趙 越,李國(guó)寧

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070)

鐵路站內(nèi)無線控車通信信道的研究與仿真

趙 越,李國(guó)寧

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070)

鐵路進(jìn)行通信前期設(shè)計(jì)規(guī)劃過程中,為了縮短設(shè)計(jì)周期,需要盡快獲得網(wǎng)絡(luò)信道主要性能指標(biāo),如誤碼率(BER)、端到端延時(shí)、吞吐量等QoS,而目前勘測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所耗時(shí)間較長(zhǎng),而且獲得的信號(hào)量與以上性能指標(biāo)不能直接匹配。為了改變這種現(xiàn)狀,現(xiàn)采用OPNET計(jì)算機(jī)仿真工具與鐵路現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行建模,軟件仿真大大縮短通信設(shè)計(jì)時(shí)間,并且得到GSM-R網(wǎng)與WLAN同等測(cè)試環(huán)境下參數(shù)的結(jié)果,仿真得出的結(jié)論還可為前期現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)計(jì)施工提供部分有效的數(shù)據(jù)支撐。

鐵路通信；無線信道；網(wǎng)絡(luò)仿真； GSM-R；無線局域網(wǎng)；服務(wù)質(zhì)量

1 概述

通信系統(tǒng)是保障鐵路行車安全、提高行車效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也被稱為鐵路的神經(jīng)中樞。目前，鐵路較常用的無線通信控車有GSM-R和WLAN兩種，GSM-R在我國(guó)高速鐵路的領(lǐng)域也已運(yùn)用多年，設(shè)計(jì)施工、投入運(yùn)營(yíng)的過程也逐步趨于成熟。而WLAN作為一種先進(jìn)的通信方式，在鐵路的編組站，城軌地鐵控車中較為普遍。但是也應(yīng)當(dāng)看到，我國(guó)鐵路對(duì)無線通信的成熟和發(fā)展僅限于安裝和使用，而在其基礎(chǔ)理論與應(yīng)用理論方面仍處于起步階段，尤其在可靠性研究和系統(tǒng)測(cè)試、場(chǎng)景仿真等領(lǐng)域仍存空白[1]。到目前為止尚未出現(xiàn)一款針對(duì)我國(guó)鐵路通信信道仿真測(cè)試的軟件平臺(tái)[2]。導(dǎo)致了鐵路前期設(shè)計(jì)施工缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐，而后期的調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，影響了整個(gè)系統(tǒng)的交付使用[3]。

基于這種現(xiàn)狀，本文建立了無線信道傳播模型，再由此利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，創(chuàng)建場(chǎng)景，搭建基于鐵路站場(chǎng)的仿真平臺(tái)。鑒于改、擴(kuò)建的車站、新建編組站對(duì)安裝GSM-R還是WLAN仍存有爭(zhēng)議[4]。本文將GSM-R和WLAN信道分兩次載入一個(gè)相同的鐵路場(chǎng)景中獲取數(shù)據(jù)，這是現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)極難做到的，而且這兩者對(duì)比結(jié)果對(duì)鐵路無線通信設(shè)計(jì)與前期施工具有一定的參考意義。

2 系統(tǒng)信道結(jié)構(gòu)

2.1 GSM-R

GSM-R網(wǎng)絡(luò)是國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)在1993年，為滿足歐洲鐵路通信和信號(hào)控制一體化而開發(fā)的一款無線通信系統(tǒng)，專門為鐵路增設(shè)了無線列調(diào)、平調(diào)通信、工作人員業(yè)務(wù)通信、緊急通話等語音通信功能。另外在高鐵運(yùn)營(yíng)中，還可以為地面指揮中心和車載計(jì)算機(jī)之間提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸通道[5]。

在物理層，GSM-R在我國(guó)鐵路的頻段為：上行885～889 MHz，下行方向?yàn)?30～934 MHz，其頻道序號(hào)從999～1 019，共21個(gè)，其中序號(hào)為999和1 019的兩個(gè)頻道作為專網(wǎng)的隔離頻道，真正使用的頻道序號(hào)為1000～1 018，共19個(gè)，相鄰的兩個(gè)頻道相差200 kHz，信道調(diào)制采用GMSK、復(fù)用方式采用TDMA，每個(gè)TDMA幀內(nèi)有8個(gè)時(shí)隙(slot)，可提供最多8條物理信道[4]。在媒介層，GSM-R采用B信道進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，而相關(guān)控制信令則利用D信道，兩個(gè)信道相互獨(dú)立。作為一種面向連接的電路交換網(wǎng)絡(luò)，其較高的實(shí)時(shí)性和可靠性是鐵路大范圍使用的重要因素之一。

