（通信与信息系统专业论文）高速铁路无线单频网的研究.pdf

塞銮适盘堂亟堂僮j 金塞虫塞埴鼍 中文摘要 摘要：铁路交通是我国最主要的交通手段，是国民经济的大动脉。铁路运输是一 个庞大的综合系统，每个部分都离不开通信。特别是当前我国逐步实现铁路高速 运行的情况下，通信就显得更加重要。为了保证指挥列车运行的各种调度指令信 息快速、准确地传递，也为设备维护、运营管理及旅客提供各种完善的服务，高 速铁路要求通信系统必须具备高可靠性、体系完整等特点。并且能够结合铁路业 务特点提供多种信息传输和服务。目前在我国高速铁路系统发展中，在信息传输 ( 通信) 以及信息利用( 基于通信控制方面) 环节上仍然发展缓慢、水平落后， 与铁路交通其他方面发展不相适应，严重影响铁路交通整体水平的发展提高。 高速铁路是基于先进的数字移动通信网络构建的，本文主要对g s m r 进行了 分析，并针对g s m - r 在越区切换上的不足之处提出将基于正交频分复用的单频网 ( o f d m - s f n ) 应用于高速铁路中的o f d m s f n r 系统模型，并且分析研究了该 系统对于高速铁路的切换问题的改进。第一章首先介绍了高速铁路的发展情况。 在此基础上，在第二章中进一步分析了已经广泛应用于高速铁路通信中的g s m r 系统的优势以及还存在的不足之处。在接下来的第三章，介绍了o f d m - s f n 的系 统，分析了相对于g s m - r 来说，o f d m s f n 的优势，提出了应用于高速铁路通 信中的o f d m s f n r 系统的构想以及对切换问题的概括描述。第四章针对应用于 高速铁路中的o f d m - s f n r 系统模型，对其切换的性能进行了详尽的分析。最后 章总结了全文的内容，并对今后进一步的研究工作提出了方向。 关键词：高速铁路；单频两：切换 分类号：t n 9 2 9 5 韭毫窑煎太堂亟堂值论塞垦墨! 壁i a b s t r a c t a b s t r a c t ：ho u rc o u n t r y , r a i l w a yi st h em o s ti m p o r t a n tm e a n so ft r a n s p o r t a t i o n , a n de v e nw ec a l lc o n s i d e rt h er m l w a ya st h em a i na r t e r yo fo u rn a t i o n a le c o n o m y r a i l w a yi sr e a l l yac o m p l i c a t e di n t e g r a t i v es y s t e m ，a n dc o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n t i m e g r a n to fs u c has y s t e m e s p e c i a l l yw h e n w ea r ea c t u a l i z i n gb u l l e tw a i ns t e pb ys t e p ， i tb e c o m e m o r ei m p o r t a n tf o ru st od e v e l o pa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ni nf o rr a i l w a y w e m u s tr f l a k es u r et h a tv a r i o u ss c h e d u l i n gc o m m a n df o rw a i n s r u n n i n ga g et r a n s f e r r e d e f f i c i e n t l y a n d e x a c t l y o nt h e o t h e rh a n d ，w ec a na l s od os o m ee q u i p m e n t m a i n t e n a n c e sa n do p e r a t i o n a lm a n a g e m e n ta n dp r o v i d e p a s s e n g e r sw i t hp l e n t yo f s e r v i c e sb yi n t r o d u c i n ga d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n h o w e v e lt h ea c t u a ls t a t eo fb u l l e t t r a i ni st h a tw ea r en o wi nar e l a t i v e l yl o wl e v e ii nc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lb a s e do n c o m m u n i c a t i o n , a n dt h i ss t a t ei sm 盘l a d j n s t e dw i t ho t h e rs