（通信与信息系统专业论文）gprs在高速环境下的适应性分析.pdf

| 立交堑塞堂亟堂僮 虫塞撞鼍 中文摘要 摘要：“十一”五期间，我国将建设时速2 5 0 k m h 以上的客运专线，并采用 g s m r g p r s 作为通信方式。g p r s 在我国首次应用于铁路列调，g p r s 能否适应 高速环境，尚无定论。本文对g p r s 在高速环境下的适应性进行了分析。从多普 勒频移和小区重选两个方面入手，对g p r s 的性能进行评估，并提出适应高速环 境的改进方案，为推动g s m r g p r s 的迸一步发展提供依据。 文章首先介绍了高速铁路的发展概况和g p r s 在铁路中的应用情况，阐述了本 文的研究意义及主要内容； 第二部分分析多普勒频移对g p r s 的影响。 研究了多普勒频移以及g p r s 本身的抗误码性能； 设计测试案例，利用信道模拟机模拟高速环境下的多普勒频移，设置不同 多普勒频移值，测试g p r s 丢包率。 列车高速运行时小区重选会造成频繁的数据中断，第三部分围绕这个问题展开 研究： 根据g p r s 的相关规范，深入分析了g p r s 的小区重选的机理，并推导出 了小区重选时长的理论值； 在设计的测试平台上对小区重选进行实测，对测试结果进行计算和分析， 得出小区重选造成的数据中断时长； 针对高速环境，分析小区重选对g p r s 造成的影响： 从采用网络控制的小区重选、为网络配置p b c c h 、冗余覆盖方式、重叠 区设置等角度提出g p r s 适应高速环境的改进方案。 最后对全文进行总结，当列车速度为5 0 0 k m h ，即多普勒频移达到4 1 7 h z 时， g p r s 的丢包率为1 3 9 3 ，较之静止的列车，丢包率上升了1 1 个百分点；采用改 善方案后高速环境下小区重选过程中g p r s 的性能得到了很大改善。g p r s 仅用于 传送非安全数据，认为g p r s 可以满足铁路调度通信的需求。提出本论文以后应 继续研究的重点内容。 关键词：g s m r ；g p r s 小区重选；多普勒频移 分类号：t n 9 2 9 5 哀窑蝗厶堂亟生僮旦s ! 丛! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h e1 1 t hf i v ey e a rs t r a t e g y ，o u rc o u n t r yw i l lc o n s t r u c tt h ed e d i c a t e p a s s e n g e rl i n ew h i c h i sa b o v es p e e d2 5 0 k m h ，a n dw i l lu s eg s m r g p r st ot a k et h e m a i l i n ga d d r e s s g p r si st h ef i r s tt i m et oa p p l yi n 强i l w a yt r a f f i cc o n t r o li no u rc o u n t r y ， w h e t h e rg p r sa d a p t st h eh i g hs p e e de n v i r o n m e n t ，s t i l ld i dn o th a v et h ec o n c l u s i o n t h e m a i nb o d yo ft h ea r t i c l eh a sb e e nc a r r i e do u tt h eg p r sa d a p t a b i l i t yu n d e rh i g hs p e e d e n v i r o n m e n t o b t a i nf r o mt w oa s p e c t so ft h ec e l lr e s e l e c t i o na n dt h ed o p p l e r - s h i f t ，a r e i np r o g r e s st ot h eg p r sp e r f o r m a n c ee s t i m a t e ，b r i n gf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n ts c h e m e b e i n ga d j u s t e dt oh i g h s p e e de n v i r o n m e n t ，p r o v i d ea b a s i st od r i v i n gt h eg s m r g p r s g o i n g a s t e pf u r t h e rt od e v e l o p t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dg e n e r a ld e v e l o ps i t u a t i o no fh i g l ls p e e dr a i l w a y ，t h e a p p l yc o n d i t