基于GSM-R车地通信误码的分析与研究.doc

西南交通大学硕士学位论文基于GSM-R车地通信误码的分析与研究姓名：杨雪申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：王长林20100601 摘 閒 ， 畆 垦猚 琲 鲷 ， 白 的 本 学 位 论 文 作 者完全 了解 学 校有 关 保 留、 使 用学 位 论 文 的规 定，同 意学 校保 留并向 国 家 有 关 部门或机 构送 交论 文 的复 印 件 和 电 子版，允 许论 文 被查 阅和 借 阅。 本 人 授权西 南 交通 大学 可 以 将 本 论 文 的全 部或部分内 容 编入有 关 数据 库进 行 检 索 ，可 以 采 用影印 、 缩 印 或扫 描 等复 印 手 段 保 存和 汇 编本 学 位 论 文 。 西 南 交通 大学 硕 士 学 位 论 文 主 要 工 作 毕 声 明 研究 课题的背 景 和 意 义具有 一定 的创 新 性 。在 我国铁 路 应用中， 甊 占用的频 段 为 滦 和 一 种 总体趋 势。 随 着运 行 的 速 度 不 断提高 ， 对 于列 车的 控 制方 式 ， 尤 其 是 对 于通信 系统的 可靠 性提出 了严峻的 挑 战 。 随 着我国 铁路 大 提速 ， 电气化 铁道 的 无线电噪声 骚 扰成 为 一 个 不 容 忽 视 的 问 题 。 无 线通信 设 备都 工 作 在 列 车行 进 时 的 电磁 环境中 ， 因 而研究 及 预测列 车上 的 无 线电噪声 特 性， 对 于设 计 通信 系统指 标 、 提高 通信 质 量 有 现 实 的意义 。 上 分 析 弓 网 电弧 的 匦杂 隚 畔 低矪 的 关系。 基 于 甊的 无线 通信 示 意图 如 图 所 示 ： 转 发 服 务 器 媒 诘 、 机 车 台和移动手 持 终 端 等 设 备 ，系 统构 成 和终 端 设 备 。图 甊编 组站 无 线 通 信 系 统示 意 图 甊网 络结 构 爱； 统 卜图 猂网 络 结构 图基 于 奈 尴呋 敌 藕畔 低 彻 髁 鞒 倘 缦 隆 】 ：地 面 设 备 主 机 采 集 联锁 系 统 中有关的 信号、进路等 信息 ， 然后 进行 编 码 和安全 处 理 ， 并 传 送 至 甊的 固 定 网 络 中 ，当 机 车 进入 车 站无 线机 车 信号覆盖 范 围 时 ， 甊车 载台 与地 面 设备 主 机 建 立 无 线链路， 甊车 载台 收到相 应 信息 ， 并传 送 到车 载主 机 ， 进行 相 应 解 码然后 显 示 正确 机车 信号， 车 载设 备 收到信息 后 ， 还 需 向地 面 设备 发送 回 执 信息 。 甊无 线机 车 信号信息 传 输 方 式 相 对 于 传 统 的 轨 道 电 路传 送 机 车 信号几 乎不 受 环 境因 素 的 影 响 ， 工作 可靠 性 高， 维修 工 作 量 小 。 甊移 动接 收端功 能 模块划 分图 移 动接 收终 端内 简单 结构 框图 图 移 动 台的 详 细 功能模 块 划 分时 分 多 址就 是 在一 个较 宽 的 无线载频 上 ，按照 时 间 间 隙划 分 成 若 干个时 分 的 信 道 ，每一 个用 户 占 用 其中 的 一 个时 隙，并 且只能在指定 的 时 隙内 接 收 或 者 发 送 信 号 。 掰 蔽 频载 频 鳽 工作频段 ，所示 ：表 甊 网 络频道 号与频率对 照 表基 站发射频基 站接收频率基 站发射频 甊移 动通 信网络 是 整 个 铁路系 统 组织 运 输 生产 及 进 行 公 务联 络 的 核 心 部 分 ， 模 型 洌 嗬 敕段 之 间 ，天 线高 度 在 之 间 。 