i d eo fo u rr a i l w a y 自陋街c m o r e o v e rs u c hs t a t ea f f e c t st h ew h o l ed e v e l o p m e n to f r a i l w a yg r e a t l y b l l i l e tt r a i ni sb a s e do nt h ea d v a n c e dd i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i nt h i s p a p e r , g s m - ri sa n a l y z e da n d8p r o p o s i t i o n a lo f d m - s f n rm o d e l o fu s i n g o f d m - s f ni nb u l l e tt m i ni sr a i s e d , a n dt h ei m p r o v e m e n to nh a n d o v e ri nb u l l e tt r a i ni s m a i n l ya n a l y z e d 1 n 地f i r s tc h a p t e ro ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fb u l l e t t r a i mt h e nw ep r e s e n ta na n a l y s i so nc u r r e n tg s m ri nt h es e c o n dc h a p t e r w ea l s o f i g u r eo u tt h ed i s a d v a n t a g eo fg s m ri nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r3 ，w em a k ea d e s c r i p t i o no f o f d m s f n s y s t e ma n di t sa d v a n t a g e st og s m - r m o r e o v e rw ep r o p o s e as y s t e mm o d e lt h a tc a nb eu s e di nb u l l e t 妇i nc o m i n t l r i c a t i o n s , c a l l e do f d m - s 腿 w em a k ea no u t l i n eo ft h eh a n d o v e ri nt i t i sm o d e l i nt h ef o r t hc h a p t e r , w ea n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo f1 n d o v e ri ns u c has y s t e mm o d e l w ec o n c l u d et h ew h o l ep a p e ri nt h e l a s tc h a p t e ra n dm a k ef u t u r ep l a no f o u rs t u d y ( e y w o r d s ：b u l l e tt r a i n ；s f n ；h a n d o v e r s c l a s s n o ：n q 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师谈振辉教授的悉心指导下完成的，谈教授严谨的 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谈老 师对我的关心和指导。 谈振辉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，在此向谈老师表示衷心的谢意。 谈振辉教授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，金晓军老师、陈霞老师和实验室的各位同学 对我论文中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。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1世界高速铁路的发展史 1 绪论 根据列车的运行速度可以将铁路划分为不同的等级：1 0 0 1 2 0 k m h 为常速， 1 2 0 1 6 0 k m h 为中速，1 6 0 2 0 0 k m h 为准高速，2 0 0 - 4 0 0 k m h 为高速，4 0 0 k m h 以上 为超高速。国际上一般将高速铁路定义为“列车在其主要区间以2 0 0 k m h 以上高 速运行的干线铁路”。高速铁路具有以下特点：运行速度快、行车密度大、运行安 全、服务质量高、行车正点、高度环保的“绿色交通”、市场占有率高、经济效益 好、能源消耗小等。作为新世纪的崭新的交通方式高速铁路的出现和发展绝 非偶然，它是国民经济发展、科学技术进步以及铁路与其它运输方式激烈竞争的 产物，它的出现，使代表传统轮轨系统陆上运输工具的铁路进入了新的发展阶段。 