i o no fg p r si nr a i l w a y ，t h e nd r a w no u tt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dt h e c o n t e n to ft h i sa r t i c l e ； t h es e c o n dp a r ta n a l y s e dt h ee f f e c tt og p r sb yd o p p l e r - s h i f t r e s e a r c ht h ed o p p l e r - s h i f ta n dt h ep e r f o r m a n c eo fg p r sa n t i h a r mc o d e ； d e s i g nt e s tc a s e u s i n gt h ec h a n n e ls i m u l a t o rs i m u l a t e dd o p p l e r - s h i f tu n d e r h i 曲s p e e de n v i r o n m e n t ，b ye s t a b l i s h m e n td i f f e r e n tv a l u eo fd o p p l e r - s h i f t ， t e s t st h ep a c k a g el o s er a t eo fg p r s ； f r e q u e n ti n t e r r u p ti sc a u s e db y c e l lr e s e l e c t i o nw h i l et h et r a i nd r o v ei nh i g h s p e e d ， t h et l l i r dp a r ti sr e s e a r c ha r o u n dt h i sp r o b l e m ： a c c m d i n g t ot h e s p e c i f i c a t i o n o fg p r s a n a l y s et h ec e l lr e s e l e c t i o n m e c h a n i s m ，a n dw o r ko u tt h et i m e - l o n go fc e l lr e s e l e c t i o n ； t e s tt h ec e l lr e s e l e c t i o n ，c a l c u l a t ea n da n s l y s et h et e s tr e s u l t ，g o tt h et i m e - l o n g o fc e l lr e s e l e c t i o n ； c o n t r a p o s e t ot h eh i g hs p e e de n v i r o n m e n t , a n a l y s et h ee f f e c to fg p r sb yc e l l r e s e l e c t i o n ； b r i n go u ts e v e r a li m p r o v et a c t i c s s u c ha s u s et h en e t w o r kc o n t r o l l e dc e l l r e s e l e c t i o n ，s e tp b c c hf o rn e t w o r k , r e d u n d a n c ec o v e rs t y l e a tt h el a s tc a r r i e so nt h es u m m a r yt ot h ef u l lt e x t ，w h i l et h et r a i ni si ns p e e d 5 0 0 k m h ( t h ed o p p l e r - s h i f ti s4 1 7 h z ) ，t h ep a c k a g el o s er a t eo fg p r s i s1 3 9 3 ， c o m p a r e dw i t ht h et r a i nw h i c h i ss t i l l n e s s ，t h ep a c k a g el o s er a t er a i s e da b o u t1 1 ；b y u s eo fi m p r o v et a c t i c s ，t h ep e r f o r m a n c eo fg p r si nh i g hs p e e dc e l lr e s e l e c t i o n j 塞窑通叁堂亟堂僮旦s 王丛i m u c h g p r si s j u s tu s e dt ot r a _ n s p o r tu n s a n yd a t a , g p r si sc o m p e t e n tf o rr a i l w a y t r a f f i cc o n t r 0 1 p r