端到端通信在列控系统中应用的研究

摘要

基于通信的列车控制（Communication Based Train Control，CBTC）系统采用无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）技术实现车地双向通信。工作在公共开放频段的WLAN技术存在一些局限性及不足之处，例如同频干扰和较低的移动性支持等。此外，现有CBTC系统仅存在车地通信，无法避免由于既有系统设备故障或控制中心失效等原因造成的列车碰撞事故的发生。因此，为了提高信息传输的可用性及可靠性，考虑在现有列控系统中加入车车直接通信技术。
　　本文主要研究端到端通信技术在城市轨道交通列控系统中的应用问题，研究加入D2D通信技术实现车车直接信息传输，从而提高列控系统信息传输的可靠性及可用性。本论文的研究成果创新性及实用性较高，对于LTE及D2D通信技术在城市轨道交通中的应用有一定的借鉴意义。论文的具体研究内容如下:
　　(1)研究长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术及LTE-Advanced中的D2D通信技术，分析了LTE系统架构及其关键技术，介绍了D2D通信的基本分类、实现方式、资源分配与功率控制以及通信连接的建立流程。
　　(2)加入车车通信之后，对列控系统不同的通信方案进行对比分析。采用车车、车地通信相结合的方式实现列控系统信息的传输。在此基础上，给出车车通信连接的建立流程，设计车车、车地通信相结合的列控系统信息传输机制，包括传输的信息内容、传输方式及信息的融合使用方案。
　　(3)分析了时延/丢包对列控系统的影响，对车车通信信息传输时延/丢包情况进行了分析，与基于LTE的车地通信信息传输时延/丢包进行了对比，考虑新的传输机制下车车、车地通信相结合的信息传输时延/丢包情况，分析了加入车车通信对列控系统信息传输性能的改善。
　　(4)为了使车车通信带来列控系统信息传输性能提升的同时不占用额外的资源开销，研究通过复用现有资源实现车车直接通信。在此基础上，提出基于位置和吞吐量最大化的资源管理算法，解决车车、车地通信共用相同无线资源带来的干扰问题，提升列控系统的频谱效率及整体性能。
　　结果表明，一方面，车车通信时延明显小于车地通信时延，并且加入车车通信的列控系统信息传输丢包率得以降低。另一方面，本文提出的基于位置和吞吐量最大化的资源管理算法不仅能够保证CBTC业务的传输吞吐量满足指标要求，而且能够提高车车通信连接建立的成功率、提高系统频谱资源效率。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．1．1 基于WLAN的CBTC系统

1．1．2 CBTC系统既有车地通信机制

1．1．3 LTE与D2D技术及其优势

1．2 研究现状

1．2．1 LTE及其在城市轨道交通中的研究现状

1．2．2 端到端通信技术研究现状

1．2．3 D2D及车车通信研究现状

1．3 本课题研究意义

1．4 论文内容与结构安排

1．5 本章小结

2 LTE中的D2D通信技术

2．1 LTE系统及关键技术

2．1．1 LTE系统架构

2．1．2 LTE／LTE-A系统关键技术

2．1．3 LTE系统资源结构及分配策略

2．2 D2D通信技术

2．2．1 D2D通信技术简介

2．2．2 D2D通信中的资源分配与功率控制

2．2．3 D2D通信的会话建立流程

2．3 本章小结

3 车车通信在列控系统中应用的研究

3．1 车车通信实现方案对比分析

3．1．1 车车通信完全取代车地通信

3．1．2 车车、车地通信相结合实现信息传输

3．2 加入车车通信的列控系统通信机制设计

3．2．1 车车、车地通信相结合的信息传输

3．2．2 车车通信建立流程

3．3 车车、车地通信信息使用

3．3．1 车车、车地通信信息使用方案一

3．3．2 车车、车地通信信息使用方案二

3．4 本章小结

4 加入车车通信的列控系统信息传输性能分析

4．1 CBTC系统车地信息传输需求分析

4．2 LTE主要性能指标分析

4．3 信息传输时延／丢包对列控系统的影响分析

4．3．1 存在时延／丢包的车地通信信息交互

4．3．2 时延／丢包对列控系统的影响分析

4．3．3 加入车车通信的列控系统信息交互

4．4 车车、车地通信相结合的列控系统信息传输性能分析

4．4．1 基于LTE的车地通信时延／丢包分析

4．4．2 车车通信时延／丢包分析

4．4．3 加入车车通信对列控系统信息传输性能的改善

4．5 本章小结

5 加入车车通信的列控系统无线资源管理

5．1 资源复用造成的干扰分析

5．1．1 车车通信复用车地通信上行链路资源干扰分析

5．1．2 车车通信复用车地通信下行链路资源干扰分析

5．2 基于位置和吞吐量最大化的资源管理算法

5．2．1 复用方式下基于位置的资源选择

5．2．2 基于位置和吞吐量最大化的功率控制

5．3 仿真验证及结果分析

5．3．1 仿真环境及参数设置

5．3．2 仿真结果分析

5．4 本章小结

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集