高速铁路的实际应用发源于日本。1 9 6 4 年l o 月，日本修建了从东京到大阪全 长5 1 5 4 k m 的东海道新干线，它以2 1 0 k m h 的时速运营成功。从此，世界铁路高 速化揭开了序幕。由于该线列车旅行速度比原有铁路提高一倍，票价又比飞机便 宜，吸引了大量客流，迫使东京名古屋的航线班机停飞，在日本国内外产生 巨大影响。继东海道新干线之后，日本又陆续建成了山阳、东北、上越、长野四 条新干线，使日本的高速铁路营业里程达到1 8 3 1 5 k m ，成为日本陆地交通网的重 要支柱。 法国于1 9 8 3 年建成了第一条高速铁路t g v 巴黎东南线( 巴黎里昂) 其高速技术超过了日本，运营时速2 7 0 k m h ，之后又相继建成了时速3 0 0 k m h 的大 西洋高速铁路和北部高速铁路，把高速铁路的发展推向了一个新台阶。1 9 9 0 年5 月1 8 日，一列高速列车以5 1 5 3 k m h 的最高速度疾速行驶在新建成的法国大西洋 高速铁路线上，这一速度创造了客运列车时速的最新世界纪录。 此后，在世界范围内掀起了建设高速铁路的热潮，高速化已成为当今世界铁 路发展的共同趋势。欧洲的意大利、德国和西班牙也相继建成了高速铁路线，还 有许多国家如韩国、澳大利亚、加拿大、巴西也相继制定了高速铁路建设方案， 就连被称为“汽车王国”的美国也开始重视高速铁路的建设。近几年来，世界各 国相继建成了高速铁路，最高时速都在3 0 0 k m h 以上，大大缩短了人们的旅行时 间。 1 1 1世界其他国家和地区高速铁路的发展现状 业 塞銮 逗盔堂亟堂僮诠窑缝 盈 表l ：世界各国高速铁路简介 国家高速铁路简介 法国法国高速铁路称t g v ( t m i nag r a n d ev i t e s s e ) 。法国的高速 列车运行始于1 9 8 1 年，至今已有了三代t g v 列车：第一代是运行 于巴黎东南线的t g v p s e ，最高运行速度2 7 0 k m h ；第二代t g v 以t g v - a ( 大西洋线) 为代表；第三代高速列车t g v - 2 n 双层列车， 最高运行速度3 0 0 k m h ，以及t g v “欧洲之星”( 海峡隧道) 和 n o l ( 北部线) 。法国t g v 线路目前分为三部分：巴黎东南线( 巴 黎里昂) 时速2 6 0 k m h ，运行3 8 3 h ：大西洋线( t g v a t l a n t i g u e ) ， 由巴黎通往大西洋岸，时速3 0 0 k m h ，还包括t g vn o r d 、1 m s t 、 p b k a 以及1 - g v n o r d 、1 m s t ( 巴黎伦敦) 以及t g v - p b k a 。 德国德国的高速铁路成为i c e ( i n t e rc i t ye x p r e s s ) 。1 9 9 1 年6 月， 汉诺成一富尔达( h w 线) 、曼海姆斯图加特( m s 线) 两条 高速铁路以2 8 0 k m h 的速度运行。汉诺威柏林( 总长2 6 4 k m ) 的 高速铁路也于1 9 9 8 年9 月开通，2 0 0 2 年8 月1 日，成为德国第4 线路的科隆莱芮河高速新线开通。由此，德国列车的运营最高 速度也是3 0 0 k m h ，跻身于世界最高速运输集团的成员。 意大利雷德西马高速新线( 罗马佛罗伦萨) ，全长2 3 6 k m ，客货 两用线路，于1 9 7 7 年部分开通，1 9 9 8 年运营。摆式电动车组e t r 4 5 0 开始了2 5 0 k m h 的高速运行。罗马向南的那不勒斯高速新线，全长 2 2 0 k m ，于2 0 0 4 年开通。 西班牙首都马德里塞维利亚之间全k 4 7 1 k m 的高速新线，运行最 高速度为2 5 0 k m h ，这条高速铁路采用法国的t g v 技术。马德里一 一巴塞罗那高速新线，全长6 5 1 k m ，设计最高速度3 5 0 k m h ，于2 0 0 3 年1 0 月1 1 日开始运营，同时还规划修建以马德里为中心的辐射状高 速新线和连接葡萄牙的高速新线。 比利时和比利时的高速铁路以首都布鲁塞尔为中心，对西向( 经由里尔 荷兰到巴黎和伦敦方向) 、北向( 经由安特卫普到阿姆斯特丹方向) 和 东向( 经由列日到科隆方定) 的3 条主线路，进行高速干线的建设 和既有线的改造。由里尔到布鲁塞尔的高速新线在1 9 9 7 年1 2 月己 开通，通向德国科隆的高速线在2 0 0 2 年1 2 月开通。在荷兰正在建 设由布鲁塞尔北上的高速新线，经由鹿特丹连通阿姆斯特丹。 英国英国是铁路的发源地，最早的高速干线是连接英伦海峡的隧道 铁路c f r i ，其第一区间( 7 4 k m ) 已于2 0 0 3 印9 月1 6 日开通，c t r i 2 b基銮煎 友堂亟堂僮j 金塞绮埝 的高速铁路技术引进法国的t g v 技术，但也决定了英国成为进入 高速铁路拥有国行列的成员。 日本 在1 9 5 9 年，日本国铁开始修建东海新干线( 东京大阪) ， 在1 9 6 4 年开通，全长5 1 5 k m ，时速2 1 0 k m h 。随后向西延伸，山阳 新干线( 大阪博多) 全长1 0 6 9 k m 。