o p o s e dt h ep r e s e mp a p e rl a t e rw i l lb es u p p o s e dt oc o n t i n u et h ek e y c o n t e n tw h i c hw i l ls t u d y k e y w o r d s ：g s m r ：g p r s ：c e l lr e s e l e c t i o m d o p p l e r - s h i f t c l a s s n o ：1 n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，钟章队教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 钟章队老师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向钟章队老师表示衷心的谢意。 现代通信研究所的金晓军、朱刚、张小津、李旭、吴昊、蒋文怡、丁建文等 老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，马君、陈晓晨、武贵君、臧有克、黄吉莹、 王猛等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，感谢我的父亲、母亲，他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。 l 塞至堑鑫璧亟盈塞l | 主 1 1 高速铁路介缨 1 1 1 国外发展状况 1 雩l 言 ( 1 )法瀑毫速铁鼷 1 9 8 3 年，法国修熬t g v 东南线( 全长4 1 7 公里) ，巴黎囊曩昂闻旅行孵闯由 原来的3 小时5 0 分缩短到2 小时，客运量迅速增长，预期的经济效益良好。t g v 东南线的成功运营，证明离速铁路愁一静具有竞争力的现代交邋工具。1 9 8 9 年和 1 9 9 0 ，法溺又建成巴黎黧赣芒、巴黎至国尔静犬褥洋线，襄擎最高霹速这剔3 0 0 公里。1 9 9 3 年，法国第三条高速铁路t g v 北线歼通运营。北线也称北欧线，由巴 黎经里尔，穿过英吉利海峡隧道通往伦敦，并与欧洲北部比利时的布鲁塞尔、德 善的季毒袋、旖兰懿嚣嫩额黪胃+ 稷适，蔗一条重要魏国际逶道。整予在修建满速铁 路之初，就确定t g v 商速歹j j 车可在离速铁路与普通铁路上运行的技术政繁和组织 模式，所以目前法国离遮铁路虽然只有1 2 8 2 公璺，但t g v 简速列车的通行范围 已达5 9 2 1 公墨，覆盖大辫个法屋国土。根据规划，法国将在2 l 世纪鲍头l o 颦趱， 把东南线惩伟至骂奏，j 丕要修建逶离意大糕窃嚣班矛戆南部敬溯线以及卷黎至德 国斯特拉斯堡的东部欧洲线。 ( 2 )德国高速铁路 德霆熬亳速铁路搜零疆冬不踅予法国，1 9 8 8 零瞧农电秀零弓| 戆行车试验速度 突破每小时4 0 0 公里犬关，达到4 0 6 9 公里。但燎德国的实用健高速铁路麓到2 0 世纪9 0 年代初才开始修建，原因是德国客运量最集中的地区城市密布，高速公路 已经发达宠善，再修建麓速铁路显然达不到吸弓l 窍滚静量的。缀她，虽然赢逮铁 路静倪越缎无论麸东方的嚣本还是获近舔豹法舀懑经被证瞬，谴锯对发震搿速铁 路的争论还是持续了十几年。德国的高速铁路，条是1 9 9 1 罐建成通车的熙海姆 至斯图加特线：一条是1 9 9 2 年建成的汉诺威至维尔茨堡线。高速铁路上开行的i c e 藏嚣毫速剃车，簿速2 5 0 公里。1 9 9 3 年叛来，羚嚣褰速魏车瑟滋入整棼，毙德嚣 首都纳入i c e 高速运输系统。i c e 也穿过德国与瑞士的边雾，实现了苏黎士至法 兰克福等线路的国际直通运输。目静，德国正在新修柏林至汉诺威、科隆掇法兰 壳疆两条麓速铁路。 ( 3 ) 嗣本高速铁踌 韭夏銮蕉叁璺堑圭鎏塞 i 壹 日本怒世界上第一个建成实用离速铁路的蓬家。1 9 6 4 年l o 月l 尽东海遂新手 线正式舜遁营韭，高速捌车运行速纛运篓2 1 0 公獯d , 露，献零哀至大甄闻旅彳亍时 间由6 小时3 0 分缩短到3 小时。这条专门用于客运的电气化、标准轨距的双线铁 路，代表了当时世界第一流的高速铁路技术水平，标志着世界离速铁路由试验阶 段跨入了褰踅运营除毅。 东海邋新干线以奠察全、快遥、准时、舒适、运输能力大、环境污染辍、节 省能源和土地资源等优越性博得了政府和公众的支持和欢迎。东海道新干线投入 运营后，麓速列车的客遮1 拳场占有份额迅速上丹，每天平均遨邀旅客3 6 万入次， 年运输薰遮1 2 钇入次。获丽使包捂东京、穰滨、名吉蓬、大鞭等大城市簌肉的东 海道地区，原本旅客运输十分紧张的状况一下得到了缓和，也取得了预期的经济 效益。侵一度被贬为“夕阳产业”的铁路，显示出强大生命力，预示着“铁路第二个 大瓣霞”懿蕤。 1 9 7 1 年日本国会审议并通过了全国铁道新干线建设法，掀起了高速铁路建 设的浪潮。1 9 7 5 年山阳新干线通车营业，列车最高时速2 7 0 公熙；1 9 8 5 年东北新 于线通车餐妲，列车最糍时速2 4 0 公娶；1 9 8 2 年上越掰予线邋擎营逑，列窜最毫 时速2 4 0 公墨；1 9 9 7 年长野新干线邋车营韭，魏擎最高融速2 鳓公里。 