2.2 無線局域網(wǎng)

在我國(guó)鐵路編組站中，大部分采用CIPS系統(tǒng)，即編組站綜合自動(dòng)化，該系統(tǒng)中控制樓之間，尤其是樓與機(jī)車之間，都采用無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信。另外，在城市軌道交通中，地面控制中心與列車之間也是采用該通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控車。

在物理層上，802.11b采用2.4～2.4835 GHz的ISM頻段，一共可用13個(gè)物理信道。在WLAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)，傳輸速率最高可達(dá)11 Mb/s，為達(dá)到較高的傳輸速率，WLAN每個(gè)子信道帶寬遠(yuǎn)高于GSM-R，為了避免同頻或鄰頻間相互干擾，WLAN應(yīng)間隔5個(gè)以上信道交錯(cuò)配置[6]。

在802.11標(biāo)準(zhǔn)中最小服務(wù)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)基本服務(wù)集BSS，一個(gè)BSS包含了一個(gè)基站和若干個(gè)移動(dòng)終端。在BSS里的基站、網(wǎng)關(guān)都是接入點(diǎn)AP[7]。鐵路無線通信就是利用最基本的BSS結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。即通信站點(diǎn)之間不能直接相互通信，必須依賴AP進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼傳輸，另外AP也可提供到有線網(wǎng)絡(luò)或無線用戶之間的連接，這點(diǎn)與GSM-R通信方式相似。

鑒于兩者的組網(wǎng)和底層通信信道有一定的相似性，本文基于無線信號(hào)傳播模型和OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對(duì)這兩種無線通信方式在不同仿真環(huán)境下的誤碼率、吞吐量等信道QoS上進(jìn)行比較。

3 無線信道傳播模型

由于陸地的地形環(huán)境十分復(fù)雜，要準(zhǔn)確判定無線信號(hào)在地面?zhèn)鞑サ乃ズ姆浅＠щy，采用傳統(tǒng)的理論公式計(jì)算往往不能得到精確的結(jié)果，所以必須采用理論分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，奧村模型(OM)就是這樣得出的一種經(jīng)典模型。

奧村模型是由奧村(Okumura)在東京市使用不同發(fā)射頻率、不同天線高度、不同距離、不同環(huán)境下進(jìn)行的大規(guī)模測(cè)試，結(jié)合理論分析得出的無線信號(hào)衰落模型，而且對(duì)于不同的參數(shù)和環(huán)境，也給出了不同的修正參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)OM模型適用于頻率為100～1 500 MHz(擴(kuò)展后可為3 000 MHz)，基站天線高30～200 m，移動(dòng)臺(tái)天線高1～10 m，距離不大于20 km的無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算。

目前基于OM模型的改進(jìn)模型有Okumura-Hata模型、CCIR模型、COST-231 Hata模型、COST-231-Walfish-Ikegami模型等。較為常用的是Okumura-Hata模型，該模型擴(kuò)展后可以適用于工作的頻率在3 GHz以內(nèi)的無線通信信道。我國(guó)規(guī)定鐵路通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)采用Okumura-Hata模型[4]。Okumura-Hata模型的路徑損耗公式Lb如下

Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+

(1)

式中f——工作頻率，Hz；

hb——基站天線高度，m；

hm——機(jī)車臺(tái)天線高度，m；

a(hm)——機(jī)車臺(tái)接收器高度修正參數(shù)，若按鐵路站場(chǎng)計(jì)算：a(hm)=(1.1lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8)

d——傳播距離，km；

S(a)——站場(chǎng)建筑密度修正參數(shù)，a為建筑物密度，兩者有如下關(guān)系

(2)

根據(jù)《中國(guó)鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》，在建筑物、車輛較為密集的車站、編組站，a%可以考慮取25%[4]。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型

