（通信与信息系统专业论文）公交车辆运营管理系统设计与实现.pdf

， j 摘要 本文提出了一种基于先进的c d m a 数字毪垫通擅这盔及开放式信息处理技 术，对公交车辆运行状况进行实时监控和管理的新型公交运营管理系统。跟现今 市场上的普遍产品相比，该系统具有组网灵活、实现简单、低成本等特点。本文 详细介绍了该系统的基本工作原理和具体实现方案，并完成了系统测试。 通过实地测试，我们不仅验证了系统设计方案的可行性，同时还针对其中出 现的问题，进行了反复论证并提出了改进方案。该系统即将在不久的将来投入到 实际的运作中。 v、一 关键诃：c d m a软扩频交织c r c 校骚g o l d 码 a b s t r a c t t h i s p a p e rp u t f o r w a r dan e ws o l u t i o nt ot h e p u b l i ct r a n s p o r t a d m i n i s t r a t i o n s y s t e m ，w h i c hc a nr e a l i z et h er e a l t i m em o n i t o ra n dc o n t r o lo fr u n n i n gb u s ，a n dt h i s s o l u t i o ni sb a s e do nt h ea d v a n c e dc d m a c o m m u n i c a t i o nt e c h a n do p e n i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mt e c h c o m p a r e dw i t t lt h eg e n e r a ld e v i c e si nt h ec u r r e n tm a r k e t t h e s y s t e mi sc h a r a c t e r i s t i cb yi t sf l e x i b l en e t w o r kf r a m e ，s i m p l er e a l i z a t i o na n dl o w - c o s t t h i sp a p e ri n t r o d u c et h eb a s ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a r ys c h e m ei nd e t a i l a sw e l la s t h et e s t i n g f o rt h i ss y s t e m t h r o u g ht h et e s to nt h es p o t ，w en o t - o n l yv a l i d a t eu s e f u l n e s so ft h i sd e s i g n , b u t a l s ob r i n gf o r w a r da m e l i o r a t i v es c h e m e sb a s e do ne x i s t i n gp r o b l e m s t h es y s t e mw i l l b e p u ti nu s eb e f o r el o n g k e y w o r d s ：c d m a s o f ts p r e a ds p e c t r u m i n t e r w e a v ec r cg o l dc o d e 第一章绪论 第一章绪论 近些年来，随着经济的迅速发展，人们收入水平有了大幅的提高。然而，伴 随着城市人口及车辆的猛增随之而来的交通拥挤、事故增多等问题，给城市居 民的出行带来了诸多不便。“行路难、乘车难”，日益成为了严重的社会问题。为 了解决日渐恶化的城市交通状况，公交公司采取了多方面的举措，在增加公交线 路的同时，对不合适的线路进行了大幅调整。然而直至目前，公交线路的运营状 况距离人们对它的期望值仍有相当的差距。为了增强对营运车辆的调控能力、提 高运行效率、改善服务质量，公交行业必须选择一种经济有效、且符合实际需要 的公交车辆管理系统。 1 1现行车辆管理系统的发展状况 现行投入使用的公交车辆管理系统主要包括传统的人工路单系统、先进的 g p s 车辆监控系统和i c 卡式路单系统等几大类。每一种系统都有其独特的管理 模式，并采用不同的通信手段。下面，我们将对这几种系统的工作原理及其性能 特点做出详细的论述。 1 1 1 人工路单系统 公交车辆的运行和管理具有其自身的特点。与出租车等其它交通工具明显不 同的是，无论路况( 交通拥挤或阻塞) 如何，公交车辆的运行路线总是固定的。 通过实际考察我们发现：公交企业对车辆进行成本管理( 增加或减少车辆，及改 变行车路线) 的决策都是根据路单作为考核对象的。每天由当班调度统计好的路 单汇总到各级分公司后，经由分公司系统管理员进行人工的数据分析和统计，制 成报表，提交给上级公司的总调度，以此来进行决策。经过统计后的路单，在通 常情况下仍须保存三年。 路单，这种在公交系统车辆运营管理中普遍使用的方法是考核司机劳动量 和行车用油量的依据，是企业确定保养作业、统计计算折旧等成本费用以及增加 车辆、行车路线的根据。