1 1 。2 豳内发展策略 为满足快速增长的旅客运输需求，我国将建赢省会城市及大中城市间的快速 客运通道，客车速度目标值达到每小时2 5 0 公里及以上。 “十一纛”麓阕，孛黼将竞成客逐专线建设大约5 4 5 7 公垂。嚣兹，家沪、武广 客运专线融经启动。 截止剿2 0 2 0 年，我图计划建成并使用“四纵湖横”铁路快遴容运通道以及三个 城际快速客运系统。总熙程约1 2 刀公里。四纵：泰沪、京广、京哈( 大) 、抗州 宁波疆熊一深缓；霆横；徐建至兰翔、统簿至长沙、青岛至太琢、鬻家至鬟茨f 成 都) 。城际客运系统：坏渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区。 1 2 簖鹅在铁路巾麓应用 铁路倍恩化是铁路现代化的主要标志。移动通信网是铁路信息化各个系统的 基础，是铁路综合信息传输鲍平台。掇据我国铁路实际情况：遐输辩逯信攮务需 求耋大、稳频率资源蘩澈熬实际德琵；采雳g p r s 这种分组数攥传输方式傺为一 些非安全数据信息的传输平台，可以鼹好的利用频率资源，为铁路信息化建设提 2 j e 塞銮煎盔堂亟迨塞ii 直 供传输平台。 1 2 1 网络架构 我们在传统g p r s 网络的基础上引入了g p r s 接口服务器。g p r s 接口服务器 进行协议转换，实现各种应用数据在车地之间进行转发。同时进行数据信息的存 储。 g p r s 网络通过g p r s 接口服务器与c t c t d c s 系统的g s m r 通信服务器连 接，c t c 厂r d c s 系统通过g s m r 通信服务器与g p r s 接口服务器连接。g s m r 通信服务器与g p r s 接口服务器采用局域以太网连接方式，长距离条件下采用光 纤传输延伸局域网。 g p r s 网络与c t c 佃c s 系统都各自设置防火墙，以保证自身网络安全。 图l 一1 铁路g p r s 与c t c t d c s 系统连接方式图 f i g u r e1 - 1 r a i l r o a dg p r sa n dc t c 厂r d c ss y s t e mc o n n e c t i o nw a y 随着铁路g s m r 网络建设的推进，尤其是全国核心网已基本搭建完毕后，将 在北京设g p r s 归属接口服务器、r a d i u s 、d n s ，各路局设g p r s 接口服务器i l j 。 铁路g p r s 核心数据网络分为骨干网和本地网2 个层次。骨干网由北京、武 汉、西安3 个大区节点的骨干路由器组成，为网状连接。本地网由位于1 9 个g p r s 业务节点所在地的路由器组成。本地网节点的路由器与骨干网路由器互连。为保 证网络的可靠性，每个本地网节点的路由器应成对设置，分别接入不同的骨干网 节点。如图1 2 ： 1 2 2 业务 图l - 2 铁路g p r s 核心数据网络 f i g u l _ 2 r a i l r o a dg p r sc o md a t an e t w o r k 根据需要g p r s 将为铁路提供非安全无线数据传输业务。这其中包括：铁路 运行调度信息、铁路设施维护管理信息、旅客服务信息、其他服务信息。 目前，在青藏线试验段已经对g p r s 在铁路上的应用进行了基本测试。通过 测试结果来看，g p r s 基本能够满足铁路应用的需要。但是也要看到，针对试验段 的测试是在比较理想情况下进行的。在今后的铁路应用中，将面对更加复杂的实 际环境，如何确保g p r s 在铁路中的有效应用，将是我们面前的一个重要课题。 ( 1 )调度命令与无线车次号信息传送 行车调度信息主要包括无线车次号信息、调度命令、列尾信息、车站编组场 综合移动信息等。下面主要介绍无线车次号信息传送、调度命令传送、列尾信息 传送几个业务。 根据铁道部相关规范无线车次号信息传送系统由g s m r 数字移动通信网、监 控数据采集处理装置、g s m r 机车综合通信设备、g p r s 接口服务器、c t c t c d s 设备等组成。 ( 2 ) 客车运行安全监控系统( t c d s ) 利用g p r s 移动通信技术，将客车运行、供电状态实时传送到地面基地监测 系统，全程监测客车的运行安全。列车运行状态查询系统，利用g p r s 的方式， 将机车监控装置，t a x 箱的机车运行状态监测、机车走行部监测信息实时传送到 地面，全程监测机车的运行安全。 ( 3 ) 移动售票系统 4 錾夏窑建叁黧返圭逢塞 i 壹 基予o s m - r g p r s 的铁路综合僚息无线接入平台的出现，使在列车上党成的 移动售票变隽可魏。程列车上乘客w 苏逶过售票终端完成客聚餐诲、订票、魏票 以及补票业务，再通过练合信息无线接入平台将容票信息实时传送到地面上的票 务中心，及时更新客票信息。 ( 4 ) z 务羲遒动态簸溅系统 通过机车综合无线通信设备将轨道动态监测装置监测到的轨道晃动信怠采用 g p r s 的方式发送到地两服务器，可以实时掌握线路轨道的信息。有效地避免安全 黪患。 ( 5 ) 旅客信息传输系统 通过擎上的接入服务器采用g p r s 的方式岛地面服务器相连，为旅客提供 i n t e r a c t 等增值服务。旅客在列车上鬻耍上网时，w 以通过列率内部局域网接入到 车主兹接入服务器，接入羧务器逶遘g p r s 懿方式鸯缝瑟鼹务纂涟簇，获取i n t e m e t 资源。 1 2 。3 g p r s 在国乡| 、铁路的应j l l 状况 在欧洲g s m r 标准体系中并没宵将g p r s 技术应用到铁路通信中。我豳铁路 先于欧洲发展基于g s m r 的g p r s 业务，是根据运输对通信业务需求量大、但频 率瓷添紧张瓣实嚣清嚣疆逑纷戆技术决策。 中国铁路先于欧洲缎展基于g s m r 的g p r s 北务是一项开拓性的工作。在我 国铁路使用g p r s 之前，在铁路应用方面没有成功的经验可以借鉴。这就需鬻我 锭将g p r s 冠我国铁爨翡实际应用穗绩会、不翳溅谯像g p r s 嬲路、寻找令合 理的应用方案、构建一个台理高效的铁路综合信感无线接入平裔，使g p r s 网络 满足我国铁路对数据通信的要求，促进铁路信息化的快速发展。 l 。3 本深题研究的意义 为满足快速增长的旅客运输需求，我国建立省会城市及犬中城市间的快速客 运逶遂，以及嚣滋海缝嚣、长江三翅溯逢区、臻泼三费潮： l 羹嚣三令城嚣莰遮客运 系统，时遮将达到2 5 0 k m h 以上。 欧洲虽已建成高速铁路，但还没宵使用g p r s 的先例。我围已采用g 掌r s 作 为铁路列调的通信方式，然瑟g p r s 能否适应赢遽环境，能嚣在客运专线中使震 g p r s ，尚笼定论。 正是猩这样的背景之下，本文对g p r s 在高速环境下的邋成性进行分析。从 5 j e 塞銮适态堂蘧主监塞! 宣 小区重选和多普勒频移两个方面入手，对g p r s 的性能进行评估，并提出适应高 速环境的改进方案，为推动g s m r g p r s 的迸一步发展提供依据。 1 4本论文的主要工作与贡献 本论文主要研究了g p r s 在高速环境下的适应性，着重分析了高速环境下小 区重选对g p r s 的影响及多普勒频移对g p r s 的影响，并提出了改进方案。具体 工作包括： 第一章介绍了高速铁路的发展概况和g p r s 在铁路中的应用情况，阐述了本 文的研究意义及主要内容； 第二章介绍了多普勒频移的相关概念及0 p r s 抗误码性能；设计实验，利用 信道模拟机模拟高速环境下的多普勒频移，设置不同多普勒频移值，测试g p r s 丢包率； 第三章详细分析了小区重选的机理和时长； 第四章分析了小区重选对g p r s 数据传输造成的影响以及改善策略； 第五章对全文进行总结，提出本论文以后应继续研究的重点内容。 通过以上问题的讨论分析，本论文主要在以下几个方面对该课题的发展做出 了贡献： 评估多普勒频移对g p r s 的影响： 评估高速环境下小区重选对g p r s 的影响并提出改善策略； 为我国高速铁路设计及建设提供理论参考依据。 6 j t 塞奎堡鑫鲎筮圭堂星盈塞 查整赣楚整盔鱼教夏癌 2 多普勒频移对g p r s 的影晌 介绍丁多普勒频移的相关概念及g p r s 抗误硒性能；设计实验，利用僚道模 接规模搂荔速环境下的多普勒舞穆，设置不淘多酱勒颤蓼篷，测试e 翻王s 丢毽辜， 从应用的角度评估了多普勒频移对g p r s 的影响。 2 1多簧勒频移豹疆究 2 1 1 多酱勒频移 对于笼绫辱境来说，出褶对运动i 超豹接牧信号频率豹偏移称为多普勒颤移， 与移动用户运动速度成厦比。当移动台以恒定速率v 在长度为d 端点为娇口m 路 径上运动时收到来自远端源跋出的信号，如图2 1 所示。无线电波从源s 出发，在 飚与y 点分裂援移动台接收时新走麴籍轻差为斌。d c o s 0 = 砖r s 乎。 图2 l多酱勒效应示熏圈 f 逸m 2 - 1 狮一e r 瓶t s k 粕h a p 这里肌是移动台从z 运动到y 所需的时间，口是和y 处与入射波的必角。 出于源端距离很远，可假设jr 处的p 是相同的。所以，由路程差造成的接收信 号框位交亿傻为： 妒孕= 竽伽护 2 ， l 、 垂姥缮澎频率变化值，翱多营勒籁移正为： 厶= 珏1 等= 云啪s 护= ，- ；c o s 口 ( 2 2 ) 一川，点- 、o t _ 妒 、一一 、 一一 一 、 二茁一 ， =|， 彳髫一 鍪奎窑逐叁警夔翌擅羹黧萋登数楚整蕴l ：塞簸霾塑 可见多普勒频移与穆动台运动遴度和波达方向有关。若移动台朝向入射波方 自运动，翔多营赣频移必曩三( 鼙接狡频率上舞) ；藩移蘩台鹜巍入射渡方淘运动， 则多普勒频移为负( 即接收频率下降) f 2 】。 2 。1 。2 多瞽勒扩震翻糖手聪闻 时延扩展和相干带爨是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。然而， 它们并来掇供描述信遭时变特性的信息。这种时变特性或是幽移动台与基站闻的 褪怼运动葶| 筵懿，或燕潦绩遴路经审绣体懿运动零l 超翡。多骛耪扩震纛藤予辩溺 就是描述倍道时变特性的两个参数。 多普勒扩展丑，是频谱展宽的测爨值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化 辜鲍一静豢廑。