GSM-R网络中基于位置和中继功率控制的切换优化方案

GSM-R(GSM for Railway)的可靠性和高效性引起人们的关注。列车速度的提升导致多普勒效应更严重、切换触发位置更靠后、越区切换更频繁。多普勒效应恶化接收信号质量使中断率增加;切换触发位置靠后变相缩小重叠区覆盖范围使越区切换失败率增加;频繁的越区切换进一步降低系统可靠性。因此列车速度的提升对GSM-R网络的安全性和可靠性产生重要影响。同时,我国铁路网络的不断扩展对GSM-R系统的容量提出更高的要求。本文首先对GSM-R网络传统切换策略进行建模和性能分析。随后,提出一种利用列车位置信息和中继功率控制技术的切换优化方案。在该方案中,列车到达切换位置前,利用中继站获得分集增益,提升信道容量和链路可靠性;处于切换位置时,通过中继的功率控制,保证本小区的信号满足最低通信要求,变相扩大重叠区覆盖范围的同时有利于触发切换提升切换成功率。仿真结果表明:本文提出的方案有效地提升切换成功概率和信道容量,明显改善了GSM-R系统的性能。     

高速铁路无线宽带接入方案探讨

高速铁路提升了铁路运输速度和运输能力,同时也对列车行车安全提出了更高要求,列车上的旅客通信也由传统的话音业务为主逐渐转变为以数据业务为主。为进一步提高列车通信系统能力,满足列车和旅客的通信需求,提出三层网络结构以实现列车上的宽带接入,探讨可行的实现方案,进一步分析不同接入网络之间的垂直切换。     

基于LSTM动态波束赋形的高速列车越区切换算法

高速列车越区切换参数具有较强的时空相关性，以及无线信号在不同线路地形下具有衰落差异性，这都对高性能的越区切换提出了新的挑战，针对这一问题，设计一种基于长短期记忆网络动态波束赋形的高速列车越区切换算法。提出基于LTE-R中继通信模型的高铁典型运行场景中波束无遮挡传输的基站天线高度设置规律，通过估计发射波束主瓣方向并利用参考信号接收功率序列的时间相关特性，提出eNB重叠区内天线波束增益需求预测模型；同时采用增加波束预留角策略实现联合约束条件下的高速列车越区切换。结合高速铁路典型运行场景(路堑、高架桥)的路径损耗预测模型仿真评估了算法性能。结果表明，所提算法以略微牺牲越区切换时延为代价提高了越区切换成功率，能够有效避免高速列车越区切换引起的通信中断问题。     

高速铁路宽带无线通信系统切换方案研究

作为实现宽带无线通信高可靠性的关键技术,越区切换的性能优劣将会严重影响列车的行车安全和用户体验。由于传统蜂窝小区制的通信系统已不再适用于高速铁路,对此利用分布式天线系统(distributed antenna systems,DAS)和两跳架构,构建适用于高速铁路场景的系统网络架构。针对架构中不同集中单元(central unit,CU)控制的远程天线单元(remote antenna unit,RAU)之间的频繁切换导致成功率低的问题,在考虑同频干扰和阴影衰落的条件下提出一种快速触发切换方案。当列车从当前RAU向相邻CU控制下的RAU移动时,首先为了缩短切换请求及响应的时间以及获得更高的成功率,在低于服务RAU信号质量最高时触发切换准备阶段。其次当切换请求和接入目标RAU的指令发送失败时,可通过多次重传提高重叠区的触发概率和减小切换过程中的失败概率,并与传统切换方案在切换性能指标上进行比较。研究结果表明,该网络架构的覆盖范围内具有较高的信号质量,所提出的快速切换触发方案相比于传统切换方案,可以显著提高重叠区内的切换触发概率,确保在切换范围内以更低的失败概率完成切换,并提供可靠的通信服...     