啪 7 艘 惶 自 谧 计 交 乔 居行 煜吒叨 萲 为 ，移 动台 天 线高度 厅 陀 为 的 自 由空间 中 值损 耗 彳埘 。 的 曲线。 在 使用 模 型 确 定 路径 损 耗 时 ，尸 三 为 传 播 路径 损 耗 的 中 值，三 W杂 煽 占渎肪 端 鸷 模 。 。 为 自 由空间 中 值损 耗 ， 为 ： 厂争 信号 传输的 干扰 分 析率 的 增 加 会 降低 话音质 量， 甚 至 当 服 务 质 量达 到最 低 阈 值 时 ，特别 是 与 欧洲 表 甊 相关 技 术 指 标机车 台 收 、 大 城 市中心 甊 主 要干扰 源 甊 系 统 内可 能 存 在 同 频 干扰 、 邻频 干扰 和 互 调 干扰 。 谋 ； M 脑 诵 衅刀 挝 # 荷 闲 ，下行收 机接 收 的有用 信 号，导 致 甊 接 收 信 噪 比 下降 【 】。 和 互 调 干 扰。同 样 ， 弓 网 电 弧 产生的 电 磁 噪 声 ， 同 样 会 对甊 通 信系统 产生影 响 ， 影 响 系统的 误码 率 ， 严 重时 甚 至 会 导 致掉话 和 通 信中 断。 电磁 干扰 概 述图 籰 电磁 干扰 三要素示 意 图电磁 干扰 源 是 指 这样的 设 备 或 自 然现 象 ，它 能使 共享 同一 环境的 其它 设 备 、分 系统 或 系 统 发 生 电磁 危 害 ，导致 性 能降级 或 失 效 ； 也 可 能会 使 人 或 其它 生 物 受 到伤 害 。敏感 设 备 ： 敏感 设 备 是 指 当 该 设 备 受 到电磁 骚扰 源 所 产 生 的 电磁 能量作 用 时 ，会发 生 电磁 危 害 ，导致 性 能降级 或 失 效 的 器件 、设 备 、分 系 统 或 系 统 ，许多 器件 、设 备 、分 系 统 或 系 统 可 以 既 是 电磁 骚扰 源 又是 敏感 设 备 。耦 合 途 径 ： 耦 合 路 径 是 指 传输 电磁 骚扰 的 通 路 或 媒 介 。 无 线 电干扰 是 指 由 一 种 或 多 种 辐 射、感 应 或 其组 合 所 产 生 的 无 用 能量对 无 线 电通传导性 耦 合 。 当 两 个或 两 个以 上 回路 的 电流 经 过 一 个公共阻抗 时 ，一 个回路 的 电流 在 该 公共阻抗 上 形 成 的 电压 就 会 影响 到其它 电路 回路 ，即 为 电路 的 传导性 耦 合 。 传导性 耦 合 可 以 分 为 电场 耦 合 、磁 场 耦 合 和 电场 磁 场 耦 合 。 电磁 辐 射，大 功 率的 高 频 信号 会 产 生 强 烈 的 高 频 电磁 波 ，以 空间 辐 射的 形 式 向四 周 扩 散 ，对 其它 电路 形 成 干扰 。蒙特 卡 罗法 传输 信道 模 型 建立，一弓； 、， 口， 墨 蚐 都 是 随 机 变 量之 和，由 中 心 极限 定理可知 ，大 量相 互对 立的 随 机 变 量之 和的 分别 近似 于 服从 正 态分布，因 此 蚐 都 可以 看作是 正 态分布的 随 机 变 量。而 两 个相 互独 立的 正 态分布随 机 变 量之 和包络 服从 曲 分布。每条 路 径 都 有 它 自 己 的 增益、 相 移和 延 迟，因 此 所 有 路 径 的 总 和可用 它 的 冲 激响应或 频 率 响应来描述 。当 移动台 的 位 置 变化时，每条 路 径 的 长 度 随 之变化。