1 9 8 2 年东北新干线( 大宫 盛冈) 开通，同年1 1 月，上越新干线( 大富新泻) 开通 运营。1 9 7 2 年日本运输省又规划了5 条新干线：北陆新干线( 东京 大阪富山) 、东北新干线延长线( 盛冈青森) 、九洲新 干线( 博多鹿儿岛) 、长崎新干线( 博多长崎) 、北海道新 干线( 青森札幌) 。 韩国 汉城釜山之间建设运营最高速度为3 0 0 k m h 的高速新线， 采用法国t g v 技术的高速列车命名为k t x ( k o r e at r a i ne x p r e s s ) ， 于2 0 0 4 年4 月1 日开通。这样韩国就成为继日本之后，东亚第2 个拥有高速铁路的国家。 中国台湾 2 0 世纪8 0 年代，台湾制定了台北高雄高速新干线计划， 设计运营最高速度3 0 0 1 a n h ，运行9 0 r a i n ，全长3 4 5 k m 。采用日本 7 0 0 系新干线技术。 1 1 2 我国大陆地区高速铁路发展现状 中国铁路发展快速运输，是从既有铁路提速开始的。中国铁路自1 9 9 7 年以来， 已经进行了5 次大面积提速。这5 次大提速在大幅度增加铁路提速线路资源的同 时，相应提高了列车运行的最高速度，其中快速列车最高运行速度达到1 6 0 k m h ， 非提速区段快速列车最高速度达到1 2 0 k m h 。特别是迸入2 l 世纪铁道部加紧对 既有铁路的提速改造，重点是对六大干线，京沪线、京广线、京九线、京哈线、 陇海线、浙赣线，开展提速安全标准线建设。 1 9 9 7 年4 月1 日第一次提速：提速主要在京广线、京沪线、京哈线三大干线 进行。允许列车速度超过1 2 0 k m h 的线路延长为1 3 9 8 k m ，速度超过1 4 0 k m h 的线 路延长为5 8 8 k m ，速度超过1 6 0 k m h 的线路延长为7 5 2 k m 。 1 9 9 8 年l o 月1 日第二次提速：提速范围重点还是上述三大干线。允许速度超 过1 2 0 k m h 的线路延长为6 4 4 9 k m ，速度超过1 4 0 k m h 的线路延长为3 5 2 2 k m ，速 度超过1 6 0k m h 的线路延长为1 1 0 4 k m 。 2 0 0 0 年1 0 月2 1 日第三次提速：提速范围主要是陇海线、兰新线、京九线、 和浙赣线。允许速度超过1 2 0 k m h 的线路延长为9 5 8 1 k m ，速度超过1 4 0 k m h 的线 e塞銮适盔堂亟堂焦j 佥塞绻 j 金 路延长为6 4 5 8 k m ，速度超过1 6 0 k m h 的线路为1 1 0 4 k m 。 2 0 0 1 年l o 月2 1 日第四次提速：提速范围主要是京九线、武昌成都( 汉 丹、襄渝、大成) 、京广线南段、浙赣线和哈大线。允许列车速度超过1 2 0 k m h 的 线路延长为1 3 1 6 6 k m ，速度超过1 4 0 k m h 的线路延长为9 7 7 9 k m ，速度超过1 6 0 k m h 的线路为1 1 0 4 k m 。 2 0 0 4 年4 月1 8 日的五次全面提速。全国铁路提速网络总里程达1 6 万公里， 其中列车运行速度1 6 0 k m h 及以上的线路达7 7 0 0 k m ，速度2 0 0 k m h 的线路总长达 1 9 6 0 k r a 。 中国首先建成的是广深准高速铁路，它是在1 9 9 1 年建成的广九铁路的基础上， 经多次改造重建，于1 9 9 4 年1 2 月建成的。该铁路设计速度目标值为客车速度 1 6 0 2 0 0 k m h ，货车1 0 0 1 2 0 k r n h 。2 0 0 3 年l o 月1 2 日，中国第一条快速客运专线 秦沈高速铁路正式通车，标志着中国开始迈向“高速铁路时代”。 “十一五”期间，中国将投资l 万亿元，完成速度在3 0 0 k m 以上总里程达5 4 5 7 k r n 的高速铁路建设。2 0 0 6 年1 月9 日铁道部部长刘志军在全国铁路工作会议上宣 布，2 0 0 6 2 0 1 0 年，中国将投资1 2 5 0 0 亿元建设1 7 0 0 0 k m 铁路新线，其中客运专线 7 0 0 0 k m ，主要有京沪线、京广线、京哈线、沈大线和陇海线等，列车运行速度将 达2 0 0 3 0 0 k m h ，此外还要建设京津线、沪宁线、沪杭线、宁杭线、广深线和广珠 线等相临大城市之间的城际轨道交通系统，列车速度将达2 0 0 k m h 以上，其中广 深线已确定将建成高速铁路，予2 0 0 5 年年底开工建设。 1 2 铁路无线通信 随着铁路运输的发展，运输生产指挥系统对铁路无线通信提出了更高的要求， 以满足运输指挥系统对列车运营进行管理和控制的需求。虽然自8 0 年代以来，蜂 窝移动通信系统发展速猛，但是由于铁路无线通信系统特殊的功能需求，铁路无 线通信系统应该是铁路专用无线通信，不应也不能被公用移动通信所替代。因此 发展新一代的铁路数字无线通信系统是新时期铁路无线通信发展的必由之路。 铁路无线通信应该具有以下的特点： ( 1 ) 随着铁路发展对无线通信的需求日益增加，必须在频率资源有限的情况 下，尽可能满足生产和发展的需要，铁路无线通信系统要将专用频率集中管理， 供各部门共同使用，调剂信道余缺，提高频率利用率。 ( 2 ) 能够实现对多个信道的有序控制，提高系统的安全性。铁路无线通信系 统是多信道的j 可控的系统，在可靠性、安全性等各方面都比简单的常规对讲系 统要好。在该系统中，可以设置用户优先级，重要的安全信息具有较高的优先级， 4 e基窑 垣太堂硒堂焦j 幺塞缝淦 可以对一般业务进行强拆，强插保证安全信息的畅通无阻。遇有紧急情况，也可 发起紧急呼叫。该系统还要具有实现对信道的动态分配的能力，一次通话不一定 是固定在某个信道上的，这在某种程度上可以防止非授权的跟踪窃听和干扰。此 外，还可以进行用户身份码的传输，对用户进行身份验证，使系统更加安全与可 靠。 ( 3 ) 铁路现有的常规无线通信系统，功能简陋，基本不具有数据传输功能。 铁路无线通信系统则可以较好地完成数据传输功能。 ( 4 ) 铁路无线通信系统作为一个先进的多信道、多用户综合无线通信系统， 能够满足各种场合的应用需求。这样的统一维护管理的无线通信系统可以有效减 少重复建设各部门常规无线通信网络的资金浪费，如机房、电源、天线塔和天馈 线等都可共用，还包括有线中继线的申请开设和统一处理也较方便，同时还可以 减少系统维护管理费用，如管理、值勤人员可以相应减少，并使各部门间的通话 更为方便、有效。 铁路无线通信的应用范围是十分广泛的。它可以承担铁路区间通信的主要任 务，逐步取代维修困难、质量差、成本高、使用不方便和管理困难的区间通信柱 功能，并用于工务、电务等部门区间维修作业通信。工程施工、公安保卫通信以 及抢险、救援等临时通信；在区间和站场用于调车、列检、客货运组织以及各部， 门指挥，为旅客提供动态列车时刻表，列车晚点或事故信息，预定车票，中转信 息等信息服务以及与地面公用移动通信网通信，成为新一代列车无线通信的主要 技术手段，为调度、司机等行车人员以及列车上的客运组织提供无线通信服务。 1 3 我国铁路无线通信的现状与问题 我国铁路通信主要目的是对运行列车进行系统的、全面的监控，做到尽早发 现问题，及时防范，达到保障行车安全的目的。现有的无线通信系统大邦分是简 单的常规对讲系统，工务维修、电务维修、公安等部门都分别申请了频点，建立 了自己的对讲系统。目前，在全路最普及的是无线列调，在全路6 万多公里的营 运线路上，无线列调的装备率已达到1 0 0 ，并且已经基本完成由5 0 m h z 到 4 5 0 m h z 的改造工作，由无线列调实现的车机( 车站机车) 联控是铁路运输调 度指挥系统不可缺少的安全保证设施。 我国铁路无线通信具有以下几个特点： ( 1 ) 无线信道传输条件恶劣。由于我国幅员辽阔，铁路的地形环境包括平原、 丘陵、城镇、山区等类型，因此其室外环境的多径时延差异大，最大时延扩展为 1 - 2 0 u s ，最大到达路径差为o 3 - 6 k m 。列车运行速度可分为：常速铁路的列车速度 在1 0 0 1 2 0 k m h ，中速铁路在1 2 0 - 1 6 0 k m h ，客运专线为3 0 0 k m h 因此，对于4 5 0 m i - l z 的载波，最大多普勒频移可达到1 2 4 5 h z ； ( 2 ) 小区沿铁路线成链状分布，目前4 5 0 m h z 无线通信系统小区之间距离为 5 - 1 0 k i n 。列车运行根据开行方向顺序穿越相邻小区，因此其漫游是可预测的。而 且线路上每个小区的用户数目相比g s m 小区的用户数远远少于公用移动通信系 统。 ( 3 ) 频率利用率不高，频率资源稀缺。我国铁路无线通信现有的频率资源为 4 5 0 m h z 附近的2 m h z ，而铁路无线通信需求日益发展，频率的稀缺问题尤为严重。 铁路现有的无线通信系统大部分是简单的常规对讲系统，工务维修、电务维修、 公安等部门都分别申请了频点，建立自己的一套对讲系统( 一般覆盖半个到一个 区间，多为同频单工) ，不但造成频率资源的极大浪费，特别是在枢纽地区，如北 京、徐州等，己无频率可供申请使用，而且同频干扰严重。 ( 4 ) 随着铁路高速化的发展，需要对机车、车辆等设备的性能、技术指标等 主要数据和参数进行采集、传输、分析和处理，因而对于无线数据传输的需求也 越来越来追切。利用数据传输技术，将能实现对列车的实时监控：可以将运行中 的列车的信息( 如行车速度、机车车次号、列车所在位置等) 实时地传给地面或调度。 地面再将控制信息传给列车，不但能减轻司机的劳动强度，还有利于提高效率， 安全行车。而且列车发送的上行数据多，接收的下行数据少。然而铁路现有的常 规无线通信系统，功能简陋，基本不具有数据传输功能。 ( 5 ) 传统的无线对讲设备可靠性差、功能少、容量低、业务单一、信道单一， 而无线列调在本质上属于同频对讲系统，虽然能基本满足铁路支线的调度通信的 需要，但也存在下述局限性； a 、由予无线列调( 无论是a ，b 。c 制式) 大部分为同频同信道单工系统，不 仅存在同频干扰，而且在同一信道上存在“大信号阻塞小信号”的闯题，即长发 问题。在特殊条件下，很有可能发生一般的业务阻塞重要的安全信息的情况，从 而对行车安全造成威胁。同样平面调车等其它系统也存在类似问题。 b 、列调系统实现的车机联控是保证铁路安全运输的重要手段之一。有关技术 规格严格规定了允许加入无线列调通话的人员范围，但目前手持台应用非常普遍， 大量的车、机、工、电、辆人员均有手持台，管理手段无法制约。