列车间多频段直接通信技术研究

摘要

保证列车运行的可靠性和安全性一直是铁路系统中最重要的工作。近年来，高铁的大力发展，车速不断提高，使得铁路对应急通信和通信冗余的需求更大。本课题组之前设计了一种在平原环境下只通过车载设备就能够实现列车间直接通信的超短波通信系统。本文将其扩展为列车间多频段直接通信系统，通过使系统工作在不同的频段来适应平原环境和隧道环境，并对其在隧道内的通信性能进行了分析研究。论文主要内容如下:
　　首先，针对直接通信技术在隧道内的应用问题，确定了适合隧道内通信的工作频段。进而提出了一种应用于列车间直接通信的多频段接收机和发射机方案，它们在平原环境下工作在超短波频段，在隧道环境下工作在毫米波频段，并计算了毫米波工作频段下接收机的灵敏度，实现了隧道内列车间的直接通信。
　　其次，通过分析电磁波在隧道内的传播方式以及不同类型隧道中电磁波的损耗模型，结合帐篷定律以及隧道环境下电磁波传播的多径效应，分别建立了单线和双线铁路隧道中列车间直接通信信道的确定性模型，并进行了仿真分析。结果显示，确定性模型能够简单反映出铁路隧道中电磁波反射所遵循的规律，按照这一规律可以很好的分析研究电磁波在铁路隧道环境下经过反射等现象产生的多径效应，从而可以估算出各个路径的传输时延，以及在传输过程中由于各路径的相位及幅度的不同所导致的信号衰落。
　　再次，针对隧道内接收信号的包络变化的随机性问题，建立了列车间直接通信信道的统计模型，得到了其信道特征为:当前后行通信列车间存在直射路径时，通信信道是伴有一定视距分量的移动端到移动端的莱斯衰落信道;当前后行通信列车间不存在直射路径，通信信道是移动端到移动端的瑞利衰落信道。
　　最后，在所建立的确定性模型和统计模型的基础上对无线信道采用基于辅助导频的方法进行了估计;进而为本文所设计的通信系统选择GMSK调制方式，分别在莱斯衰落信道下和瑞利衰落信道下，利用MATLAB Simulink通信系统工具箱，建立了仿真模型，得到了在不同衰落信道中的误码率随SNR的变化情况;同时为了降低通信系统的误码率，选用LDPC编码方式对信道进行编码并进行了仿真分析，仿真结果显示对信道编码后系统的误码率有所降低。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状及其存在问题

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 该领域目前存在的问题

1．3 主要研究内容

2 电磁波传播方式及信道分析基础

2．1 无线通信资源

2．2 电磁波的传播机制

2．2．1 大尺度衰落

2．2．2 小尺度衰落

2．3 电磁波传播的损耗模型及其建模方法

2．3．1 电磁波传播损耗模型

2．3．2 隧道环境下无线电波传播的建模方法

2．4 无线通信信道估计及误码率分析

2．4．1 无线通信信道估计方法

2．4．2 调制方式

2．4．3 信道编码方式

3 列车间多频段直接通信系统的方案设计

3．1 工作频段的确定

3．2 通信范围的确定

3．3 多频段接收机和发射机的方案设计

3．3．1 多频段接收机

3．3．2 多频段发射机

4 多频段直接通信系统工作在隧道环境下的信道特性分析

4．1 无线电磁波在隧道内的传播特性及空间损耗

4．1．1 无线电磁波在隧道内的传播特性

4．1．2 隧道内无线电磁波的空间损耗

4．2 隧道内列车间直接通信的信道建模

4．2．1 隧道内列车间直接通信的确定性模型

4．2．2 隧道内列车间直接通信的统计模型及其仿真分析

4．3 隧道内列车间直接通信的信道估计

4．3．1 导频图案的选择

4．3．2 导频位置处采取的信道估计算法及仿真

4．4 隧道内列车间直接通信信道的误码率分析

4．4．1 调制方式对误码率影响的仿真分析

4．4．2 多径衰落对误码率影响的仿真分析

4．4．3 信道编码方式对误码率影响的仿真分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果