多普勒效应造成当发射频率为，瓣摹额波对，接收售号的频谱会 从频率为正的谱线扩袋为无一蓟正+ 无鹩有戳谱带宽( 矗。m a x 瓴) ) ，在多 径环境下，接收信号的频谱结构中会产生不同的多普勒频率偏移，这种频移会造 成多普勒扩展。这相当予攀颁信号在通过多径信邋时受到随机调频。多普勒频移r 熬增老l 将警皴揍浚枫静瓣入薅嗓魄洚低，麸瑟影确捌萁误弱攀住簸。 相干时间r 是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道的频率色散的 时变特性，定义为两个瞬时时间的倍道冲激响应处于强相关情况下的最大时间闻 疆。在移动逶售孛，褪芙爨润f 。垂下式绘密： r 三；1 旺，。 ( 2 3 ) 相关时间t 越犬，依道变化越馒；反之，相关时间越小，傣道变化越快。 2 1 3 g s m 系统信道传输中的多普勒频移 g s m 数字移蘸遴傣系统是建f 歇溯主要龟售运嚣卷和刽造厂容缓藏戆爨凌诧委 员会设计出来的，它是猩蜂窝系统静蒸础上发展丽成。g s m 由洚多功能单元级成， 整个系统可以分为三个独立的子系统，其中基站予系统( b s ) 在移动台( m s ) 和网路 子系统讲s s ) 之阍提供秘管理传输通路，n s s 必须镣理通信业务，保证m s 冀糨关 公嗣通信瓣袋箕缝m s 之阍建立逶信。 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网g s m 通信系统采用9 0 0 m h z 频段，矮中， 上行频率为8 9 0 9 1 5 m h z ，下行频率为9 3 5 - 9 6 0 m h z 在陆地高速移动通信中，移动 鸯速度一黢在2 0 0 k m h 友杏，镶翅在安琢生活孛汽牵车载台孵遮缳少超过2 0 0 逐， 中国铁路的几条干线爵经于今年十月实施的第六次大提速融使列车时速达到 s j i 塞窑通厶堂亟堂焦监塞墨萱勤筮整盟q e b s 的蒸瞳 2 0 0 k i n ，秦沈客运专线，试验列车创造了时速3 2 1 5 k m 。从多普勒频移的角度考虑， 设移动台的运动速率为2 0 0 k m h ，则由公式( 2 2 ) 可知，当移动台速度正指向基站时， 有最大多普勒频移： f m = f ! c ( 2 4 ) 令v = 2 0 0 o n h ，f = 9 6 0 m h z ，则厶= 1 8 0 h z ，即通常的陆地移动通信中，最大 多普勒频移可达近2 0 0 h z 。在多径传播环境下，其结果是对发射信号的随机调频( 信 号相位的随机变化) ，造成接收机的误码率增加。比如在某干道的立交桥上，车速 较快，该处手机可能经常有掉话现象。这是由于该处信号覆盖较弱，在车速较快 时信号衰落深度加大，误码率增高。 g s m 数字蜂窝移动通信系统采用t d m a 多址方式，每个t d m a 帧长4 6 1 5 m s ， 含8 个时隙，每个传输时隙的持续时间约为o 5 7 7 m s ，因此信号发送可视为短时突 发通信，可以忽略多普勒频移在时间上的变化，认为是一固定频偏t 3 1 。 2 2 铁路g s m - r 无线信道特点 1 无线覆盖范围是沿铁轨的线覆盖而不是面覆盖。这一特性使得同道干扰减 轻并可以根据列车速度和运行方向判定列车将要到达的下一小区及到达时间，利 于实施越区切换。 2 绝大多数情况下，基站在运行列车的正前方、正后方很小的角度范围内。 因此，多普勒频移应根据最大多普勒频移来计算。 3 铁路沿线地形起伏较小，接收信号直射波占主导地位。传输延迟较小。 4 隧道有明显的波导作用，不造成附加的传播延迟，路堑及线路旁的类似结 构具有和隧道相似的特性。 5 车台移动引入多普勒频移，信道特性的快速变化，将对误码率、突发帧错 误平均长度产生影响。 2 3g p r s 的抗误码性能 多普勒频移对g p r s 造成的主要影响就是误码率，然而信道编码、交织等技术 使得g p r s 本身具有了较强的抗误码性能。 2 3 1p a c k e td a t ab l o c kt y p e1 ( c s 1 ) 9 j e 巫銮适丕堂亟主堂位监塞乏萱勤题整越q 堕的毖堕 2 3 1 ，1 块结构 译码器接收固定长度的1 8 4 个信息比特。 d ( o ) ，d o ) ，d ( 1 8 3 ) 2 3 1 2 分组码( 1 8 4 - - 2 2 8 ) 首先给1 8 4 b i t 增加4 0 b h 的用于错误检测的校验码，为了实现卷积编码，再增 加4 b i t 的尾比特，这样得到2 2 8 b i t 。 2 3 1 3 卷积码( 2 2 8 - - 4 5 6 ) 2 2 8 b i t 按照1 2 卷积编码速率来进行编码，编码成4 5 6 编码b i t s 。 2 3 1 4 交织 4 5 6 b i t 的消息块进行内部交织后分为8 组，再把前四组和后四组进行交织( 矩 形交织) ，最后获得4 个整突发脉冲。