超寬帶無線通信技術(shù)在軌道交通車地通信系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、安全和高速是城市軌道交通系統(tǒng)追求的兩大目標(biāo)。軌道交通系統(tǒng)能否安全有效運(yùn)行，在很大程度上，取決于其運(yùn)行控制系統(tǒng)的性能。我國現(xiàn)有的基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)TBTC(Trackcircuit Based Train Control)，雖然在保障行車安全、提高行車效率方面發(fā)揮了巨大作用，但由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，對(duì)傳輸介質(zhì)有較大的依賴性，難以實(shí)現(xiàn)列車與地面之間大量信息的雙向、實(shí)時(shí)傳輸。因此不能滿足現(xiàn)代軌道交通中列車運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)通信的要求。而基于

2、通信的列車控制系統(tǒng)CBTC(Communication Based Train Control)，，利用其不依賴于軌道電路的高精度的列車定位技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向連續(xù)、大容量的車地?cái)?shù)據(jù)通信，正成為當(dāng)今軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 超寬帶(Ultra WideBand，UWB)無線電技術(shù)具有帶寬極寬、抗窄帶干擾能力強(qiáng)、多徑分辨力高、功耗小成本低等眾多特有的優(yōu)點(diǎn)，成為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Ы鉀Q方案，可以廣泛地應(yīng)用于高速多媒體無線通信、高

3、精度定位、雷達(dá)、監(jiān)測(cè)、控制、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的理論研究?jī)r(jià)值，是近年來通信領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。因此本文立足于將UWB技術(shù)作為城市軌道交通CBTC中無線通信解決方案，研究其應(yīng)用于CBTC中的若干問題。 論文第二章首先分析了目前常用的UWB脈沖的波形特點(diǎn)和頻譜特點(diǎn)，常用的調(diào)制方案；然后結(jié)合CBTC系統(tǒng)的通信要求及特點(diǎn)，即收發(fā)電路要求盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)UWB脈沖的成形特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出將Rayleigh脈沖作

4、為研究對(duì)象，選取一組基函數(shù)，通過線性組合產(chǎn)生UWB脈沖的新算法。仿真結(jié)果表明，該算法產(chǎn)生的UWB脈沖的功率譜密度非常接近FCC規(guī)范，充分利用了FCC定義的頻譜范圍，且在AWGN信道下利用該脈沖進(jìn)行TH—PPM調(diào)制后的單鏈路性能和多用戶性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的二階高斯脈沖的性能。 第三章深入研究了UWB路徑損耗模型和多徑信道模型，對(duì)UWB信號(hào)傳播鏈路進(jìn)行預(yù)算，得出數(shù)據(jù)傳輸速率與最大傳輸距離之間的關(guān)系。根掘?qū)崪y(cè)信道的數(shù)據(jù)選擇信道模型參數(shù)進(jìn)行

5、信道仿真；對(duì)M-PPM與M-PAM信號(hào)分別進(jìn)行了鏈路預(yù)算，分析數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)制方式與通信距離之間的關(guān)系；針對(duì)CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)的信道特點(diǎn)，提出IEEE802.15.3a室內(nèi)多徑信道模型中CM4信道環(huán)境能夠適用，并給出了該信道的具體實(shí)現(xiàn)。 第四章在深入研究多徑信道下Rake接收機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與性能的基礎(chǔ)上，針對(duì)CBTC車地通信系統(tǒng)要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較高的系統(tǒng)可靠性、較低的接收機(jī)復(fù)雜性，并且由于通信終端高速移動(dòng)，造成信

6、道多徑及頻率選擇性快衰落現(xiàn)象更加嚴(yán)重，接收信號(hào)存在明顯的ISI干擾等特點(diǎn)。提出采用改進(jìn)的差分相關(guān)接收機(jī)來替代Rake接收機(jī)，利用插入在數(shù)據(jù)符號(hào)前的確知參考比特的接收波形，作為接收機(jī)的模板信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行差分相關(guān)接收，不需要對(duì)嚴(yán)重多徑信道的參數(shù)進(jìn)行精確地跟蹤和估值，節(jié)省了運(yùn)算判決的時(shí)間，降低了接收機(jī)的復(fù)雜性；同時(shí)在差分相關(guān)接收機(jī)前增加時(shí)域均衡器，以消除接收信號(hào)中的ISI干擾。仿真結(jié)果表明這種時(shí)域均衡器加差分相關(guān)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)明顯改善了嚴(yán)

7、重多徑信道環(huán)境下的接收機(jī)性能。 第五章分析目前常用的列車定位方式的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)，提出對(duì)列車定位技術(shù)的要求：定位精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。研究?jī)煞N應(yīng)用較為廣泛的UWB定位方法：TOA和TDOA定位方式，發(fā)現(xiàn)其在傳輸速率、安全性和定位精度上，完全能夠滿足CBTC的需求。兩種定位方法的缺點(diǎn)是都需要精確的距離估計(jì)，運(yùn)算量較大。因此提出通過改進(jìn)UWB接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，快速完成TOA的估算，以提高定位運(yùn)算的速度，同時(shí)