高速铁路宽带无线信道测量方法研究

高速铁路的发展要求与之配套的车地宽带无线通信系统得到相适应发展。一方面为乘客提供通信服务,除基本语音服务外,宽带数据业务的需求呈上升趋势;另一方面为保障列车安全运行,列车关键部件的大量实时状态信息需要及时传输到地面监控中心。因此,构建适应高铁环境的宽带无线接入系统势在必行。高铁无线信道模型是通信系统设计的基础,本文以高速铁路宽带无线接入为应用场景,分析高铁无线信道测量的特殊性,讨论经典信道测量方法和设备在高铁场景下的优缺点,研究了基于无线蜂窝的高铁宽带无线信道的测量方法。     

基于随机Petri网的GSM-R越区切换成功率分析

CTCS-3级列车运行控制系统利用GSM-R网络进行车地间连续、双向的安全信息传输。而GSM-R系统采用硬切换技术,切换时必然会产生短暂的通信中断,这就会影响列车控制类数据传输业务。为保证安全数据传输的可靠性,迫切要求更短的切换时间和更高的切换成功率。对此,建立GSM-R系统越区切换的随机Petri网模型,分析影响越区切换成功率的因素,并利用MATLAB仿真得到列车运行速度、越区切换中断时间以及列车追踪间隔与越区切换成功率的关系;最后说明列车在350 km/h和430 km/h速度下运行时,越区切换成功率是否满足CTCS-3级系统需求标准要求。     

基于实时动态迟滞的LTE-R切换算法优化研究

现行的的LTE-R切换算法在进行切换时采用固定的切换迟滞,或者对列车速度进行分级,进而调节动态迟滞,只做到了"局部动态",这意味着确定更准确的切换触发点是一个关键问题。首先,为了切换方案的顺利提出,根据实际信道模型对LTE-R网络重叠覆盖区的过渡区段、切换区段的距离作了理论的推导;然后,为了提高高速环境下的切换成功率,优化系统性能,提出基于实时动态迟滞的越区切换优化算法,先利用乒乓切换率和链路失效率等指标得到不同速度下的切换迟滞值,之后利用最小二乘法得到列车速度与切换迟滞的最佳函数匹配。仿真结果表明,相比于现行的切换算法,改进算法具有更高的切换成功率,佐证了所提出的方案比现行方案能更有效地触发切换。     

基于速度动态函的LTE-R越区切换优化算法

传统的LTE-R越区切换算法,采用固定切换迟滞门限和延迟触发时间的切换算法。但是当列车高速运行时,切换成功率明显下降,无法满足高速铁路无线通信系统对Qo S大于99.5%的要求。通过对切换流程、测量参数、控制参数的分析,提出一种基于速度动态函数的越区切换优化算法。该算法在低速、中速、高速3种列车运行状况下,更适宜高速铁路情景切换时机的选择。仿真结果表明:基于椭圆函数的LTE-R越区切换优化算法,既保证了列车在中高速运行时,越区切换成功率有着明显提升,又避免了列车在中低速运行时,乒乓切换事件频率过高。     

一种基于车载双天线的GSM-R冗余网络无缝切换方案

随着铁路现代化的发展,列车运行速度逐渐增加,由此导致列车在穿越GSM-R网络小区的过程中需要频繁地执行越区切换操作。由于GSM-R网络先断后连的硬切换方式必然造成切换过程中存在通信中断等问题,对行车造成一定的安全隐患。传统的切换优化方法仅针对单层网络中移动台越区切换过程进行改进,忽视了GSM-R系统现有的冗余网络配置特点。本文提出一种将GSM-R双层冗余网络中的不同基站组成一个为列车服务的虚拟小区,并采用车载双天线与虚拟小区进行协作通信的方案,以充分利用冗余网络配置特点,从而实现列车穿越小区过程中完成无缝切换操作。仿真结果表明:所提出的方案使切换中断率明显降低,为列车的安全运行提供了可靠保证。     