现行的人工路单系统是在起点站和终点站各设一名主调 和辅调，由司机携带路单，在车辆到达起点终点时，由调度负责填写到站时间， 并安排离站时间。这种人工管理方式工作量大、实时性差。出于数据存储量大、 统计周期长，在数据处理过程中极易出错。同时，因为管理系统中掺杂了人为因 素，难以保证其准确性和公平性。长此咀往，势必影响司机的工作积极性。所以， 公交车辆运营管理系统研究 目前公交行业所亟须解决的问题是，采用一种经济、实用的方法来替代人工路单 使整个公交管理系统在保持稳定的基础上，能够高效、快捷地运转。 1 1 2 基于g s m 网的g p s 车辆监控系统 现阶段，对车辆进行定位和管理的最新技术是g p s 卫星定位技术，它也是现 在市场上比较普遍的车辆管理系统的解决方案之一。该系统利用在轨的低轨道卫 星进行定位，可保证在任何地点，任何时间内能对运动车辆进行准确地导航和定 位，并且 f 受气象条件的影响。 o p s ，g s m 车辆定位监控系统利用的是成熟的g p s 全球卫星定位技术结合 我国电信行业在全国所丌通的g s m 移动通信网络在话音上实现的全国漫游等特 点，完成对公交车辆的实时监控，乃至车辆全球定位、静音车辆监听、出警救援 等功能。该系统由g p s 定位卫星，移动单元上的g p s 天线，g s m 网络和信息中 心构成，如图1 1 所示。g p s g s m 车台包含g p s 接收机模块，9 0 0 m h z g s m 车 台及控制器。g p s 接收机模块用于接收g p s 卫星传来的定位信号( 经纬度，速度、 方向、高度、时间等) 。g s m 模块负责将它以短信息的方式发到g s m 系统基站， 再经移动通信交换机及g p s 专用短信息中心，传到控制中心。同时监控中心发 往车台的指定或监控信号，则由监控中心经g p s 专用短信息中心、移动通信互换 机及基础站发给g p s g s m 车台，从而达到控制车辆的目的。 图1 1g p s g s m 车辆定位调度监控系统原理图 但是，随着这一系统在国内的开通，该技术的不实用性也逐渐暴露了出来。 首先的问题是容量小。当车辆超过一定数量后，系统就会出现信息堵塞，甚至死 机。其次是实时性较差，主要表现为车辆查找速度缓慢，且车辆越多，实时性越 差。丽依托于g s m 移动通信网所造成的成本昂贵，系统运行维护费用大等缺点， 第一章绪论 更成t n 约该系统进一步发展的根本原因。这就使我们不得不另辟蹊径，去寻找 一些新的思路。 1 i 3i c 卡式路单系统 智能化的i c 卡是当今信息化社会中的一大产物，被公认为世界上最小的个人 计算机。十几年来，它作为个人身份识别、计费等手段早已被引入了人们的日常 生活中。在时下市场上流行的车辆运营管理系统的解决方案中，基于l c 卡的车管 系统也占有了一席之地。这种系统采用了射频技术，由车台上的射频发射器向外 界不断地发送i c 卡内存储的相关车辆数据，当基站控制器接收到该信息后向车 台发送控制器内存储的站点等信息，此时车台即可通过i c 卡记录并存储相应的信 息，并在此基础上建立车辆的综合监控调度系统。卡式路单系统最大的缺点是容 量小，故障率高。由于i c 卡本身容量的限制，卡内不能存储太多的车辆运行信息， 超出容量则会出错；对i c 卡的反复擦写也容易造成器件的损坏，导致系统不稳定。 由此看来，i c 卡式路单系统并不适合大规模车辆运营管理系统的要求。 1 2 新型公交车辆运营管理系统简介 由于现行车辆运营管理方案所存在的种种弊端，所以如何能迅速、准确地采 集公交车辆的运行信息，汇总入数据库，使调度中心能够方便、及时地对其进行 管理，是现阶段公交公司所亟待解决的问题。 我们所提出的基于电子化路单的新型公交车辆运营管理系统克服了以上几种 方案的弊端，它采用先进的c d m a 数字移动通信技术及开放式信息处理技术，对 车辆运行状况的信息进行实时采集和准确记录，并自动把各个车辆的运营信息反 馈给调度并传送至企业的数据库中，使管理部门能够及时掌握公交车辆的运行状 况信息，以便进行科学决策。这一系统大大减少了人员的工作量和人为出错的概 率，并从根本上降低了企业的运营成本。该系统具有如下特点： 一自动记录、存储、统计和上传运营车辆信息，自动化程度高。 二不需要租用或依托现有的任何无线通信网络设施，硬件设备简单。工作于开 放频段，发射功率低，大大降低了运营成本。 三系统适应性强，组网灵活，适用于各种规模的车队进行监控、运营、管理。 四硬件积木化结构，数据接收处理分离，易于升级与维护。 五软件模块化设计，采用客户机服务器结构性能稳定可靠。 4 公交车辆运营管理系统研究 1 3论文的主要内容 本文的主要工作集中在系统总体及各部分方案的设计和论证上。同时，在对 整个系统进行软、硬件实现后，我们又在实际测试过程中对其中出现的故障和问 题进行了具体分析，并提出了相应的解决方案。 本文第二章着重讨论了系统方案的设计，并对整个系统所采用的关键技术进 行了理论分析。在此基础上，论证了系统优势所在。第三章主要是针对系统硬件 各部分的工作原理和实现功能进行了详细的介绍并给出了通信中的具体数据格 式。