由 于 一 个 波 长 的 路 径 长 度 产 甊电 磁 干 扰可 以 分 为 系 统 内干 扰和 系 统 外干 扰。 甊设备内部 的 干 扰主要是指 发 射 机 、 接收 机 及 设备内部 元器 件产生 的 干 扰。 在 甊基 站 中 ，主 振 器 、 振荡 器 、 调 制 器 、 倍 频器 、 放 大 器 等 部 件在工作 时 都 会 产生 热 噪声 ，这 些 噪声 一 旦被调制 就会 形 成 干 扰信号 发 射 出去 ； 当电 源 滤波 不 好 时 ，外界 的 杂 散 电 波以 及 噪声 也会 串 扰进电 源 电 路，经 各 次交 流 脉 动谐 波进入 发 射 电 路形 成 发 射 噪声 。重 要， 钪 匾# 褂 匾! 钪 匾猙 加 鲂 楸 忍睾笤儆 个 的 影响则是 完 全不 同 。当 放 电 现 象 发 生 时 ，此 时 在 电 极 最 近 处 空 气中的 正 负离子 被 电 场加速 ，而 且 在 移动 过程 中与 其 他空 气分 子 碰 撞 产 生 新的 离子 ，这 种 离子 大 量 增加的 现 象 称之 为“ 电 离”。空 气发 生 电 离时 ，温 度 急 剧 上 升 ，同 时 以弧 光 的 形 式放 射 出能 量 ，这 就 是 “弓网 电 弧 ”。弓网 电 弧 是 一 个电 场、 磁 场、 热 场、 流 场变 化 的 综合 作用 过程 。 加之 野 外 天气等 不 确定因素，使之 其 中的 许 多参数 都 是 高 度 非线性 的 ，研 究 起 来相当 困 难。 况 【 】： 玞 数 量 级， 电流通过 接触 面产 生 的 能量 加 热 导电斑 点， 导电斑 点温 度 迅 速 上升 并 被 熔 化或 气 化而 形 成电火 花 ， 导电斑 点错 位后 的 间隙 也 会产 生 电火 花 。电火 花 一 直 持 续 到 新 的 、 不 被 熔 化的 导电斑 点产 生 为 止 。导 电斑点间 隙 电压和开 断 电流大 到 一 定 程 度 时 表 现为 电弧 。该 情 况 在列车 受 流过 程 中 较 常 见 ， ， 一 根 据 巴申定 律 【 】可 知气 隙 的 击穿 电压是 气 压 图 渚 嗬 雂 的 乘 积关 系 函 数 ： 磐 痩 】万 空气 的 相 对 密 度 ； 尽 滓 籪 】 则 在己知振动 行 程 缓 褪 艿绻 樗 阒 柿縈的 条件 下 ， 根 据 牛 顿 运 动 学 定 律 ， 即可 估 。的 概率 。由此 ， 可 以得 到 统计意 义 上的 电弧 重 复 频 率【 】： 瓺 口 !S 驳 慵 渚 ； 图 弓 网离 线 仿 真 结 构图 图 弓 网一 次 离 线 噪 声 频 谱 分布 图 分 布 饬 糠 是 为 【 】：是 通信 间断率 造成 的 通信 间断率 的 研究是 进行 蜂窝 移动通信 系 统 规 划 和 设 计 时所 要 解 决的 重要 问 题之 一。 另 一种 衡 量 系 统 传 输性能 的 重要 指 标就 是 误码 率 。 误码 率 可以很好地衡 量 系 统采用某 一数 字 调制 方 式时的 传 输性能 ，因此，在 数 字 通信 系 统 中，误码 率 是 选 择调制方 式的 重要 依据之 一。 口 。取 蛘 硎 敬 藕涂 蘸 牛琎 表 示 中心在 原 点 ，持 续时间为 ，的 矩 形 脉彤 饿 丢 硎 带宽 ，么 为 常数 。 ， 口 。 卜， 耙 籰 ， 痜 萇 一 痜 疧 琗 浚 ， 的 联 合概 率 密 度 函 数 可以表 示 为 ：删 工砖 南 高 等 一警，仃 口 ； 停 慨 仃 以 口； 丸 仃 未， 矽 印 一， 声 以 及延时信 号的功 率 。