同时社会上手 机的持有量也非常大。一般均能调出列调频率。在列调频点上乱说乱讲的现象并 不少见这对于安全行车来说是一种隐患， c 、无线列调是单信道系统，在铁路运输越来越繁忙的情况下，除了要完成机 车联控等调度业务外，尾部风压、车次号的传输以及无线预普系统等纷纷加入此 系统，使得该系统内拥挤不堪，有可能影响到机车联控的可靠性。 6 d 、大三角问题。大三角通信是无线列调的一个组成部分，但通话量很少，估 计在整个列调系统中占不到5 。现有系统接通时间太长，一般为7 8 s ，加上调度 员一般习惯于通过有线电话转接车站值班员将命令传给司机，故而大三角利用率 十分低，几乎处于闲置状态。 综上所述，我国现有铁路无线通信系统缺乏统一规划，铁路各部门由于业务 需要，建立了大量的对讲系统，性能原始，投资分散，维护分散，造成高投入、 低产出，浪费巨大，不能充分适应铁路无线通信的需求。 1 4 论文内容与结构安排 本文将根据我国铁路的实际情况，研究与铁路相关的无线通信技术，针对 g s m r 在切换方面存在的问题，提出了一种用于高速铁路无线通信的同步单频网 系统，并且对该系统进行了理论研究和计算机仿真。 论文主要内容如下： 第二章介绍了铁路数字移动通信( g s m r ) 的原理、网络结构以及基予g s m - r 的列车控制技术。随后分析了g s m - r 系统在切换方面存在的主要问题。 第三章介绍了正交频分复用( o f d m ) 和单频网( s f n ) 的原理以及基于o f d m 的s f n 的特点，并结合铁路无线通信的特点提出了一种用于高速铁路无线通信的 同步单频网系统，然后在此基础上概述了切换问题。 第四章针对第三章中提出的系统在切换方面的性能进行了理论研究和仿真。 7 2 铁路数字移动通信g s m r 2 1g s m r 原理以及网络结构 随着人类进入高速铁路时代，为了保证高速列车安全运行，实现列车自动控 制，要求列车与地面之间进行双向、大量信息传输。为了增加列车与地面之间信 息量的传输，国外提出几种不同的方案，其中包括：德国l z b 自动闭塞系统，它 采用了轨道电缆方式；日本在上越新干线上采用的漏泄电缆方式；欧洲e t c s 系 统采用的0 s m r 纯无线方式试验也在进行之中。 为了满足我国发展高速铁路的需要，将无线数据通信用于铁路列车控制中也 实属必然。2 0 0 0 年底铁道部正式确定将g s m r 作为中国铁路未来发展的方向。 2 1 1g s m r 的提出与发展 随着欧洲铁路网络的迅速发展，欧盟各国都亟待解决在列车高速运行时语音 数据的可靠传输以及跨国运行时自动列车防护的互操作性问题。国际铁路联盟为 了满足2 l 世纪欧洲铁路网络一体化进程，向欧委会推荐了欧洲铁路综合调度移动 通信系统g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 。 g s m - r 是在g s m 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的 要素，能够满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。由于g s m - r 可以 实现高速和一般列车的通信，能够将现有的铁路通信应用融合到单一的网络平台 中，可以减少集成和运行费用；而且g s m r 是由已经标准化设备改进而成，在 g s m 平台上已经提供了大量的业务，在引入铁路业务时，只要做最低限度的改动， 就能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行。 g s m r 的发展大致分为3 个阶段： ( 1 ) 标准制定阶段：1 9 9 3 年国际铁路联盟与欧洲电信标准组织协商，提出欧 洲各国铁路下一代无线通信的g s m r 技术。 ( 2 ) g s m r 系统试验阶段：1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个铁路组织签署了g s m - r 谅解备忘录。同年，为了验证g s m r 系统的可靠性、兼容性等指标，国际铁路联 盟还成立了另一个专门组织m o r a 卜e ，它的主要成员包括铁路运营商、g s m _ r 制造商和研究机构。从1 9 9 7 年至2 0 0 0 年，m o r a n e 分别在法国、意大利、德国 的高速线上开展了3 个试验项目，对g s m r 系统进行了严格的测试。 ( 3 ) g s m r 的工程实施阶段：从2 0 0 0 年之后，欧洲的l o 个国家以及美国都 8 j 立銮遭本耋亟茔僮! 金塞迭隆熬主整动逼篮q 丛：区 已经陆续建起了g s m r 工程试验线。g s m - r 在欧洲取得了巨大的成功，目前已 经有超过3 0 家铁路公司已经承诺将在其国际路网中使用g s m - r 技术。 2 1 2g s m - r 业务 g s m r 是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，其业务模型可 以概括为： g s m r 业务= g s m 业务+ 语音调度业务+ 铁路应用 ( i ) g s m 业务：包括电信终端业务、电信承载业务和补充业务。 