( 注：前四块中的比特占突发中的偶数位置， 后四块占突发中的奇数位置。) i ( b j ) 一e ( n ，k ) ， f o rk = o ，l ，, 4 5 5 1 1 = 0 ，l ，n n + 1 ， b 2 8 0 + 4 n + ( k m o d8 ) j 2 2 ( ( 4 9 k ) m o d5 7 ) + ( ( k m o d 8 ) d i v4 ) j e 塞变通太堂亟堂焦监塞玺莲勤题整盟立珏盥髭咆 b b ob 1b 2b 3 b 4b sb 6b 7 o 5 7 1 1 41 7 l2 2 8 2 8 5 3 4 2 3 9 9 6 4 1 2 l1 7 82 3 52 9 23 4 9 4 0 67 1 2 81 8 52 4 22 9 93 5 64 1 31 47 1 3 2 83 8 5 4 4 2 4 31 0 01 5 7 2 1 4 2 7 1 3 9 24 4 95 01 0 71 6 42 2 l2 7 83 3 5 2 3 1 5 映射为突发 图2 - 2s a c c h 交织 f i g u r e2 - 2 s a c c b l n t e f , n e a v e e ( b j ) = i ( b o ) a n d e ( b ，5 9 十j ) = i ( b ，5 7 斗j ) f o r j = o ，l ，5 6 a n d e ( b ，5 7 ) = h l ( b ) a n d e ( b ，5 8 ) = h u ( b ) h i ( b ) 和h u ( b ) 用来指示控制信道的信令，当两个标志都设置为l 时，表示 s a c c h 。 j e 塞窑道太堂亟堂焦j 金塞 丕萱勤夔鏊盟鱼堕酸毖喧 2 3 2p a c k e td a t ab l o c kt y p e2 ( c s 一2 ) 2 3 2 1 块结构 译码器接收固定长度的2 7 1 个信息比特。 d ( o ) ，d ( 1 ) ，d ( 2 7 0 ) 2 3 2 2u s f 预编码( 2 7 1 - - 2 7 4 ) 前三比特编为6 b i t 。 2 3 2 3 分组码( 2 7 4 - - 2 9 4 ) 首先给2 7 4 b i t 增加1 6 b i t 的用于错误检测的校验码，为了实现卷积编码，再增 加4 b i t 的尾比特，这样得到2 9 4 b i t 。 2 3 2 4 卷积码( 2 9 4 - - 5 8 8 ) 2 9 4 b i t 按照1 2 卷积编码速率来进行编码，编码成5 8 8 编码b i t s 。 2 i3 2 5 截短( 5 8 8 - - 4 5 6 ) 最后，按照下面的公式删除1 3 2 个编码b i t s ，最后生成4 5 6 编码b i t s ，( c ( o ) ，c ( 1 ) ， c ( 4 5 5 ) 。 f c ( 3 斗4 j ) f o r j = 3 , 4 ，1 4 6e x c e p tf o r j = 9 ，2 1 ，3 3 , 4 5 ，5 7 ，6 9 ，8 1 ，9 3 ，1 0 5 ，1 1 7 ，1 2 9 ，1 4 1 不被传输。 2 3 2 6 交织 同2 3 1 4 。 2 3 2 7 映射为突发 e ( b j ) = i ( b j ) a n de ( b ，5 9 + j ) = i ( b ，5 7 + j )f o r j = o 1 ，5 6 a n d e ( b + m ，5 7 ) = q ( 2 m ) a n de ( b + m ，5 8 ) = q ( 2 m + 1 ) f o rm 2 0 123 w h e r e q ( o ) ，q ( 1 ) ，q ( 7 ) = 1 1oo ，1 ，o ，o ，o 组成了编码方式c s - 2 。 2 3 3p a c k e td a t ab l o c kt y p e3 ( c s 一3 1 2 3 3 1 块结构 译码器接收固定长度的3 1 5 个信息比特。 d ( 0 ) ，d ( d ，d ( 3 1 4 ) ) 2 3 3 2u s f 预编码( 3 1 5 一 3 1 8 ) 前三比特编为6 b i t 。 2 3 3 3 分组码( 3 1 8 - - ) 3 3 8 ) 首先给3 1 8 b h 增加1 6 b i t 的用于错误检测的校验码，为了实现卷积编码，再增 加4 b i t 的尾比特，这样得到3 3 8 b i t 。 2 3 3 4 卷积码( 3 3 8 - - 6 7 6 ) 3 3 8 b i t 按照1 2 卷积编码速率来进行编码，编码成6 7 6 编码b i t s 。 2 3 3 5 截短( 6 7 6 - - 4 5 6 ) 最后，按照下面的公式删除2 2 0 个编码b i t s ，最后生成4 5 6 编码b i t s ， c ( o ) ，c ( 1 ) ， c ( 4 5 5 ) 。 c ( 3 + 6 j ) a n dc ( 5 + 6 j ) f o r j = 2 , 3 ，1 1 1 ) 不被传输。 2 3 3 6 交织 同2 3 1 4 。 