預警系統(tǒng)，通過對GSM-R無線模塊底層二進制碼

4、的層二和層三信令深入解析和構建數(shù)據庫，實現(xiàn)了符合列車運維業(yè)務的無線網絡運行參數(shù)查詢系統(tǒng)，該系統(tǒng)在具有高鐵無線網絡數(shù)據的實時采集與存儲功能的同時，還需要有參數(shù)的相關性等智能分析功能，為無線網絡的故障分析和初步預警提供輔助決策依據，這也是本論文后續(xù)在高速移動對高鐵無線網絡多普勒效應、頻繁越區(qū)切換和誤碼及掉話率的影響等通信機制方面進行重點研究的應用背景。
　　2、研究了高速運動狀態(tài)下多普勒效應對高鐵無線網絡誤碼率的影響。從單基站、多基站

5、情況下列車直行過程中的多普勒頻移分析、到曲線行駛過程中的頻移分析，推導出了具體的定量頻移公式，獲得了行車過程中的頻偏變化規(guī)律，并對多普勒頻偏校正方法進行了分析，提出了一種多普勒頻偏補償誤差計算方法。然后在不考慮氣候地形等因素條件下，本文構建了GSM-R網絡無線信道傳輸誤碼率仿真模型，利用matlab的simulink工具箱對高速列車行駛過程中數(shù)據傳輸誤碼率變化進行了仿真，發(fā)現(xiàn)靠近基站時，多普勒頻偏值會減小，誤碼率呈震蕩減小的趨勢，該趨勢

6、得到某高鐵線路實測數(shù)據的支持，而且通過對比基站與鐵軌距離不同時的情況，得出基站距鐵軌越遠，低誤碼率區(qū)越大，為基站選址提供了依據。已有的誤碼率方面的研究都未結合實測數(shù)據進行分析，該研究彌補了這方面的空缺，對實現(xiàn)高速鐵路GSM-R無線網絡車載分析系統(tǒng)的話音等參量分析內容起到了指導作用。
　　3、通過對高速鐵路無線網絡中的越區(qū)切換算法進行研究，提出了一種基于多普勒效應的快速切換算法。當多普勒頻偏值為負而且服務小區(qū)的電平值與鄰小區(qū)電平值之

7、差大于一定閾值時網絡執(zhí)行切換，該閾值由多普勒頻偏值進行調節(jié)。該算法的有效性通過與傳統(tǒng)切換算法進行比較得到驗證，對比參數(shù)包括切換次數(shù)、平均切換時延和平均掉話次數(shù)，仿真結果表明，在對數(shù)正態(tài)衰落環(huán)境下，該算法能有效避免網絡中的乒乓切換效應，并能減少網絡平均切換時延與掉話次數(shù)。切換分析模型以及本文提出的切換算法有效性得到了某高鐵線路實測數(shù)據的支持。已有的切換算法方面的研究都未能有效避免乒乓切換效應的發(fā)生，而乒乓切換在高速移動環(huán)境下是一個非常重要

8、的現(xiàn)象，該研究對構建高速鐵路GSM-R無線網絡車載分析系統(tǒng)的切換分析內容起到了指導作用。
　　4、在不考慮多普勒頻移對網絡掉話率影響的前提下，通過對高速鐵路網絡環(huán)境下由于越區(qū)切換引起的網絡掉話率情況的分析，得出不同位置的越區(qū)切換概率，從而獲得不同位置的掉話概率，提出了一種掉話率分析模型。在理論分析的基礎上，通過對高鐵GSM-R和LTE-R網絡進行了掉話率對比仿真，發(fā)現(xiàn)LTE-R網絡的掉話率相比GSM-R網絡減小了29.23％;通過

9、對不同列車穿透損耗下的掉話率進行對比仿真，發(fā)現(xiàn)穿透損耗越大，掉話率越高，24dB的穿透損耗下掉話率達到了0.8％;通過對不同運行速度下的網絡掉話率對比仿真，發(fā)現(xiàn)列車運行速度越高，網絡掉話率越高，LTE-R網絡下540km/h相比60km/h的掉話率提高了151.56％;通過對基站故障情況下的網絡掉話進行仿真，發(fā)現(xiàn)基站正常時的平均掉話率僅為基站故障后平均掉話率的36.3％。已有的掉話率方面的研究缺乏有效的分析模型，該研究對車載分析和網絡優(yōu)