尸賢 憾垒 一旷一堡 型 簉 由于 弓 网 电 弧放 电 这 一随 机事 件， 以 及放 电 所 引 起 的电 磁 信 号的幅 度也是 一个 随机变 量 ， 为 了 研 究 弓 网 电 弧放 电 对 甊 通 信 系统 性 能 的影响 ， 应 用幅 度概 率 统 计来研 究 是 一种 可行 的方法 ， 也就 是 研 究 弓 网 电 弧放 电 所 产 生的高 频电 磁 波 的概 率 分布 和系统 南喙 匦 裕 杓 乒 缁 母 咂 档 绱 挪 统 计特 性 与 猂 通 信 系统 误 码 率 关 系的框 架 如图 所 示 。图 行 接收判 决 ， 由此 可以 得到 虰 的关 系。放 电 参数设输 出得到 放 电 电压模 块 高 频电 磁 波 统 计特 性 设置 模 块中 需 要设置 的参数为 ：， ， 蘤， 表示 通信 接收机接收到 的噪 声分量 ， 可以 得出接收信 号的概 率 密 度函 数如下 ：， ， 一厄 一旱 彳肋 弧掏 误 码 率的 变化 情 况。 通 过 第 三 章 对弓 网 电 弧产 生的 原 因 以 及 原 理 进 行 分析 与 研 究，讨 论了 其发生的 模型，分 析 了 弓 网 电 弧激 发的 高 频 电 磁波 的 臣 铺 匦 杂隚 通 信 系 统 误比 特 率的 对应 关系 ，确 知了 弓 网 电 弧激 发的 高 频 电 磁波 对 甊 通 信 有 着 不 可 忽视 的 干 扰 存在，固 在本 章 中，继 续从该干 扰 源 以 及 耦 合路 径 着 手 ，针 对于 该辐射 干 扰 的 特 性 ，就减小 误码 率 提 高 通 信 可 靠 性 的 目 的 ，对高 频 电 磁波 干 扰 进 行 抗电 磁干 扰 的 分析 与 探 讨 ，现 有 资料中鲜 有 关于 甊 通 信 系 统 抗弓 网 电 弧电 磁干 扰 的 研 究，而 通 过 前 面 分 析 ，可 知研 究该辐射 干 扰 具有 比 较重 要 的 意义，所 以 本 章以 新的 角度去尝 试 探 讨 一 种可 以抑制弓 网 电 弧所 激 发的 高 频 电 磁波 对 甊 通 信 系 统 干 扰 的 方 法，并 对该方 法进 行 仿真验 证其是否 有 效 性 。解决 同频 干 扰 的 方 法也 有 多种，常 用的 有 降低 发射 机 功 率 、接 收 机 灵 敏度，降低天 线 高 度或 增 益 ，改 换 工作 频 率 等 等 【 】 。这 些 方 法对于 抑制其他 干 扰 是有 效 的 ，但 是对于 本 文的 弓 网 电 弧产 生的 高 频 电 磁干 扰 。降低 发射 机 功 率 对于 猂 系 统 内 的 同频干 扰 是有 效 的 ，这 样其他 涞男 藕哦 杂诘 鼻 癇 不 会 形 成 强 干 扰 ，降低 接 收 机灵 敏度的 效 果 是一 样的 ，改 换 工作 频 率 在其他 场 合比 如雷 达 探 测 中是可 行 的 ，但 是对不 足 信 号 电 平强 度较 低 时也 将被 作 为 噪声，而 且 有 用信 号的 强度也 是随 机 变 化的 ，所以 灵 敏度的 阈 值 只 能是一种基 于 概率 意 义的 设 定 ，未知地 漏 掉有 用信 号 是必然的降低 天 线 增 益 与 接 收机 灵 敏度有 些 类 似 ，天 线 增益 降低 也 能抑制某 些 场 合的 干 扰天 线 增 益 的 降低 是对所 有 接 收 信 号 的 增 益 全部降低 ，而 不 是选 择 性 的 ，所有 有 用信 号 和干 扰 信 号 的增 益 都被 降低 ，而 且 是同时同步 地 降低 ，所 以 在此 对于系 统 的 性 能改 善不 够明显对于 