超宽带无线通信技术在轨道交通车地通信系统中的应用

摘要

安全和高速是城市轨道交通系统追求的两大目标。轨道交通系统能否安全有效运行，在很大程度上，取决于其运行控制系统的性能。我国现有的基于轨道电路的列车控制系统TBTC(Trackcircuit Based Train Control)，虽然在保障行车安全、提高行车效率方面发挥了巨大作用，但由于数据传输速率低，对传输介质有较大的依赖性，难以实现列车与地面之间大量信息的双向、实时传输。因此不能满足现代轨道交通中列车运行控制系统对通信的要求。而基于通信的列车控制系统CBTC(Communication Based Train Control)，，利用其不依赖于轨道电路的高精度的列车定位技术，能够实现双向连续、大容量的车地数据通信，正成为当今轨道交通信号控制系统的发展趋势。 超宽带(Ultra WideBand，UWB)无线电技术具有带宽极宽、抗窄带干扰能力强、多径分辨力高、功耗小成本低等众多特有的优点，成为高速数据传输的有效解决方案，可以广泛地应用于高速多媒体无线通信、高精度定位、雷达、监测、控制、无线传感网络等领域，具有广泛的应用前景和重要的理论研究价值，是近年来通信领域一个新的研究热点。因此本文立足于将UWB技术作为城市轨道交通CBTC中无线通信解决方案，研究其应用于CBTC中的若干问题。 论文第二章首先分析了目前常用的UWB脉冲的波形特点和频谱特点，常用的调制方案；然后结合CBTC系统的通信要求及特点，即收发电路要求尽量结构简单，对UWB脉冲的成形特点进行分析，提出将Rayleigh脉冲作为研究对象，选取一组基函数，通过线性组合产生UWB脉冲的新算法。仿真结果表明，该算法产生的UWB脉冲的功率谱密度非常接近FCC规范，充分利用了FCC定义的频谱范围，且在AWGN信道下利用该脉冲进行TH—PPM调制后的单链路性能和多用户性能都优于传统的二阶高斯脉冲的性能。 第三章深入研究了UWB路径损耗模型和多径信道模型，对UWB信号传播链路进行预算，得出数据传输速率与最大传输距离之间的关系。根掘实测信道的数据选择信道模型参数进行信道仿真；对M-PPM与M-PAM信号分别进行了链路预算，分析数据传输速率、调制方式与通信距离之间的关系；针对CBTC车地无线通信系统的信道特点，提出IEEE802.15.3a室内多径信道模型中CM4信道环境能够适用，并给出了该信道的具体实现。 第四章在深入研究多径信道下Rake接收机的结构、特点与性能的基础上，针对CBTC车地通信系统要求较高的数据传输速率、较高的系统可靠性、较低的接收机复杂性，并且由于通信终端高速移动，造成信道多径及频率选择性快衰落现象更加严重，接收信号存在明显的ISI干扰等特点。提出采用改进的差分相关接收机来替代Rake接收机，利用插入在数据符号前的确知参考比特的接收波形，作为接收机的模板信号，对接收信号进行差分相关接收，不需要对严重多径信道的参数进行精确地跟踪和估值，节省了运算判决的时间，降低了接收机的复杂性；同时在差分相关接收机前增加时域均衡器，以消除接收信号中的ISI干扰。仿真结果表明这种时域均衡器加差分相关接收机的结构明显改善了严重多径信道环境下的接收机性能。 第五章分析目前常用的列车定位方式的优缺点，根据城市轨道交通的发展趋势，提出对列车定位技术的要求：定位精度高、响应速度快、结构简单等。研究两种应用较为广泛的UWB定位方法：TOA和TDOA定位方式，发现其在传输速率、安全性和定位精度上，完全能够满足CBTC的需求。两种定位方法的缺点是都需要精确的距离估计，运算量较大。因此提出通过改进UWB接收机的结构，快速完成TOA的估算，以提高定位运算的速度，同时还可消除多径信号对定位计算的干扰，提高定位精度。仿真结果表明，在多径环境下，定位精度可达0.6m，系统的响应时间在ns数量级。可以满足CBTC要求的定位精度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景

1.2 CBTC及其在国内外的应用

1.3超宽带无线通信技术

1.3.1超宽带的定义

1.3.2超宽带技术的优势

1.3.3超宽带技术的研究热点

1.4论文主要工作及安排

第2章超宽带信号波形及调制技术研究与改进

2.1脉冲方式超宽带系统的脉冲波形及调制方式

2.1.1引言

2.1.2常用的UWB脉冲波形

2.1.3高斯脉冲信号及其各阶导数的性质

2.1.4超宽带脉冲调制方式

2.2连续波方式超宽带系统的脉冲波形及调制方式

2.2.1常用的连续波方式UWB脉冲波形

2.2.2多频带脉冲调制方式

2.3应用于CBTC中的UWB脉冲波形改进

2.3.1高斯脉冲存在的问题

2.3.2 UWB脉冲优化算法

2.3.3 AWGN信道下的单链路性能仿真

2.3.4 AWGN信道下的多址性能仿真

2.4本章小结

第3章超宽带信道模型研究

3.1路径损耗模型

3.1.1 IEEE 802.15.3a的路径损耗模型

3.1.2 用于电磁兼容研究的UWB路径损耗模型

3.1.3链路预算

3.2多径模型

3.2.1多径信道的统计特性

3.2.2 △-K模型

3.2.3 S-V模型

3.2.4修正的S-V信道模型(IEEE 802.15.3a室内信道模型)

3.2.5信道的实现

3.3应用于CBTC车地通信的UWB信道模型与仿真

3.3.1链路预算

3.3.2多径信道模型及仿真实现

3.4本章小结

第4章超宽带接收机结构及性能研究

4.1 UWB接收机概述

4.2无多径AWGN信道下的最佳接收机

4.2.1二进制正交PPM单脉冲接收机

4.2.2多进制正交PPM单脉冲接收机

4.2.3二进制PAM单脉冲接收机

4.2.4多进制PAM单脉冲接收机

4.2.5多脉冲信号接收机

4.3频率选择性衰落信道下的Rake接收机

4.3.1 Rake接收机结构及性能

4.3.2 Rake接收机性能仿真

4.4应用于CBTC车地通信的UWB接收机结构与性能仿真

4.4.1改进的Rake接收机结构

4.4.2时域均衡器的设计

4.4.3改进后的接收机性能仿真

4.5本章小结

第5章超宽带无线定位技术及其在CBTC中的应用

5.1传统列车的测速定位技术

5.1.1基于轨道电路的列车定位技术

5.1.2基于电子计轴器的列车定位技术

5.1.3基于惯性定位系统(IPS)的列车定位技术

5.1.4基于查询/应答器和里程计的列车定位技术

5.2 CBTC系统中常用的定位技术

5.2.1基于轨间电缆的列车定位技术

5.2.2基于交叉感应回线的列车定位技术

5.2.3利用微波测速定位

5.2.4基于全球定位系统(GPS)的列车定位技术

5.3超宽带定位技术

5.3.1基于到达时间(TOA)定位技术

5.3.2基于到达时间差(TDOA)定位技术

5.4 UWB定位技术在CBTC中的应用

5.4.1 CBTC中UWB定位系统的组成

5.4.2定位算法改进

5.4.3定位算法仿真

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2进一步研究的方向

致谢

参考文献

在读期间发表的学术论文