第四章同样针对系统软件各部分的工作原理和实现功能进行了详细的介绍， 这其中包括了系统网络结构的设计( 即如何利用公交公司的原有网络与现有调度 室的工作站进行无缝的网络连接，实现点对点的数据通信) 、调度室工作站软件设 计，包括与系统硬件设备的数据交换、系统界面设计、数据库设计等方面。第五 章探讨了在实际测试中，系统所遇到的问题，并最终给出了解决的方案。第六章 对系统未来的升级、扩展及其发展趋势进行了大胆预测。最后，对论文全文进行 了总结。 第二章系统方案设计 第二章新型公交车辆运营管理系统的系统方案设计 2 1 系统方案设计 整个系统由硬件设计、网络拓扑设计、及软件设计几部分组成。其中，硬件 部分负责信息的存储与传输：网络设计完成系统网络与现有网络的无缝连接；软 件则用来完成信息的处理、统计、以及数据的远程传输等任务。 2 1 1 硬件部分设计 图2 i公交车辆运营管理系统硬件示意图 图2l 所示为公交车辆运营管理系统的硬件示意图。从图中可以看到，整个 系统结构是由站点发射器、车载台和基站控制器等几太块构成。其工作的基本原 理为：在行车线路的主站( 起点) 和辅站( 终点) 分别设置一台基站控制器和站 点发射器，负责周期性地向车辆发送呼叫信号，其辐射范围约为1 0 0 米：每辆公 共汽车的车载台都具有信息的存储、发送和接收等功能当公共汽车进入基站 站点发射器的呼叫范围时，车载设备与其建立通信链路，以完成相互间无线信号 的传输。 、 车载台根据是否接收到基站控制器或站点发射器的信号来判断车辆是否进、 出主t 辅站，同时把这些信息作为运营状态信息记录并存储下来。当车辆进入站点 发射器的辐射区域，首次接收到其发送的c d m a 信号时，车载台将检测并识别该 车所对应线路的主站辅站特征信号，其接收信息作为迸站时间记录并存八车载设 备的外存中；当车辆离开其辐射区域，车载台不再收到发射器辐射的c d m a 信号 时，车载将最后一次接收到的该站信息作为出站时”记录并存入存储器；当车辆 公交车辆运营管理系统研究 再次回到主站的辐射区域时，接收到基站控制器的呼叫信号，车载即将存储于其 外存的入主站、出主站、入辅站、出辅站和再入主站等五个时刻的信息作为一个 记录，以检错重发的方式传送给基站控制器。此时，基站控制器就存储了该车载 在行驶一圈后产生的所有运营信息，基站控制器根据实际情况，以选择是否对基 站计算机发送这些数据。 2 1 2 软件部分设计 软件部分设计主要针对的是基站计算机。基站计算机在与基站控制器完成实 时的数据交换后，需要将交换所得的数据送入其系统数据库中，并且根据实际需 要对这些数据完成统计、分析、报表和打印等功能。同时，基站计算机通过拨号 方式，建立与上级公司远程服务器的链路连接，实现与上级公司局域网中数据服 务器间的远程数据交换。 软件部分在根据实际系统的工作模式进行设计时，最重要应该考虑的是总体 设计构架及其系统选型其中包括系统平台模式、服务器操作系统及数据库管理 系统的选择。 一系统平台选型分析 系统平台选型分析首先应考虑到用户的实际应用环境和应用需求，所选用系 统平台的软硬件产品的功能及特性，操作人员的素质等因素。概括地说，系统平 台的选择应考虑所用技术和产品的标准性和主流性、成熟性与先进性、实用性和 经济性、易用性与可扩充性。 二系统平台模式 具有一个高度可集成的开放式系统平台，是2 1 世纪企业m i s ( 管理信息系 统) 所应具有的特征。随着计算机软硬件技术的迅速发展和应用的不断深化，系 统平台概念已从仅指计算机主机和操作系统，引申为一种软硬件体系结构：其硬 件平台包括主机、工作站、网络设备等：软件平台包括操作系统、图形用户界面、 网络、数据库管理系统等。在m i s 应用中到目前为止，有三种模式：集中模式、 文件服务器模式、客户t 服务器模式。客户t 服务器模式是目前应用最多也最先进 的技术，它是由各种机型组成的局域网和交换式互联网构成的分布式系统平台。 客户，服务器( c l s ) 模式将数据库管理系统( d b m s ) 安放在数据库服务器上。 客户运行应用程序，完成屏幕交互和输入，输出处理等前端服务：服务器运行数据 库管理系统完成大量的数据处理和存储管理等后端任务。客户机和服务器具有 协同处理和资源共享的能力。数据集中在服务器上，用户通过应用程序对数据进 行透明存取。与文件服务器模式相比，网上传输的不是整个数据文件，而是客户 请求命令和服务器响应数据网上的信息量大大减少，有利于解决数据处理和数 第二章系统方案设计 据传输的瓶颈问题，并实现真正的数据库管理。 在程序设计上，客户服务器模式将一个应用分解成由客户和服务器分担的多 哥既独立又交叉的子任务，并行处理。服务器进程提供公共服务，客户进程执行 本地处理，并与服务器交互作用，充分发挥各自独特优势，实现各个节点共享与 自制体现了数据库与数据处理独立于应用程序的设计思想。 1 数据库服务器的任务是： ( 1 ) 为用户管理一个独立的数据库。 ( 2 ) 管理和处理接收到的访问请求，包括管理请求队列、缓存、响应服务、管理 结果和通知服务完成。 ( 3 ) 管理用户帐号，控制数据库访问权限和提供其它安全机制。 ( 4 ) 维护数据库，包括数据备份和恢复。 ( 5 ) 保证数据库的完整性或为客户提供完整性控制手段。 2 客户应用程序的任务是： ( 1 ) 建立与服务器的连接和断开与服务器的连接。 ( 2 ) 提供数据访问请求。 ( 3 ) 等待服务通知，接受请求结果和错误。 ( 4 ) 处理数据库访问结果或错误，包括重发请求和终止请求。 ( 5 ) 提供应用程序的友好界面。 ( 6 ) 数据输入、输出及验证。 3 网络的任务是： ( 1 ) 物理上连接数据库服务器和客户工作站。 ( 2 ) 提供局部网络服务和远程网络服务。 ( 3 ) 对多种网络协议提供支持。 综上所述，先进的c s 模式通过分布的软件结构技术降低对硬件规模的要求。 它是开放系统平台，可降低软件及维护成本、增强应用的移植性、改善网络和系 统性能、提高用户的工作效率。 三服务器操作系统选型分析 操作系统所县各的功能和性能，很大程度上决定了系统的整体水平以及应用 的发展方向。目前客户服务器模式操作系统有很多，如n e t w a r e 、w i n d o w sn t 、 u n i x 、0 s 2 。考虑到w i n d o w sn t 在小型系统中的稳定性和普及性，我们在这里 采用w i n d o w s n t 作为服务器操作系统的首选方案。 四数据库管理系统的选型分析 数据库管理系统是计算机信息管理系统中最重要的组成部分。数据库管理系 统的含义有两层：一是数据库功能，即将管理信息系统采集和加工的数据存储在 数据中：二是对这些数据的管理功能，即保证数据操作和存储的完整性和安全性。 公交车辆运簧管理系统研究 目前，常见的数据库管理系统有两大类：基于文件管理的小型化、简单化的数据 库管理系统，如d b a s e ，f o x b a s e ，f o x p r o 等；基于数据管理的大型化、功能齐 备的数据库管理系统。如o r a c l e 、i n f o r r n i x 、s y b a s e 、d b 2 、s q ls e r v e r 等。 m ss q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 的大型数掘库产品。它是一个可伸缩、高性能的 数据库管理系统，专门为分布式客户f i r 务器模式环境所设计。其内置数据复制功 能、强大的管理工具和丌放式系统体系结构为信息解决方案提供了一个卓越的平 台。它除了具有大型数据库产品优点外，还与w i n d o w sn t 有天然密切的关系， 因此无论在产品的兼容性和后续性上部有极大的优势，所以我们把m ss q l s e r v e r 作为数拂：j 年管理系统的首选方案。 由此可见，整个软件设计方案的系统构架如图22 所示： 用户接口 功能模块 数据库层 操作系统 通信层 数据链路层 物理介质 gui 界面 通信模块、数据库处理模块 sqlserver w i n d o w sn t tcp ip x 2 5 网+ lom 共享以太网 双绞线、光纤 幽2 2 系统掏架原理幽 2 1 3 网络拓扑设计 这样，系统自动记录、存储和统计车辆运营信息的功能已基本实现。然而， 仅如此并不能达到我们的要求。如何能将系统网络与公交公司现有的网络结构进 行无缝连接，数据蚪何种方式从调度室的基站计算机上传到二级分公司的数据库 服务器，以及又如何将数据从分公司传往总公司，这些都是我们在整个系统的网 络设计中所需考虑的问题。 以某市为例，公交公司网络拓扑的构成如图2 3 所示。该网络是一个覆盖面 广，站点极为分散的网络。包括总公司和下属7 个分公司，分布在东南两北邦和 市中心。 我们在针对阚络进行发计时，首先需要考虑的是网络中数捌传输的安全性和 第= 章系统方案设计 可靠性。 酗2 3公交公司网络拓扑图 网络部分分为广域网部分和局域网部分。广域网设计主要在于通信线路和通 信设备的选择。经过综合比较，我们选择了x 2 5 通信网作为广域网的通信链路。 x 2 5 通信网是分组交换数据网。它不同于电路交换网，是将数据分组打包，以“存 储转发”的方式，在共享的数据网络中传输。其特点是初期投资少，每月通信量 不大时节省投资，且能很好地支持对延时不敏感的业务。 总公司和分公司的各级局域网，我们采取了流行的以太网结构。因为节点较 少、故采用了1 0 m 的共享结构。布线采用星型拓扑，结构灵活，且容易扩充。 整个网络采用集中与分布相结合的客户服务器结构，由总公司l a n 、二级 分公司l a n 、三级调度室等三部分构成。其中总公司与二级分公司之削通过专线 相连；二级分公司与三级调度室之间的数据交换则是通过在二级分公司l a n 中 设置一台远程访问服务器，即一个具有多个串口和以太网接口的路由器，为三级 调度室的基站计算机提供拨号接入服务。其网络结构如图2 4 所示。 9 公交车辆运营管理系统圳究 圈2 4 远稃拨号实现基站计算机与分公司服务器问通信的网络结构图 如图所示，基站计算机通过m o d e m 远程拨号，向分公司的路由器请求连接 服务。路由器创建并分配给远程计算机动态的i p 地址。两台设备建立通信连接后， 双方即可进行基于t c p i p 协议的数据传输。 2 2系统所用关键技术 一个系统的先进性与它所采用的技术是有相当大关系的。近些年来，随着通 信领域的不断发展，技术上的更新更是同新月异。因此，如何选择一项技术，使 它作用于现行系统中既能大幅度提高系统性能又能在技术实现及其成本控制 上有最好的效果，是我们在系统设计时所需认真考虑的问题。