本 甊 通 信 系改 换 工作 频 率 是抑制同频 干 扰 的 有 效 方 法，侦察到 同频 干 扰 时 快 速 地 更换工作 频 率 ，则原 来 的 同频 干扰 就 成 为 不 同频 率 干 扰 ，可以 通 过 滤 波 器 滤 掉，尤 其适合于 雷 达 侦察的 应 用场 合，也 包 括 跳 频 通 信 的 应 用统 ，工作 频 率 是预 先设 定的 ，而 且 是作 为 标准 规定 下来 的 ，所 以 系 统 的 工作 频 率是不 可 变 更的 ，所 以 改 换 工作 频 率 这 种方 法对于 甊 抑制弓 网 电 弧的 高频 电 磁波 是不 适 用的特 别适 合于 干 扰 方 向于 有 用信 号 方 向不 同的 情况 ，可 以 将 天 线 的 接 收 增 益对空 间方 向进 行 选 择 性 衰落，对于 干 扰 方 向形 成 极 低增 益 ，以 此 来 抑制干 扰 基于空域 滤波 的 干扰 抑 制方 法研究 络 来动 态 自 动 调整 天 线 的 方 向 图 ， 使 得 在 干扰 方 向 上 形成 零陷。 假设 窄带 信 号 ， 入射 方 向 为 口 ， 信 号的 频 率 为 。将图 天 线 部 分 重画如 下所 示 ：图 若 设 第 一个 阵 元接收到的 信 号为 模 虻 个 阵 元接收到的 信 号有一个 延也 就 是 说 在 甊 通信 系统中， 若 采 用 膨 个 接收阵 元， 则 各个 接收阵 元之间 所 其 中相位 延 迟 为 缈 ， 计算如 下 ：式 表示 【 】 ： 话 型 堂 翌 臼 所 造 成 的 叠加 在 各接收阵 元上 的 噪 声 ， 也 为 一列向 量。其 中权 值 矢量为 ： 蝍 设 置干 扰 角 度干 扰 强 度 设 置干 扰 信 号产生设 置迭代步 长自 适应图 干 扰 抑 制仿 真 框图统 造 价；梯 度 估 计的 最陡下降 原理 ， 主 要 适用 于工 作环 境中 信 号的 统 计特 性 平 稳但未知的 情 况 ， 即 它 用 瞬 时 输出 误 差 功 率的 梯 度 髄形 形 胆 瑉 初 始条 件： 图 干 扰 方 向来 自 于 度 方 向的 抑 制效果 图 极 坐标 下的 接收波束形 成图其 他 仿 真 参 数 不变 ， 同样采 取四 阵 元 均 匀 线阵 ， 阵 元 间距 仍 然 取半波长 ， 采 样点极 坐标 下的 接收方 向图 如 图 所 示 ： 惴 递 推 最 小 二 乘法 亲 钚 朔 囊 焕 嗫 焖 偎 惴 琑 算法 同 样 可以 ， 綾 。 籫 。 刀 。 一 】仿 真框图 如 图 所 示：权 重 系 数初 始 化作 用更 新增益矢量 国 图 趌 算 法 的干扰 来自 于度 方 向 接收 波束图图 晗 禄赗 算 法 的干扰 来自 于 度 方 向 接收 波 束 图 猂系统 干扰 抗干扰 模 型抗干扰 模 块弓网离线判图 甊系统 干扰 肮 干扰 模 型 结构框 图 图 弓 网离 线 判 决 模 块流 程 图 图 干 扰 电 磁波 发 生 模块 流 程图 图 甊系 统抗 干 扰 模 块 流 程 图 图 仿 真模 型 界面囱图 击 穿 条 件 判 决 模 块示 意图岛 盏 銮蕾 匿 一一 弓 网干 扰模型 的 关 键 参 数 输 入 分为 单次 火 花 放 电 模型 参 数 输 入 、 连 续火 花 放 电 模型：。图 连 续火 花 放 电 模型 参 数 设 置 示意 圈弓 网离 蛙 鴒逅 回图 弓 阿 离 线事 件 模型 参 数 设 置 示意 图 卫蜀 瞳图 一 次 弓 网离 线仿 真 结果 图 甊抗 干扰 模 型 仿 真 结