通過上述無線信道傳播模型可知，當(dāng)工作頻率、天線高度、距離等參數(shù)確定之后，實(shí)際信號(hào)衰落強(qiáng)度可唯一確定[8]，這里由于距離d為固定值，所以只能計(jì)算出固定點(diǎn)的傳播損耗，需要得到移動(dòng)點(diǎn)的傳播損耗，只能利用相應(yīng)軟件和編寫程序進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。OPNET仿真平臺(tái)可為該模型提供軟件支持。該軟件使用三層建模機(jī)制以及完備的數(shù)據(jù)庫以及程序包，這使得OPNET可以作為一款安全性通信測(cè)試軟件。目前，美國(guó)國(guó)防部、AT&T電信公司都使用其作為通訊網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，目前該軟件在網(wǎng)絡(luò)通信仿真中排名第一。

OPNET Modeler軟件，采用三層建模的仿真模擬方式，其中，最底層為進(jìn)程層，它通過基于離散事件觸發(fā)的有限狀態(tài)機(jī)(FSM)進(jìn)行編程，描述通信的基本過程。該層的關(guān)鍵就是離散事件發(fā)生的概率分布，以及觸發(fā)時(shí)機(jī)的確定[9]；中間層為節(jié)點(diǎn)模型，用來搭建不同網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)，選取不同參數(shù)；最上層為網(wǎng)絡(luò)層，用來模擬鐵路站場(chǎng)移動(dòng)通信信道工作環(huán)境。

在本文鐵路移動(dòng)通信仿真平臺(tái)中，需要構(gòu)建3種模型：基站的發(fā)信模型(tx)、移動(dòng)臺(tái)的收信機(jī)模型(rx)以及干擾模型(jam)。發(fā)信機(jī)模型(tx)用來模擬鐵路信號(hào)基站的發(fā)射塔或者信號(hào)樓的發(fā)射天線向各個(gè)方向發(fā)射無線信號(hào)數(shù)據(jù)包；收信機(jī)模型(rx)用來模擬車載臺(tái)接收并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；為了盡可能還原鐵路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在場(chǎng)景中還加入了干擾模型(jam)，該節(jié)點(diǎn)可對(duì)收信機(jī)產(chǎn)生規(guī)定的信號(hào)干擾。

4.2 發(fā)信機(jī)及干擾機(jī)模型

基站的發(fā)信機(jī)模型包括如下四類模塊：tx_gen、tx_prcs、tx_radio、tx_ant，其中tx_radio為無線發(fā)送模塊，用來以規(guī)定速率向天線發(fā)送數(shù)據(jù)，并且設(shè)定相應(yīng)信道的帶寬、頻率和發(fā)射功率。而ant_tx為天線模塊，結(jié)合鐵路現(xiàn)場(chǎng)情況，無論是發(fā)信機(jī)還是收信機(jī)，都選用全向天線模型，發(fā)信機(jī)模型如圖1所示。

圖1 發(fā)信機(jī)模型

發(fā)信機(jī)核心則是tx_gen模塊，該模塊用來生成包。結(jié)合鐵路實(shí)際的運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)了以下兩種數(shù)據(jù)。第一類為列車控制類數(shù)據(jù)，該型數(shù)據(jù)利用電路域傳輸[10]，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較短，一般只有30Byte，并且每隔300 ms就發(fā)送一次，所以其發(fā)包間隔近似服從一個(gè)從仿真開始到仿真結(jié)束的均勻分布，即T～U(0，sim_end)，該型數(shù)據(jù)由tx_gen_0發(fā)送。第二類為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，該型數(shù)據(jù)利用分組域傳輸，其數(shù)據(jù)幀比較長(zhǎng)，一般為1～5 kbit，并且每個(gè)包發(fā)送個(gè)數(shù)和時(shí)間點(diǎn)都是隨機(jī)的[11]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，“列車到站”事件的總個(gè)數(shù)服從泊松過程，可以認(rèn)為“發(fā)送該列車的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)”事件是“列車到站”的線性函數(shù)，所以“發(fā)送該列車的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)”事件也是泊松過程[12]。而OPNET中需要的參數(shù)是事件發(fā)生間隔，所以需要由發(fā)送個(gè)數(shù)推導(dǎo)發(fā)送間隔。