考虑随机需求的高铁快递运输计划优化方法

为了充分利用高速铁路非高峰期的列车运输能力,提升高速铁路运营的经济效益,研究载客动车组客货共运模式下的高铁快递运输计划优化问题。首先,考虑高铁快递运输需求的时效性与随机性,以最大化高铁快递运营企业期望总利润为优化目标,同时满足列车运输能力、车站装卸效率、标准箱到发量守恒等约束,构建高速铁路快递运输计划优化的2阶段随机规划模型。在第1阶段,以最大化高铁快运期望总利润为目标,确定各列车的运输能力分配计划;在第2阶段,根据第1阶段获得的列车运输能力分配计划,确定随机需求场景下的高铁快递实际装运方案,使该场景下的运营收益达到最大。其次,基于蒙特卡洛模拟随机生成需求场景,采用反向消减算法(BRA)将2阶段随机规划模型转化为包含有限场景数的确定性整数线性规划模型,从而调用商业求解器GUROBI进行求解。最后,以宁杭高速铁路为背景进行算例分析,验证模型和算法的有效性。结果表明,相较于基于确定性需求得到的运输计划,利用随机规划方法得到的方案更能适应需求的随机性,从而达到更好的盈利效果,同时可以兼顾服务水平与企业收益,适用于实际运营中高铁快递运输计划的设计与优化。     

一种基于预测和提前认证的机车越区切换方案

基于通信技术的列车控制CBTC(Communication-Based Train Control)系统是城市轨道交通信号系统的主流发展方向。WLAN自身所拥有的优势使其在CBTC系统中得到应用,其中存在的安全问题也成为研究热点。本文在对应用于CBTC系统中的无线局域网络链路层的越区切换具体过程进行深入研究的基础上,将一种基于混合Markov预测模型的WLAN越区切换机制应用于CBTC系统中,并用NS2仿真软件对该方案进行仿真,与一般硬切换过程相比较表明,该方案缩短了时间延迟,保证了列车在高速运行的情况下车地通信的实时性,并且在一定程度上减少了整个CBTC的工程造价。     

基于LTE的城市轨道交通综合业务承载应用研究

通过对LTE(长期演进)应用原理的描述及LTE综合承载业务需求分析,介绍了采用基于LTE技术的1.8 GHz双网(15 MHz+1.4 MHz)城市轨道交通车地无线宽带网络,来综合承载CBTC(基于通信的列车控制)、乘客信息系统、闭路电视业务和列车状态监视业务的方案。针对方案中可能存在问题提出了一套测试方案,通过测试验证了方案的可行性。测试方案验证了主备TAU(车载接入单元)能够通过车载乘客信息系统二层网络实现主备切换,且列车头尾TAU的VRRP(虚拟路由冗余协议)心跳数据不影响车载二层网络业务,通信TAU头尾切换时的业务数据对信号TAU的CBTC业务没有影响;验证了LTE综合承载网方案的可行性,为后续项目实施提供了可靠依据。     

基于SPN的越区切换模型分析

CTCS-3列车运行控制系统是中国列车控制系统(CTCS)的重要组成部分之一,它采用GSM R实现地面一列车间连续、双向的安全信息的无线传输.对于GSM-R而言,移动台的越区切换必然引起通信连接的暂时中断.由于安全数据传输直接影响行车安全,为保证其传输的可靠性,必然要求更短的切换时间和更高的切换成功率.本文研究安全数据通信在越区切换时的传输可靠性,并对越区切换过程进行随机Petri网的建模和分析.给出列车速度与越区切换成功率的关系,以及列车在350km/h的速度下,越区切换时间与越区切换成功率之间的关系.最后,本文将分析结果与CTCS-3需求标准进行了比较,说明其可以满足要求.     

CBTC越区切换中断时间分析

基于通信的列车控制(CBTC)系统采用IEEE802.11标准作为无线通信传输协议。根据IEEE802.11标准中规定的越区切换流程,采用移动通信系统越区切换中断时间的计算方法,推导出越区切换中断时间与列车运行速度的关系表达式。采用此关系表达式进行理论计算的结果显示,在发射功率为17 dBm,发射和接收天线增益均为10 dB,发射与接收端损耗均为5 dB的条件下,典型行车速度为50,70,90 km.h-1时,越区切换中断时间应分别控制在224,160和124 ms以内才能够保证通信持续正常。建立2列列车追踪运行模型,仿真不同越区切换中断时间的后车运行曲线。仿真结果显示:列车以25 m.s-1(90 km.h-1)的速度行驶时,越区切换中断时间在130 ms以内能够满足列车通信的需求;验证了CBTC越区切换中断时间与列车行驶速度的关系表达式是合理的。     