下面，我们将通过 对应用环境的分析墒定系统相关技术的选择。 2 2 1移动环境下的电波传输 由于公交车辆总是不断地高速移动，其周边环境也处于不断地改变过程中， 要想实现车载台与基站洲信号的高速、稳定传输，在设计时应首先考虑到移动信 邀下的信号传播状况。 衡量- 9 0 0 通信系统的优劣有三种指杯：有效性、可靠性和安全性。有效性是 指占用尽可能少的信道资源( 如频段、时隙和功率) 传输尽可能多的信息，它是 通信中的数量指标：可靠性主要是指在传输中，抵抗各类客观自然干扰的能力， 在军事通信中它也包含电子对抗，即抵抗人为设置干扰的能力：安全性是指在传 输中的安全保密性能，即收端防窃听、发端防伪造的能力。而在本系统中，如何 根据系统的信道条件、功能要求和技术指标选择合适的通信手段，以提高系统在 信号传输过程中的有效性、可靠性和安全性，是我们在本节中讨论的问题。 移动信道是典型的变参信道，其传输特性随时问变化很快不能简单地用一 特定参量来定义。下面，我们将针对其特性进行充分的理论分析。 移动信道的主要特点： 1 传播的开放。陛：移动信道是基于电磁波在空删传播束实现信息传输的。 2 接收点地理环境的复杂性和多样陛：包括高楼牛水觅的城市繁华区、骰建筑物 为主的近郊城镇和咀dj 丘、湖泊、平原为主的广大农村地区。 3 通信用户的随机移动性。 二移动信道下电磁波传输的特点： i 直射波：它是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号晟强。 第二章系统方案设计 2 多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达该接收点的传播信号， 其信号强度次之。 3 绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其信号强度 与反射波相当。 4 散射波：由空气中离子受激二次发射所引起的漫反射后，到达接收点的传播 信号其信号强度最弱。 三移动信道下传播的损耗和效应。 1 三类不同损耗 ( 1 ) 路径传播损耗：指电波在空问传播所产生的损耗。反应了传播在宏观大范围 的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。 ( 2 ) 慢衰落损耗：由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等阻挡所产生的阴影 效应而产生的损耗。它反应了中等范围内接收电平的均值变化而产生的损耗， 服从对数正态分布。 ( 3 ) 快衰落损耗：由于多径传播而产生的衰落。它反映了微观小范围内接收电平 的均值变化而产生的损耗，服从瑞利分布。快衰落又可分为空间选择性衰落、频 率选择性衰落、时间选择性衰落。 2 三种效应 ( 1 ) 阴影效应了：由于大型建筑物和其它物体的阻挡而形成在传播接收区域上的 半盲区。 ( 2 ) 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是随机 在变化若各个移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强度不同，离基站 近信号强，反之则弱，通信系统非线性状况加重。 ( 3 ) 多普勒效应：由于接收的移动用户高速运用而引起的频率扩散而引起的，其 扩散程度与用户运动速度成正比。 四快衰落的三种物理模型。 1 空间选择性衰落：是由天线点波束的扩散引起的，如图2 5 所示。 从时域上可看出：输入的单频等幅载波在经过移动信道后，在不同接收点的 时域衰落特性不一样：从角度域可看出：在郝角上送入的一占点波束经过移动信 道后产生了扩散，其扩散宽度为妒。空间选择性衰落的衰落周期为t l ：丑一， 丑为波长。 公交车辆运营管理系统研究 o + 蛳 f 幽26 频率选择胜衰落波形示意图 从时域上可看出：。o 时刻输入的占脉冲经过移动信道后，在o + o 瞬间产 生了时域扩散- 其中o 为绝对中心时延- m 为相对时延扩散；从频域可看出： 输入的白色等幅谱输出后变成了衰落起伏的有色谱，频率选择性衰落的衰落周期 为r 2 = 1 l ，与相对时延扩散成反比。 3 时问选择性衰落：是由变速移动引起的如图2 7 所示。 从时域上可看出：输入的单频等幅载波在经过移动信道后，成为包络起伏的 载波：从频域可看出：输入的f o 频率上的每脉冲，输出变成了以，o + ，为中 心，相对频移为b 的频率扩散，其中嘶为绝对多普勒频移。时间选择性衰落的衰 落周期为t 3 = b 。 第二章系统方案设计 ，0 i ! 堑- 拖+ 鹭 倒27 时间选择性衰落波形示意幽 表2 8 为不同环境下信号的扩散状况： ! 地理环境时延扩散角度扩散多普勒频移扩散 室内 01 u s3 6 0 o 5 h z 农村 05 9 s1 。1 9 0 h z 都市 5 t a s 2 0 。1 2 0h z 丘陵 2 0 p s 3 0 。1 9 0 h z l小区 0 2 u si2 0 。