2 3 3 7 映射为突发 e ( b j ) ；i ( b j ) a n de ( b ，5 9 + j ) = i ( b ，5 7 + j ) f o r j = o ，1 ，5 6 a n d e ( b + m ，5 7 ) = q ( 2 m ) a n de ( b + m ，5 8 ) = q ( 2 m + 1 ) f o rm = o ，1 ，2 ，3 w h e r e q ( 0 ) ，q ( 1 ) 9o ，q ( 7 ) = 0 , 0 ，l ，0 ，0 ，0 ，0 ，l 组成了编码方式c s - 3 。 韭塞銮通太堂亟堂僮墟塞垒萱勤题整盟q 壁s 艘蒸蛆 2 3 4p a c k e td a t ab l o c kt y p e4 ( c s 一4 1 2 3 4 1 块结构 译码器接收固定长度的4 3 1 个信息比特。 d ( o ) d ( 1 ) ，d ( 4 3 0 ) ) 2 3 4 2u s f 预编码( 4 3 1 - - 4 4 0 ) 前三比特编为1 2 b i t 。 2 3 4 3 分组码( 4 4 0 - - 4 5 6 ) 给4 4 0 b i t 增加1 6 b r 的用于错误检测的校验码，这样得到4 5 6 b i t 。 2 3 4 4 交织 2 - 3 4 5 映射为突发 e ( b j ) = i ( b j ) a n de ( b ，5 9 + j ) = i ( b ，5 7 斗j )f o r j = 0 ，1 ，5 6 a n d e ( b + m ，5 7 ) = q ( 2 m ) a n de ( b + m ，5 8 ) = q ( 2 m + 1 ) f o rm = o ，l ，2 ，3 w h e r e q ( o ) ，q ( 1 ) ，q ( 7 ) = 0 , 0 ，0 ，1 ，0 ，l ，l ，0 组成了编码方式c s 一2 。 2 3 5 分组随机接入信道( p r a c h ) 接入突发中包含8 个信息比特d ( 0 ) ，d ( 1 ) ，d ( 7 ) 。 根据以下方式产生6 个校验比特p ( o ) ，p ( d ，p ( 5 ) 即：二元多项式d ( 0 ) d 1 3 + + d ( 7 ) d 6 + p ( 0 ) d 5 + + p ( 5 ) 除以d 6 + d 5 + d 3 + d 2 + d + l 得到剩余多项式d 5 + 1 3 4 + d 3 + d 2 + d + 1 。 用校验比特和基站识别码的6 个比特进行模2 加就得到了6 个色比特c ( o ) t o c ( 5 ) ，8 个信息比特和和6 个色比特以及4 个尾比特得到1 8 个比特，以l 2 的编码 1 4 錾立窑遂叁整亟圭芏燕逾滤墨蓬歉熬整蕴立隧簸蒸夔 速率迸符卷积编码得到3 6 比特。 2 3 6 分组交换信遵的信道编码 表2 ，1 分缮交换售遂戆嫠遴缡璐 t a b l e2 - 1 c h a n n e lc o d i n go f p a c k e ts w i t c hc h a n n e l 注：l 。分缀数据信道麓定了霞耱缀褥方案，鲡土褒。移动台鹰该支持爨有戆售遂 编码方案，但是对于网络来说，必须支持c s 1 ，其他方案是可选的。 2 p a c c h ，p b c c h ，p a g c h ，p p c h ，p n c h 使用信道编码方案c s - l 。 3 p r a c h 的编码葶露g s m 中黪r a c h 倍道编码方案一榉1 4 1 。 2 4多普勒频移对g p r s 的影响的测试 2 。4 ，1 溅试环境及仪器 图2 - 3 所示是传统的g p r s 网络连接图，图2 4 所示是本测试所用的网络连接 巨，b t s 懿馕线连接瑟薅遒模拟穰，馕遭模拟掇逋接至屡薮辍。移动台敷熏套羼 蔽箱内，留g iv l a n 上的服务器使掰u d p 协议进行透信。 韭塞銮道盘堂亟堂焦论窒 垒萱盐题整盟q b 的髭瞳 该测试环境中，移动台与b t s 间的信道环境完全由信道模拟机模拟，不再受 外界环境影响，并可以根据实验需要设置信道的参数。 测试地点为北京交通大学g s m r 实验室，采用西门子公司研发的g p r s 网络 设备。 信道模拟机由美国惠普公司研制，型号为1 1 7 5 9 c ，可以模拟出无线信道环境， 如多径、时延、多普勒频移等。我们利用信道模拟机模拟出不同程度的多普勒频 移，并加以对比分析。 屏蔽箱由w i l l t e k 公司研制，型号为r fs h i e l db o xl l i 。内置有w i l l t e k 4 9 1 6 天线，可以为移动台提供近场环境。 移动台使用n o k i a3 2 3 0 ，属2 w 的b 类g p r s 移动台。通过u s b 接口连接 至计算机。 测试使用的u d p 测试软件由北京交通大学g s m ，r 实验室研发。 图2 - 3 传统的网络连接图 f i g u r e2 - 3 t h et y p i c a ln e t w o r ks t r u c t u r e 1 6 j e 夏銮道厶堂亟堂焦j 金塞玺萱勤麴整盟鱼鲢5 数髭堕 图2 4 串入信道模拟机的网络连接图 f i g u r e2 - 4 n e t w o r ks t r u c t u r ew i t ht h ec h a n n e ls i m u l a t o rs t r u n gi n 网