設(shè)第i-1個(gè)事件出現(xiàn)在ti-1即(ti-1=ti-1)時(shí)刻下，事件間距Ti的條件分布函數(shù)如下

(3)

相應(yīng)的條件概率密度函數(shù)則為

則時(shí)間間隔Ti，ti-1的聯(lián)合概率密度為

其中，fti-1(ti-1)為ti-1時(shí)刻的概率密度分布，對(duì)該式積分，即得到Ti上的概率分布如式(4)所示

即

(4)

需要由發(fā)送包的間隔就是強(qiáng)度為λ的負(fù)指數(shù)分布，這里的強(qiáng)度λ就是一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)機(jī)車和信號(hào)樓交互信息的次數(shù)，這個(gè)參數(shù)對(duì)于特定站內(nèi)作業(yè)是確定的。該型數(shù)據(jù)由tx_gen_1源進(jìn)行發(fā)送。tx_gen為整個(gè)模型的核心，該進(jìn)程如圖2所示。該進(jìn)程由init、gen和stop三個(gè)狀態(tài)組成，其中init首先用于聲明包的相關(guān)參數(shù)如業(yè)務(wù)起止時(shí)間、包的大小，格式等；其次，確定包發(fā)送間隔服從的概率分布；最后，檢查仿真時(shí)間的合法性，根據(jù)起止時(shí)間和當(dāng)前時(shí)間的數(shù)值，產(chǎn)生正確的時(shí)間中斷。在init的出口代碼中，如果中斷出口代碼索引值為產(chǎn)生包，則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)為gen，如果中斷為其他或時(shí)間不合法，則停止運(yùn)行。gen狀態(tài)用于維護(hù)包到達(dá)的調(diào)度計(jì)劃按要求產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并計(jì)算下一個(gè)包到來的時(shí)間，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，首先執(zhí)行出口代碼，判斷轉(zhuǎn)移條件，如果為包流中斷則循環(huán)執(zhí)行本狀態(tài)，包相關(guān)格式及探針的生成由條件轉(zhuǎn)移函數(shù)pkt_gen()生成。如果是因仿真時(shí)間小于等于當(dāng)前時(shí)間或其他事件中斷，則跳轉(zhuǎn)到stop狀態(tài)，stop狀態(tài)為停止產(chǎn)生包的狀態(tài)，另外使用default語句用來收到異?；蝈e(cuò)誤中斷時(shí)按規(guī)定命令保護(hù)程序不出錯(cuò)，該語句類似實(shí)際通信程序中的看門狗程序，以此模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)故障—安全的工作機(jī)制。只要因時(shí)間非法而產(chǎn)生的中斷，都應(yīng)在stop狀態(tài)中取消該中斷之后所有有效事件的命令。由于init、gen和stop三個(gè)狀態(tài)都與事件中斷有關(guān)，所以在此都采用非強(qiáng)制狀態(tài)類型。

圖2 tx_gen的進(jìn)程模型

與發(fā)信機(jī)類似，干擾機(jī)模型用來向場(chǎng)景中引入無線噪聲，因干擾臺(tái)本身仍為移動(dòng)臺(tái)，只不過其發(fā)射頻率、周期、到達(dá)時(shí)間是不確定的，所以其模型在此不再贅述。但根據(jù)規(guī)定：同頻載干比C/I>12 dB，而鄰頻載干比C/A>-6 dB。仿真模型中的干擾源功率不應(yīng)超過該項(xiàng)規(guī)定。