心) 高级语音呼叫业务：包括增强多优先级与强拆( e m l p p ) 、语音组呼( v g c s ) 和语音广播( v b s ) 。 ( 3 ) 铁路基本业务：包括功能寻址、功能号表示、接入矩阵以及基于位置的 寻址。 在研究我国铁路通信要求后，下面给出了能够使得铁路通信系统投入经济运 行并已经实现的应用。其中部分应用解释如下； ( 1 ) 区间移动通信：代替区间通话柱，满足紧急救援、应急抢险通信指挥的 需要，灵活方便。同时实现区间作业人员的移动通信。 ( 2 ) 尾部风压检测；尾部风压状态由车尾装置移动设备获取，通过g s m - r 网 络传输数据信息，机车司机随时可以查询、反馈车尾的工作状态。这种方式的优 点是：在复线区段或临线，追踪列车之间不会相互干扰；在隧道内也能传输。 ( 3 ) 列车自动控制：车地之间的信息传输通道采用双向无线通道。地面控制 中心或基站发出的信号由列车上的天线接收。基于g s m r 传输平台，提供了车地 之间双向安全的数据传输通道。准确的定位通过g s m - r 传输的g p s 服务获得a 这将最终取代现有的信号和列车控制系统。 ( 4 ) 旅客业务：虽然不是铁路运营所必须的，但是能够增加旅客的舒适性。 例如购票服务、预订服务、时刻信息以及公网通信等等。 2 1 3g s m - r 网络概述 典型的g s m - r 网络是在沿路轨方向安装定向天线，以形成沿铁轨的椭圆形小 区，每个小区有一个或多个基站收发信机，数目的多少由话务量决定。 一个基站控制器一般负责管理一个或多个小区。g s m r 保留了g s m 的基本 结构，同时还需要一个存储组呼属性的寄存器来实现网络功能组呼寄存器 ( g c r ) 。它实际上相当于一个数据库，存储有关语音组呼的信息。 9 在空中接口方面，g s m r 在g s m 的基础上增加了通知信道( n c h ) ，用来传 送包含组呼信息和组呼信道信息。n c h 的位置在b c c h 的系统消息中广播。 下面的图说明了g s m r 网络的基本结构： 图2 1 ：g s m - r 网络的基本结构 2 2基于g s m - r 网络的列车控制技术 2 2 1基于g s m - r 网络的列车控制结构 基于g s m - r 的列车运行控制系统是在采用传统的固定闭塞制式或移动闭塞制 式条件下，增强列车自动控制功能的超速防护系统。基于g s m - r 的列车运行控制 系统最大的特点是引入了无线控车的概念，在车地之间利用数字无线通信系 统g s m r 来双向传输有关列车控制的安全信息。基于g s m r 的列车控制系统的 示意图如图2 2 所示。 基于g s m r 的列车控制系统主要包括三个部分；车载子系统、地面子系统和 g s m - r 网络。另外，还有一些外部接口，如列车接口、司机接口、联锁设备、调 度集中设备，以及维护管理中心等外部地面系统。 i o 韭塞窑通太堂亟堂焦途塞堡跷熬星整麴通擅qsm ：塞 i 列车 if 机车司机 葛耍 车戳予系统 l 点式设备il g s m - r 模块1 。瓮城 点式设备ll g s m - r 模块冽一面i 一| 无线闭塞中一o r b c 怒 划相邻 遗蕾 系统 t 受。 r逛历刃 连镄设备 、澍维护管建中心 i 调度集中设备 图2 - 2 ：基于g s m r 网络的列车控制结构示意圈 地面子系统的主要功能是在r b c ( 无线闭塞中心) 控制区域内，地面设备通 过列车识别码获得列车的信息。向列车发送精确的位置信息，在r b c 控制区域内 跟踪列车的位置。r b c 根据连锁、轨道电路等信号系统提供的信息，以及来自列 车的信息，分别为每列车生成列车运行许可。通过g s m r 数字无线通信系统，r b c 分别向每列车发送列车运行许可消息和线路数据。在r b c 的边晃处，对列车控制 权进行移交。 车载予系统的主要功能是，读取应答器的信息并且利用无线通信车载台和 无线通信模块，通过g s m r 网络，把列车相对于应答器的位置信息发送到r b c 。 通过无线通信车载台和无线通信模块，列车接收与这个应答器位置相关的列车运 行许可和线路信息。从前方位置所允许的不同速度值中，选择最严格的一个值。 考虑列车的运行制动特性。动态计算运行速度。比较实际的列车速度与允许速度， 在必要时发出制动命令。向司机显示机车信号。 2 2 2列车控制系统对g s m - r 网络的需求 无线数据通信方式用于铁路列车运行控制需要具备以下条件： ( 1 ) 很高的数据传输可靠性。采取各种容错、纠错和冗余等技术，使系统数 据传输失效率和平均无故障时间达到系统要求。 塞窑逼叁堂亟堂僮论塞筮整熬量整麴通信鱼s 丛： ( 2 ) 能满足列车控制所需信息吞吐量和实时性要求。一般高速列车的运行速 度为2 7 0 3 2 0 k m h ，在5 0 m s 内对上述两种速度所造成的距离误差分别是4 4 4 m 和 2 7 9 i n ，都在控制允许范围之内。假设所需传输的信息董为2 5 6 - 1 0 2 4 b i t s ，为了满 足实时控制需要，在5 0 m s 内传输这些信息，信道无误码传输速率必须达到 5 1 2 2 0 4 8 k b p s 。 ( 3 ) 必须是一种故障安全传输方式。