GSM-R多普勒效應(yīng)與切換掉話(huà)分析及車(chē)載分析系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)鐵路發(fā)展迅速，截止至2015年，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到1.8萬(wàn)km。在如此龐大規(guī)模的高鐵線(xiàn)路中，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)成為保障高鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán)?，F(xiàn)有的用于高鐵無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)是GSM-R(GSM for Railway)網(wǎng)絡(luò)，它基于成熟的GSM網(wǎng)絡(luò)，增加了調(diào)度通信功能、鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù)等來(lái)滿(mǎn)足鐵路專(zhuān)用調(diào)度通信要求，是現(xiàn)代高速鐵路列車(chē)運(yùn)行控制的重要通信平臺(tái)。因此在各國(guó)高速列車(chē)運(yùn)行管理中，高鐵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)都

2、是關(guān)鍵技術(shù)之一，受到業(yè)界的極大關(guān)注。我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，更是亟待能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并能智能分析的系統(tǒng)。
　　本論文按國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目的要求，在深入分析列車(chē)高速移動(dòng)對(duì)高鐵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多普勒效應(yīng)、頻繁越區(qū)切換和誤碼及掉話(huà)率的影響等通信機(jī)制的基礎(chǔ)上，理論結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套具有包括車(chē)載GSM-R運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、層二層三信令解析、運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)分析、故障分析與初步預(yù)警等軟硬件系統(tǒng)，通過(guò)相關(guān)高鐵干線(xiàn)的實(shí)測(cè)，已基本

3、達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。針對(duì)高鐵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)通信可靠性在高鐵領(lǐng)域中的重要意義，本論文結(jié)合在高鐵干線(xiàn)中的實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速有效的切換算法及相關(guān)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，并對(duì)未來(lái)鐵路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將向LTE-R（LTE for Railway）網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡的相關(guān)問(wèn)題作了討論。主要內(nèi)容有:
　　1、針對(duì)我國(guó)高鐵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)維管理急需和國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)了一套車(chē)載GSM-R運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與分析及初步預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)GSM-R無(wú)線(xiàn)模塊底層二進(jìn)制碼

4、的層二和層三信令深入解析和構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了符合列車(chē)運(yùn)維業(yè)務(wù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)查詢(xún)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在具有高鐵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)功能的同時(shí)，還需要有參數(shù)的相關(guān)性等智能分析功能，為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的故障分析和初步預(yù)警提供輔助決策依據(jù)，這也是本論文后續(xù)在高速移動(dòng)對(duì)高鐵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多普勒效應(yīng)、頻繁越區(qū)切換和誤碼及掉話(huà)率的影響等通信機(jī)制方面進(jìn)行重點(diǎn)研究的應(yīng)用背景。
　　2、研究了高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下多普勒效應(yīng)對(duì)高鐵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)誤碼率的影響。從單基站、多基站

5、情況下列車(chē)直行過(guò)程中的多普勒頻移分析、到曲線(xiàn)行駛過(guò)程中的頻移分析，推導(dǎo)出了具體的定量頻移公式，獲得了行車(chē)過(guò)程中的頻偏變化規(guī)律，并對(duì)多普勒頻偏校正方法進(jìn)行了分析，提出了一種多普勒頻偏補(bǔ)償誤差計(jì)算方法。然后在不考慮氣候地形等因素條件下，本文構(gòu)建了GSM-R網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸誤碼率仿真模型，利用matlab的simulink工具箱對(duì)高速列車(chē)行駛過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸誤碼率變化進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)靠近基站時(shí)，多普勒頻偏值會(huì)減小，誤碼率呈震蕩減小的趨勢(shì)，該趨勢(shì)

6、得到某高鐵線(xiàn)路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持，而且通過(guò)對(duì)比基站與鐵軌距離不同時(shí)的情況，得出基站距鐵軌越遠(yuǎn)，低誤碼率區(qū)越大，為基站選址提供了依據(jù)。已有的誤碼率方面的研究都未結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該研究彌補(bǔ)了這方面的空缺，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速鐵路GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)車(chē)載分析系統(tǒng)的話(huà)音等參量分析內(nèi)容起到了指導(dǎo)作用。
　　3、通過(guò)對(duì)高速鐵路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的越區(qū)切換算法進(jìn)行研究，提出了一種基于多普勒效應(yīng)的快速切換算法。當(dāng)多普勒頻偏值為負(fù)而且服務(wù)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(shí)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行切換，該閾值由多普勒頻偏值進(jìn)行調(diào)節(jié)。該算法的有效性通過(guò)與傳統(tǒng)切換算法進(jìn)行比較得到驗(yàn)證，對(duì)比參數(shù)包括切換次數(shù)、平均切換時(shí)延和平均掉話(huà)次數(shù)，仿真結(jié)果表明，在對(duì)數(shù)正態(tài)衰落環(huán)境下，該算法能有效避免網(wǎng)絡(luò)中的乒乓切換效應(yīng)，并能減少網(wǎng)絡(luò)平均切換時(shí)延與掉話(huà)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(xiàn)路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(yīng)的發(fā)生，而乒乓切換在高速移動(dòng)環(huán)境下是一個(gè)非常重要

8、的現(xiàn)象，該研究對(duì)構(gòu)建高速鐵路GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)車(chē)載分析系統(tǒng)的切換分析內(nèi)容起到了指導(dǎo)作用。
　　4、在不考慮多普勒頻移對(duì)網(wǎng)絡(luò)掉話(huà)率影響的前提下，通過(guò)對(duì)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下由于越區(qū)切換引起的網(wǎng)絡(luò)掉話(huà)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(huà)概率，提出了一種掉話(huà)率分析模型。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)高鐵GSM-R和LTE-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了掉話(huà)率對(duì)比仿真，發(fā)現(xiàn)LTE-R網(wǎng)絡(luò)的掉話(huà)率相比GSM-R網(wǎng)絡(luò)減小了29.23％;通過(guò)

9、對(duì)不同列車(chē)穿透損耗下的掉話(huà)率進(jìn)行對(duì)比仿真，發(fā)現(xiàn)穿透損耗越大，掉話(huà)率越高，24dB的穿透損耗下掉話(huà)率達(dá)到了0.8％;通過(guò)對(duì)不同運(yùn)行速度下的網(wǎng)絡(luò)掉話(huà)率對(duì)比仿真，發(fā)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行速度越高，網(wǎng)絡(luò)掉話(huà)率越高，LTE-R網(wǎng)絡(luò)下540km/h相比60km/h的掉話(huà)率提高了151.56％;通過(guò)對(duì)基站故障情況下的網(wǎng)絡(luò)掉話(huà)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)基站正常時(shí)的平均掉話(huà)率僅為基站故障后平均掉話(huà)率的36.3％。已有的掉話(huà)率方面的研究缺乏有效的分析模型，該研究對(duì)車(chē)載分析和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)