4.3 收信機(jī)模型

收信機(jī)模型是本仿真的核心模型，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，該模型主要由：rx_pros、rx_radio、rx_ant和rx_point組成。其中rx_radio、rx_ant與發(fā)信機(jī)的tx_radio、tx_ant功能類似，而rx_prcs用來將收到的包記錄并銷毀。其進(jìn)程層如圖4所示，該進(jìn)程由INIT和DEAL兩個(gè)狀態(tài)組成，其中INIT主要用于統(tǒng)計(jì)量初始化，根據(jù)所選擇的探針名稱得到返回進(jìn)程中對(duì)應(yīng)的句柄，其作為寫入本地或全局統(tǒng)計(jì)量的依據(jù)，即“源”“宿”對(duì)應(yīng)。該狀態(tài)為強(qiáng)制狀態(tài)，只要執(zhí)行完注冊(cè)就跳轉(zhuǎn)到下一步，無需等待中斷，而DEAL狀態(tài)為非強(qiáng)制狀態(tài)，需要等待事件中斷到來才能執(zhí)行下一跳。DEAL狀態(tài)用于處理每一次到達(dá)包的操作，主要有：包的大小(pk_size)、延時(shí)(ete_delay)、收到比特?cái)?shù)(bits_rcvd)、比特率(bitssec_rcvd)、收包數(shù)(pkts_rcvd)、收包率(pktssec_rcvd)等參數(shù)，并實(shí)時(shí)更新寫入對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)量，并在記錄完畢后，銷毀當(dāng)前包。當(dāng)收到異常中斷時(shí)，default默認(rèn)語句可使程序不致出現(xiàn)異常。DEAL狀態(tài)將自循環(huán)到仿真時(shí)刻到時(shí)停止。

rx_position為指向處理器，該模型用來計(jì)算發(fā)信機(jī)和收信機(jī)之間的距離d，由于運(yùn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置時(shí)刻發(fā)生變化，所以rx_position不斷接受觸發(fā)中斷，出發(fā)中斷后，其狀態(tài)不斷進(jìn)行自身轉(zhuǎn)移，繼而不斷修改對(duì)象屬性值。

圖3 收信機(jī)模型

圖4 rx_prcs的進(jìn)程模型

通信模型的基礎(chǔ)是前面提出的無線信道傳輸模型，仿真主要是針對(duì)誤比特率和信道吞吐量這兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行觀測(cè)。首先，將該傳輸模型寫入管道進(jìn)程。在函數(shù)塊FB中創(chuàng)建一個(gè)文件，該文件中主要定義 “prop_distance”和“path_loss”兩個(gè)參數(shù)，其中prop_distance為不斷獲取的通信距離d，該值由rx_point模型中斷獲得;而path_loss就是利用之前Okumura-Hata模型所得到的結(jié)果。

由于仿真信道無法像實(shí)際網(wǎng)絡(luò)一樣根據(jù)幀頭內(nèi)的地址位判定收到包是有效包還是干擾包，所以需要使用標(biāo)記位來標(biāo)記包的來源。OPNET中可使用“功率鎖”判別一個(gè)包是否為有效包，即管道階段判定功率最強(qiáng)的數(shù)據(jù)包應(yīng)該被車載臺(tái)接收，而所有接收功率小于該包的其他包都是干擾包[13]。這種判別方式是符合工程中同、鄰頻載干比設(shè)計(jì)規(guī)定的[4]。實(shí)際接受功率

(5)

其中，Pr為實(shí)際接收功率；Pt為發(fā)射功率；B為基準(zhǔn)帶寬；Bt發(fā)射帶寬；Gt基站天線增益；Lb為無線傳播損耗；Gr車載臺(tái)天線增益。

將實(shí)際接受功率計(jì)入到該包的傳輸數(shù)據(jù)屬性(TDA)里。有了接收功率就可以根據(jù)上述規(guī)則判斷包的有效性了。

因?yàn)樵谝苿?dòng)無線通信過程中，收信機(jī)和發(fā)信機(jī)的位置不斷變化，包在傳輸過程中信噪比是變化的，所以錯(cuò)誤也是時(shí)刻變化的，所以這里采用了誤比特率(BER)而非誤碼率。由于在調(diào)制函數(shù)和信噪比已知時(shí)，BER可以被唯一確定。所以首先取得信噪比snr和信號(hào)增益變量proc_gain，然后兩者相加就是有效的信噪比eff_snr，即：“eff_snr=snr+proc_gain;”。由于兩種信道的調(diào)制方式是已知的，可直接從調(diào)制函數(shù)表中取出該類型。最后得出包的BER，即：“ber=op_tbl_mod_ber (modulation_table， eff_snr); op_td_set_dbl (pkptr， OPC_TDA_RA_BER， ber)”，其中op_tbl_mod_ber()為查詢信道信噪比函數(shù)，函數(shù)op_td_set_dbl()是將信噪比結(jié)果寫入包的TDA里。另外，對(duì)收信機(jī)接收包誤比特率的門限值ECC要設(shè)定。因本例中只考慮無線傳播信道對(duì)數(shù)據(jù)的影響，所以對(duì)該參數(shù)設(shè)置為0，即只有零誤碼的包才會(huì)被接收，這樣設(shè)置的目的也保證了通信信道的高可靠性和安全性。