1 0h z 表2 8 不同环境i 、信号的扩散：傲况 矗移动信道无线电波传播损耗计算 本文中无线电波传播损耗的计算采用的是广泛使用的哈塔( h a t a ) 模型公式， 其具体公式如下： ( d b ) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l o gi o ，埘地一i 3 8 2 l o g1 0h i a ( h2 ) + ( 4 4 9 65 5l o gi oh i ) l o g1 0 d k m k 其中- 两、自2 是基站和移动台天线的相对高度( 单位为m ) ，d 枷是链路距离 ( 单位为k i n ) ，概是中心频率( 单位为m h z ) ，a ( 2 ) 是天线高度增益校计。因 子，其值取决于环境： i ( 1 1 l o g l 0 觚一o 7 ) h 2 一( 1 5 6 l o g l 0 慨一o 8 ) 中_ 、城市 a ( h 2 ) = 8 , 2 9 ( i 0 9 1 0 1 5 4 h 2 ) 2 1 1大城市，乩胁。2 0 0 1 32 ( 1 0 9 l o1 1 7 5 h 2 ) 一4 9 7大城市，刖地 4 0 0 式中的k 为中小城市在郊区和丌阔地区的公式校正凶子： r1 f j2 1 0 9 1 0 ( 砒2 8 ) 1 + 5 4 郊区 1 4 7 8 ( i 0 9 1 0 惭) 2 18 3 3 l 0 9 1 0 ， m + 4 09 4 丌阔地区 在本文所提出的系统中，啊21 0 m ，恐2 2 m ，k 融= 9 1 6 m h z ，a k m = ( 1 1k m 4 公交车辆运营管理系统研究 所以，天线高度增益校j 下园子。( 2 ) ：32 1j 。g1 0 ( 1 【7 5 。2 ) 】2 49 7 ：3 8 0 ，我们可 得到本系统中基站与车载台间无线信号的传播损耗： l ( d b ) = 6 95 5 + 2 6 1 6 l o g l 09 i6 1 3 8 2 l o g l 0 1 0 3 8 0 + ( 4 4 9 6 5 5 i o g l 0 1 0 ) l 0 9 1 0 d 枷 = 1 2 9 4 d b 一3 8 3 5 d b ：9 1 0 5 船 由于本系统发射机的发射功率大约为1 0 r o w ，即1 0 d b m w ，根据“接收机接 收功率= 发射机发射功率一传播损耗”的计算公式可得接收机的接收功率至少 应在 8 1 0 5d b m w 以上也就是要求我们在接收系统中所采用的接收器件灵敏度 应不小于_ 8 0 d b 。 七多普勒效应对快衰落的影响 由于公交车辆特定的高速移动性，在本系统的信号传输过程中，最可能碰到 的问题就是多普勒效应。多普勒效应的原理是：一个频率为“的单频信号在两个 相距为d 的天线闯传播，在接收机处可观察到频率偏移至 ， 厂1 = f o ( 1 + d c ) = f o + 厂，其中c 是光速t d 是天线问距对时阳j 的导数。若发射 机在( 。o ，y o ，z o ) = ( o ，0 ，o ) 处，接收机在( 。1 ，y i ，2 1 ) 处。那么直角坐标系中两者间距 离为d = 0 r ；+ 一i + z 2 t 。 接收机十目对于发射机的位胃如图2 9 所示，用矢阜可表示为 ，= ( 砷一x o ) x + 0 1 一y o ) - t y + ( z 1 一z o ) p z = d ( c o 吼n + c o 哆a y + c o 哆心) 其中，p 。，y ，他分别为x 、y z 方向上的矢量a 民，0 t 以是r 方向上的矢量 角。 x 酬2 9 接收机对芨射机的相对位置 接收机相对位置对时f h j 的导数是： 扛( 童l 。) c o s 以i 一川c o 阳y 州l 。0 ) c 。s 口= 2 ( 高，| ，1 ) 定义v 为距离矢量对时问导数的幅度，则原式可写成： 第二章系统方案设计 尚x r j ，南) 。s a 用口表示接收机运动方向与它和接收机连线之间的夹角。因此，偏移后的频率是 = 一( 盯) = f o + n f ( a ) ， 其中： ，( 叻= _ a c f o = v c o c s a f o = 厶c 。s 口 删强煳貅移f m ( h z ) = ；舻咖x 糕叫眺) 1 j o ( m 矿h z ) 该式中t v ( m s ) 表示接收机相对于发射机的速度值，而( 州胁) 表示频率的数值。 假设公交车辆的运行速度为v ( k m h r ) ，我们可求出本系统中公交车辆在运行状态 下所产生的最人多普恸频移与速度的函数关系： = v ( 胁2 肼) 。百9 1 6 ( m h z ) = 0 8 5 v ( 砌加) 所以，当移动台时速最大为5 0 k m h r 时，其最大多普勒频移为4 2 5 h z 。 要讨论衰落速率，首先应考虑衰落信号的幅度分布。在瑞利衰落下的信号包 络有如下概率密度函数：喙m ) ：三p n ，2 一，口o 。 盯 瑞利分市的分布函数魁随机变量小于给定值a 的概率： 咏( 兰喙 r a _ 并 e 7 2 。：出：l p “协：1 一p “伸： 如图2 1 0 所示为f r ( a ) 的函数图像，我们可以看到信号包络在均方值以下的概 率是0 6 3 。 8 r r m s 幽2 1 0 砌( a ) 的函数幽像 信号包络r 的相对值在给定时刻可能大于也可能小于包络均方值r ，。，。