基于协作多agent机制的高速LTE-R无线网络覆盖与容量优化算法研究

为应对由于列车运行速度快而引起的通信环境恶化的现象,进一步提升高速铁路沿线覆盖与容量性能,保证列车用户在通信需求方面获得持续的优质体验,覆盖与容量优化成为LTE-R网络的一个重点研究方向。基于高速铁路环境中基站与列车位置信息可预测的优势,在传统单一调节天线下倾角的FQL算法的基础上,引入协作多agent机制,提出协作多agent FQL算法,使得LTE-R无线网络频谱效率和吞吐量性能得以提升和优化。同时通过对频谱效率CDF曲线的仿真表明随着列车运行速度的不断提高,算法对无线网络整体性能的提升越加明显,证明了在高速场景下本算法的有效性。     

高速列车追踪接近预警系统

温州"7.23"特大高铁追尾事故暴露出我国高速列车避撞预警技术所存在的问题和不足。本文对比当前交通领域已有的避撞预警系统(航空交通预警和避撞系统TCAS/ADS-B、船舶自动识别系统AIS、列车避撞预警系统RCAS)的技术特点、定位方法、通信方法及预警逻辑,分析中国高速铁路列车追踪预警避撞系统的功能需求,提出一种适合我国高速铁路的追踪预警系统方案。     

基于SPN的LTE-R无线通信可靠性建模与分析

LTE-R是下一代高速铁路无线通信系统,开展对LTE-R通信可靠性的分析具有重要的现实意义。基于随机Petri网建立了LTE-R无线通信可靠性评价模型,采用TimeNET仿真工具对LTE-R可靠性进行了定量分析,并与朔黄重载铁路LTE-R线路实测结果进行了对比,验证了本文建立的LTE-R可靠性模型的有效性。结果表明,当列车运行速度在350 km/h时,LTE-R越区切换成功率为99.913 7%,高于GSM-R无线通信的QoS指标要求。最后得到了采用2.6 GHz高频段和800 MHz低频段的越区切换率都随着列车车速的增加而呈现下降趋势的结论。研究结果为列车提速及LTE-R演进提供了一定的理论参考依据。     

基于SPN的CTCS无线通信形式化建模与分析

CTCS-4列车运行控制系统是基于无线通信传输信息的系统,其无线通信系统是一个动态、复杂的分布式系统,正确的形式化验证对于其性质和最终实现具有重要意义。本文主要考虑高速列车在移动闭塞区间条件下CTCS无线通信的形式化建模和可靠性分析,建立随机Petri网(SPN)表示的CTCS无线通信机制模型和列车与无线闭塞中心通信的GSM-R故障恢复模型,给出对通信故障定位的表示方法,并采用TimeNET仿真工具对GSM-R通信系统的可靠性进行分析得出相应结论。分析结果表明,列车在500 km/h的速度下,越区切换成功概率为99.45%,连接丢失概率为10-2/h。最后,本文将分析结果与GSM-R的技术标准进行比较,说明其可靠性满足规范要求。     

基于通信的列车控制系统越区切换算法研究

无线局域网是城市轨道交通CBTC(基于通信的列车控制)系统车地通信的主要方式之一.在考虑轨旁接入点冗余的基础上,提出一种频率组合切换算法,将检测到的频率数目作为列车越区切换的判断依据,利用邻居图使切换时延满足列车服务质量的要求.与传统切换算法相比,该算法实现简单、切换时延小,能够确保车地通信网络可靠快速切换.     

基于WCDMA的高铁宽带无线信道测量方法研究

随着高速铁路的发展,高速铁路车地间的通信数据越来越多,因此迫切需要建立新一代高速铁路宽带无线接入系统。信道特性是无线通信系统设计的基础,传统无线通信系统的信道测量方法很难或不适合用于高铁场景下的信道测量。本文研究一种基于现有蜂窝网络WCDMA的高铁宽带无线信道在途测量方法,并以Sora(Soft Radio)软件无线电平台为基础,通过应用开发与硬件扩展,改制了一种低成本、便携式信道测量仪MSounder(Mobile Sounder)。通过射频矢量信号发生器、信道衰落模块和MSounder搭建的无线信道测量半实物仿真平台进行校准测试,测试结果与预设信道模型相匹配。该方法可用于高铁无线信道的实际测量与模型建立。