最后設(shè)置歸一化吞吐量S。S為一個(gè)包在它發(fā)送時(shí)間T0內(nèi)能成功發(fā)出的概率，顯然0≤S≤1，當(dāng)S=0時(shí)，證明網(wǎng)絡(luò)處于故障或斷開狀態(tài)。當(dāng)S=1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信道被充分應(yīng)用，每一個(gè)包被連續(xù)地發(fā)送到無線信道上，包與包之間沒有空閑時(shí)間。這顯然為一種理想狀態(tài)，實(shí)際信道中不可能出現(xiàn)，但是可以用S趨近1的程度衡量信道是否被充分利用，所以S也被稱為信道利用率[14]。

5 仿真分析

5.1 場(chǎng)景模型建立

最后創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)取與鐵路車站相似的帶狀區(qū)域，這里取7 km×1 km的一片地域。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中，創(chuàng)建了3個(gè)仿真場(chǎng)景，用以模擬鐵路車站或沿線的3種列車運(yùn)行狀況。其中包括了節(jié)點(diǎn)起止點(diǎn)坐標(biāo)，路徑類型，海拔高度等。第一種如圖5所示，模擬兩車會(huì)車時(shí)的特定列車的無線信道通信狀況；第二種如圖6所示，模擬兩車越行時(shí)，特定列車無線信道通信狀況；第三種情景如圖7所示，其模擬了某特定編組站到達(dá)場(chǎng)與駝峰之間的推送線上，兩臺(tái)機(jī)車施行雙推單溜時(shí)，機(jī)車與到達(dá)場(chǎng)控制樓及駝峰樓之間的無線信道通信狀況，并加入了其他一些節(jié)點(diǎn)，以模擬現(xiàn)場(chǎng)大量本務(wù)機(jī)車和推峰機(jī)車。在場(chǎng)景中設(shè)置相關(guān)參數(shù)將GSM-R和WLAN信道的帶寬和頻率設(shè)置為200 kHz、930 MHz和2 500 kHz、2 400 MHz，根據(jù)我國(guó)鐵路移動(dòng)通信設(shè)計(jì)要求，車站海拔30 m、基站塔高30 m、機(jī)車臺(tái)高4.5 m、手持臺(tái)高1.5 m基站的發(fā)射功率不大于60 W，機(jī)車臺(tái)的功率不大于10 W，該設(shè)定滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中同鄰頻載干要求。根據(jù)站內(nèi)以及編組站內(nèi)運(yùn)營(yíng)規(guī)定，進(jìn)路長(zhǎng)可設(shè)為3 km，速度小于20 km/h，仿真時(shí)間定為7 min。

圖5 兩車會(huì)車場(chǎng)景

圖6 兩車越行場(chǎng)景

圖7 機(jī)車在樞紐站內(nèi)作業(yè)的場(chǎng)景

5.2 結(jié)果分析

通過GSM-R和WLAN在3種不同場(chǎng)景的無線信道傳播測(cè)試，結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 場(chǎng)景一的仿真結(jié)果

圖9 場(chǎng)景二的仿真結(jié)果

圖10 場(chǎng)景三的仿真結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)，誤碼率和吞吐量?jī)蓚€(gè)統(tǒng)計(jì)量隨著收信機(jī)、發(fā)信機(jī)、干擾源三者間的位置變化而變化，但是，GSM-R在誤比特率上要整體低于WLAN，GSM-R在三種場(chǎng)景中，最大的誤比特率不高于0.20，而WLAN最大則達(dá)到0.35。由于GSM-R較低的誤碼率，使得GSM-R丟棄或重發(fā)的概率要低于WLAN信道，所以GSM-R吞吐量要優(yōu)于WLAN的吞吐量，從而提高了實(shí)時(shí)性。在第三種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境最為復(fù)雜的情況下，GSM-R的零誤碼時(shí)間約為4 min，而WLAN只有約2 min，從吞吐量也驗(yàn)證了GSM-R從2 min 15 s開始，收信機(jī)開始就有按時(shí)接收包的概率，而WLAN則到了3 min 30 s才開始有按時(shí)接收包的概率。由此可以看出GSM-R在信道誤碼率和歸一化吞吐量方面要優(yōu)于WLAN。