如 果包络比它的均方值小到定程度，我们就说信号受到了衰落，p ：r ，r 。表 h h j j i 曰一毋 公交车辆运付管理系统 ! j 究 示衰落程度。包络的累计分布函数l e x p ( - p 2 ) 。因为p 小于1 的概率是0 6 3 ，所 以说有6 3 的可能出现某种程度的衰落。信号衰落程度的表示式为： 衰落深度( 册) = 一2 0 l 0 9 1 0p = 一2 0 l o g l 0 ( 曰月m s ) 瑞利衰落下移动无线信号的衰落率可看成具有多普勒偏移频谱的窄带高斯过 程包络的平均电平交叉率，其平均值可表示为： n r = f m p 2 , 五e p t p 2 包络值均方根包络值 。反映了衰落的波动率。 当公交车辆行驶速度为v ( k m h r ) h 寸，1 0 d b 衰落率的计算过程如下所示： 凼为p = 1 0 - 2 0 7 t o ：o ，3 1 6t 概率为f 月 ( 0 3 1 6 ) 2 】_ 卜e 0 1 ：0 0 9 5 n r = ，p 2 m 1 一p = 0 8 5 v o 7 1 7 2 = 0 6 l v ( k m h r ) 即移动台速度为v ( k m h r ) f b - ，信号1 0 d b 衰落的概率为o 0 9 5 ，衰落的波动率为 o 6 1 v 。当时速最大为5 0 k m h r 时衰落的波动率为3 0 5 。 由于衰落在某卜电平以下的平均持续时c 日i 为： f ：f 1 一p p1 上：! ：兰 ?j n rp 、2 r r 所以，我们1 司样l j 以计算出当公交车辆行驶速度为v ( k m h r ) t l j ，1 0 d b 衰落的平均 f j t 妻u 1n j 为： p pip03 1 6 1 一瓦习翥2 百面万鬲i 面弱鬲 即移动台速度为v ( k m h r ) t 寸，信号1 0 d b 衰落的平均持续时间为0 1 5 6 v 。当时速 最大为5 0 k m h r 州，衰落的平均持续时| 、日j 为31 2 m s 。 因为系统的信息传输速率2 4 k b i f f s ，无线传输中一帧的最大长度为2 7 2 b i t ， 由此可计算得到每帧的最大传输时问为11 3 m s 。因为1 0 d b 衰落的概率为0 0 9 5 ， 即出现此衰落的最大概率不到1 ；该衰落的平均持续时阳_ i 为3 1 2 m s ，即在传输 过程中最多可能会影响到连续7 个b i t 的数掘。通过选择合适的编码、交织等技 术，可以完全去除多普勒效应所带来的影响。 2 2 2c d m a 技术 c d m a ，即码分多址技术，是近年来暨f d m a ( 频分多址) ，t d m a ( 时分 多址) 之后，新兴发展起来的又一通信技术。该技术以码分多址为基本特征，扩 频技术为基础。所谓码分多址技术，就是不同用户所传输的信息根据各自不同的 第二章系统方案设计 编码序列，即信号的不同波形来区分；而扩频则是采用专门的调制方案，将信息 的频谱扩展到宽带中传输的技术。 常用的商用扩展频谱技术主要分为两种：即直接序列扩频技术和跳频技术。 直扩技术( d s c d m a ) ，是将发送的低速信息将高速伪随机( p n ) 序列扩展 到一个很宽的频带，接收端用与发送端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进 行相关处理，恢复出原来的信息；跳频技术则是另一种意义上的扩频，跳频的载 频受个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按p n 码的随机 规律不断改变频率。在接收端，接收机频率合成器受伪随机码控制，并保持与发 射端变化规律相同。 直扩和跳频相比，具有跳频所没有扩频增益，且抗多径能力强，发射效率高， 同等发射功率下具有更长的有效传输距离。基于这些优点，直扩技术成为了扩频 通信中最普遍使用的一种技术。跳频的优点是抗干扰，主要用于军事通信中。 c d m a 直扩技术原理图如图2l l 所示。 后二舄瓣习箩耻砖三 ! c m 接收端 l 射苏被l 。 i 大； l 一 伪鹏产生 i 哥令戛令蓼 l i 驾兰盟 图2 i id s c d m a 系统原理框图 由图2 1 2 所示d s c d m a 系统各点信号频谱图可以看出：a f t ) 为信源信号输 出频谱，d ( f ) 为经过扩频后的信号输出频谱，s ( o 为调制后的信号频谱，j ( 0 为在信 道传输过程中加入的噪声及干扰信号，( n 为接收过程中解扩后的信号频谱， 。( 厂) 为接收过程中经过扩频后的噪声频谱，n n 为经过滤波后的噪声频谱。 传输过程中产生的干扰信号j ( f ) 由于跟伪随机序列不相关，接收端被扩展后， 落入信号频带内的干扰信号功率大大降低从而提高了系统的输出信干比达到 了抗干扰、抗衰落的目的。 公交下辆运什崔理系统研究 j r 一厂 【) 厂m 7 f j d f ) 。 f 剀2 】2d s c d m a 系统信号频谱剀 一般的打频拽术，匿j 为伪随机码码率很高，造成射频带宽非常宽，在一些频 带受限的情况f 难以满足系统的要求，所以我们采用了软扩频技术。软扩频是指 频谱的某种缓慢殳化。