所谓故障安全传输是指由于传输设备的 故障或传输道路的噪声使传输的信息发生错误的情况下，能够极力防止倒向危险 侧信息的错误传输的一种传输方式。 列车控制系统对g s m r 网络的端到端业务需求主要包括三个方面：数据承载 业务需求、补充业务需求和q o s 需求。 这些需求要在铁路现场复杂的环境中进行反复的测试和调整，才能确保网络 在实际运营中的可靠工作，保证列车安全运行。 2 3g s m r 系统中的越区切换 这一节介绍了g s m - r 系统中越区切换的详细过程，并进一步针对其中存在的 问题作出了分析。 2 3 。1g s m _ r 越区切换过程 g s m r 无线通信系统为了实现多用户的通信，采用一定复用距离的频分和时 分机制来避免同信道干扰，特别是避免相邻蜂窝的同信道干扰。这样的组网方式 在相当的一部分区域范围内禁止使用相同的频率。因此，移动台在不同的区域中 移动的时候，为了保证移动用户通信的连续，必须进行频率以及时隙的切换。 g s m - r 系统中越区切换是基于时分和频分模式硬切换，其基本的流程描述如 下： ( 1 ) m s 处于呼叫的稳定的连接状态中； ( 2 ) m s 对邻近基站发出的信号进行无线测量，测量结果被报告给基站子系统 b s s 中的基站收发信台b t s ； ( 3 ) 无线测量结果经过b t s 预处理后传送给基站控制器b s c ，b s c 根据测量 结果和切换门限值进行判决，决定是否要进行切换，如果需要再向源m s c 发出切 换请求； ( 4 ) 源m s c 决定执行切换； ( 5 ) 源m s c 请求在目标m s c 区域内建立无线通道，然后在这两个m s c 之阎 1 2 i 立窑遭厶堂殛堂焦监塞煞跬熬主整麴亟值鱼丛：壁 建立连接； ( 6 ) 源m s c 向目标m s c 发切换命令后，m s 切换到已准备好连接通路的基站； ( 7 ) m s 完成切换操作后，发出切换成功确认消息传送给源m s c ，以释放原 来的无线资源。 下面是越区切换的信令流程图： 源b s c 】f 濠 m s c1f 目标m s c )c 耳标b s c 图2 - 3 ：g s m - r 越区切换流程图 2 3 2g s m - r 越区切换中存在的问题 g s m r 系统通常采用沿铁轨的椭圆形小区相邻构成，每个小区有一个或多个 基站收发信机。基站收发信机通常位于每个蜂窝的中心，一般采用全向天线或者 扇区天线收发信号，移动台往往采用全向天线收发。 在g s m r 系统中，若采用全向天线，虽然系统整体的切换次数少、每个小区 获得的爱尔兰容量高，但获得的载干比( c i ) 较低；而采用扇区天线时，系统虽 然减少了周围同频干扰源的个数从而提高了载干比，但由于引入了扇区天线而增 加了切换次数，并且降低了每个小区的爱尔兰容量。因此要在采用扇区天线与降 低切换次数之间取一个合理的折中。 还有一个很重要的问题，g s m r 系统的切换机制是采用硬切换，作为一种频 分复用时分多址系统，g s m r 网络中的越区切换是需要改变传输载波频率的硬切 换，因而切换中不可避免地存在切换中断。切换中断期间，信道实际上是暂时关 闭的，这一机制造成的突发差错通常是传输过程中出现数据差错的最主要的原因， 在一定程度上是行车安全的隐患。分析上一节描述的g s m r 越区切换的过程，可 以发现在源m s c 向目标m s c 发起越区切换请求之后，目标m s c 将指示目标b s c e 塞窑道厶堂亟圭堂焦谂塞迭监錾主整动道蕴垒墨丛：b 为这次切换分配无线信道。但是如果目标b s c 中由于业务繁忙而暂时无法分配无 线信道的话，这次切换请求就会被拒绝，发生掉话的情况。 在高速铁路的通信中，通常作为移动台的是处于高速运行状态中的列车，运 动速度快，将使得无线信道的多普勒和多径效应更加明显。以g s m 为基础的 g s m r 系统的物理层技术对于这样的信道，无疑还要采用更加复杂的均衡和信道 估计技术，这将会极大的增加系统的复杂性和成本。在这样的系统中使用中断概 率较高的硬切换机制，对于整个铁路无线通信系统来说，是无法满足其非常严格 的安全性要求的。 除了切换问题以外，g s m r 系统还存在着其他一些有待于迸一步研究解决的 问题。g s m - r 系统采用的复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用 大量的发送滤波器和接收滤波器，增加了系统的复杂性和成本。更重要的是这样 的复用机制虽然通过在各个子载波之间保持足够的频率间隔保证了一定的通信质 量，但是系统容量或频谱资源的利用率却往往难以提高。形成这个问题的根本原 因在于这些通信系统的信道资源分配机制是基于干扰抑制或者干扰避免的原则， 而不是进行某种方式的干扰利用。 另外，随着移动通信业务近年来渐渐向着非对称方向的趋势发展即下行 数据速率远远高于上行数据速率，而g s m - r 系统对上、下行链路的处理方式类似， 或者虽然能够提供不平衡的上下行链路，但是需要借助予动态信道分配等复杂控 制机制。这些都给网络带来了更多的复杂性，也意味着系统实现的复杂性以及稳 定性的降低。 综上所述，g s m - r 虽然在欧洲已经取得了很大的成功，但是并不足以完全适 应高速铁路的应用需求，对此还需要进一步研究。 2 4 本章小结 本章针对铁路数字移动通信系统g s m - r 傲了