另外，本文仿真的誤碼率結(jié)果高于鐵路通信設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是沒有設(shè)置信道編碼策略，即數(shù)據(jù)包中沒有糾錯(cuò)碼或檢錯(cuò)碼，只是利用ECC為0，將有誤碼的包統(tǒng)計(jì)并直接丟棄。這樣做的目的就是在不引入其他因素的條件下，只考察無線信道本身的特性。

6 結(jié)語

由于我國(guó)站內(nèi)使用何種通信方式控車尚未確定，使用OPNET軟件對(duì)我國(guó)鐵路站內(nèi)無線通信信道進(jìn)行仿真有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：第一，提供了前期設(shè)計(jì)規(guī)劃所需的部分參數(shù)和對(duì)比分析結(jié)果，得到了GSM-R信道的某些性能優(yōu)于WLAN信道的結(jié)論；其次，使用OPNET進(jìn)行通信前期設(shè)計(jì)仿真，可大大縮短通信工程的設(shè)計(jì)周期。不足之處在于本次仿真只模擬GSM-R和WLAN信道之間的QoS，而對(duì)二者之間上層協(xié)議的比對(duì)涉及較少，這也是今后鐵路通信仿真的研究方向。

[1] 南海蘭，王湘，鐘章隊(duì).GSM-R網(wǎng)絡(luò)小區(qū)覆蓋半徑的算法研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2005，27(1):66-68.

[2] 熊磊，路曉彤，鐘章隊(duì).高速鐵路GSM-R系統(tǒng)無線信道特性仿真[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(5):84-86.

[3] 劉振川.機(jī)車無線遙控系統(tǒng)的信道誤碼率及差錯(cuò)控制[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，1990(1):115-122.

[4] 北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院.中國(guó)鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

[5] 鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡，等.鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

[6] IEEE Std 802.11bTM-2007， Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band[S].

[7] IEEE Std 802.11TM-2007， Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications[S].

[8] Yahong Rosa Zheng， Chengshan Xiao， Senior Member， IEEE. Simulation Models With Correct Statistical Properties for Rayleigh Fading Channels[J]. IEEE Transactions On Communications， 2003，51(6):920-928

[9] Banks J John. Discrete-event System Simulation(Third Edition)[M]. London: Prentice Hall， 2011.

[10]石杰.高速環(huán)境下GSM-R網(wǎng)絡(luò)電路域數(shù)據(jù)傳輸分析及改善策略研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2010:8-11.

[11]鮑節(jié)爾.基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的GPRS系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施[D].北京:北京郵電大學(xué)，2012:11-24.

[12]M.A.Turnquist，M.S.Dadkin.Queuing models of classification and connection delay in rail yard[J]. Trans.Scil，1982(16):207-230.

[13]OPNET， Technologies， Inc. OPNET 14.5 Documentation[DB/CD].2014.

[14]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社，2004:67-109.

Analysis and Simulation of Train Control Radio Propagation Channel in Railway Station

ZHAO Yue, LI Guo-ning

(School of Electrical Engineering and Automation, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To reduce the time to design railway communication network, such network data of communication as transmission delay, bit error rate and throughput have to be obtained as soon as possible. However, the time spent on site investigation is unnecessarily long and the signals so obtained are not incompatible with performance index of network channel directly. In order to improve the situation, OPNET network simulation tool is used to build network modeling in combination with the site parameters. The software simulation reduces greatly the time for designing of communication and gets different results of GSM-R and WLAN from the same scenario. The results of simulation can be used to provide effective data support for designers and engineers in the pre-design and construction of communication system.

Railway communication; Radio channel; Network simulation; GSM-R; WLAN; QoS; Service quality

2015-04-23；

2015-05-07

趙 越(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：zy7672668@163.com。

1004-2954(2015)12-0099-06

U285.21

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.024