与直扩的不同之处在于：一般的直扩实现是将信息码与伪 随机码进行模加来获得扩展后的序列并且扩频伪随机码远大于信息码的码元 速率：软扩频则是一般采用编码的方法柬完成扩频的扩展，即用几位信息码元对 应一条伪随机码，扩展的倍数不一定是整数。软扩频原理图如图21 3 所示： 斟2 13 软扩撕! 躁理幽 实际上，软扩频是种( n ，k ) 的编码，用长为n 的随机码去代替k 位信息 第二章系统方案设计 k 位信息有2k 个状态，需要2 条长为n 的伪随机码去代表，其扩频比为n k 。 设信息码为a ( t ) ，码元速率为月。，码元宽度为，：i r 。 a ( t ) = a ”g 口0 一心) ”= o 。 式中：a n 为信息码，以概率p 取+ l ，概率1 一p 取一1 ，即 以概率p 以概率i p 将a | t ) 分段，每k 位一段，可得 这早 k l 。 ( ，) = 6 i g d ( t t t d ) i = 0 ，0 ，s 巧为门函数。 其它 1 9 这里，t 为一伪随机码的周期。 若所用伪随机码为c ，( f ) ，j 。0 ，1 ，2 一1 ， t l c ，( f ) = omg c ( ，一n tc ) ”= 0 式中，c m 为伪随机码的码元，g c ( ，) 为门函数a 这样，经扩展后的频谱序列 为： b ( t ) = 。i ( t i t ) i = 0 “ 式中。j 的下标选择由a k 0 一j 7 1 ) 对应的权值决定。 而扩频系统所选用的伪随机序列不仅要具有良好的自、互相关特性和长周期 性，且随机序列数也应尽可能的多，因为这直接关系到系统的组网能力和频谱的 利用率。基于以上要求，我们采用了级数r = 9 ，长度n = 5 1 1 的g o l d 码作为扩频 码，每8 个信息码进行一次伪随机编码。该码是m 序列的组合码，是由两个长度 相同、速率相同、但码字不同的m 序列优选对模2 加后产生的。我们选用的这种 g o l d 码，扩频比为6 3 8 ，对载波的抑制高达2 7 0 8 d b ，较好地达到了扩频技术 对抗干扰、抗衰落的要求。 本系统中我们选用，( j ) = i + x 4 + r 9 和g ( j ) = l + z 3+x4+x6 + r 9 这两 个9 级m 序列并联组合而成的g o l d 码序列。g o l d 码序列发生器结构如图2 ，1 4 所示。 】 ，、l = 口 公变车辆运营管理系统研究 图2 1 4g o l d 码序列发生器结构 2 2 3 编码技术 9 在通信系统中，通常采用在待发送的信息码元中加入一些特定的多余码元 来换取信息码元在传输中的可靠性，我们称之为信道编码。在本系统中，我们采 用循环冗余校验( c r c ) 来进行检错：用基于( 7 ，4 ) 循环码的( 8 ，4 ) 分组码 进行l 位纠错；8 * n 的分组交织器对较长的突发错误进行纠错。其原理如图2 1 5 所示： 信源 1 6 位cr c 校验 ( & 4 ) 分 组编码器 织8 存* n 储交器卜_ i - - - - n 输出织存储器卜_ 图2 1 5 系统编码原理圈 输入 一循环码 循环码是线形分组码中很重要的一类，它有较成熟的代数结构，在工程上有 较好的实用性。本系统采用了生成多项式为耳( 。) ：，3 + r + 1 的( 7 ，4 ) 循环码。 编码的最小码距直接关系着编码的检错和纠错能力，其关系如下所示： ( 1 ) 为检测e 个错码，要求最小码距d n ，p + 1 ； ( 2 ) 为纠正t 个错码，要求最小码距d n ，2 t + 1 ： ( 3 ) 为纠正t 个错码，同时检测e 个错码，要求最小码距幽，p + ，+ i ( e t ) ： 由( 7 ，4 ) 循环码的最小码距d = 3 可知，该码可以纠正所有一位错码及一部 分的两位错码。本系统的分组码是在( 7 ，4 ) 循环码的基础上按照码距尽可能大 第二章系统方案设计 的原则另外增加一个校验位而生成的，编码前后码字间的对应关系如表2 1 6 所示。 编码前编码后编码前编码后 编码前编码后编码前编码后 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 10 0 0 l o l l l0 0 1 00 0 1 0 11 0 10 0 1 10 0 1 1 1 0 l o 0 1 0 00 l 0 0 1 1 1 00 1 0 l0 1 0 1 1 0 0 10 1 1 0 o l l 0 0 0 1 0o l l lo l l l 0 1 0 0 1 0 0 01 0 0 0 1 0 1 1l 0 0 11 0 0 1 1 1 0 01 0 1 01 0 1 0 0 1 1 01 0 1 l1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 01 1 0 0 0 1 0 11 1 0 l1 1 0 1 0 0 1 01 1 1 01 1 1 0 1 0 0 01 1 1 11 1 1 1 1 1 l o 表2 1 6 ( 8 ，4 ) 分组码编码表 二交织技术 对于无线衰落信道，差错是突发性的，一个突发差错会引起一连串的错误： 而本系统所采用的差错编码技术一次只能纠正8 位码字中的一位错码，无法解决 一连串错误码字的正确接收问题。