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        城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)性能評估平臺的研究與實(shí)現(xiàn)

        2020-11-03 11:37:04廖志斌龍廣錢陳啟新
        計(jì)算機(jī)測量與控制 2020年10期
        關(guān)鍵詞:車地信號強(qiáng)度時(shí)延

        廖志斌,王 海,龍廣錢,陳啟新

        (1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所,北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,北京 100081; 3.廣州地鐵集團(tuán)有限公司,廣州 510330)

        0 引言

        目前基于無線通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)是城市軌道交通信號系統(tǒng)的主要制式,它利用雙向高速的車地?zé)o線通信技術(shù)傳遞信號控制信息,以此實(shí)現(xiàn)移動閉塞[1-2]。連續(xù)的通信是列車運(yùn)行的基本要求,車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能是CBTC系統(tǒng)的重要能力之一。因此,車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能評估是一個具有重要意義的研究問題。

        目前,地鐵民用通信和CBTC專網(wǎng)通信共同存在于城市軌道交通建設(shè)中[3-5]。不少研究表明[6-7]LTE與WLAN頻段相鄰,會造成WLAN的阻塞干擾。岳開棟[8]研究表明多網(wǎng)多載波合路后,其無源器件因信源設(shè)備不斷疊加,功率容限要求更高,系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間也將產(chǎn)生干擾。這些干擾均會對車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。

        除了干擾這些外部環(huán)境因素,無線通信系統(tǒng)中設(shè)備本身的特點(diǎn)和性能參數(shù)也對對車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。

        車地?zé)o線通信系統(tǒng)中列車接入單元通過軌旁線性覆蓋的無線信號接入到無線網(wǎng)絡(luò),其中無線通信的覆蓋由按照線性部署的無線接入點(diǎn)產(chǎn)生。列車接入單元在運(yùn)行過程中不斷連接運(yùn)行前方的無線接入點(diǎn),產(chǎn)生高頻次的切換,并且,無線接入點(diǎn)的設(shè)備類型和傳輸介質(zhì)也影響著列車無線通信單元在不同無線環(huán)境下的切換算法和切換參數(shù)[9]。以上問題均對車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能起到重大的影響。如何能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)有效,并且兼顧所有切換場景以及干擾環(huán)境的性能評估成為一個具有重要意義的研究問題。

        通過分析城市軌道交通無線環(huán)境特點(diǎn),利用半實(shí)物仿真,模擬無線傳輸信道,結(jié)合干擾信號源模擬不同的干擾環(huán)境,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個城市軌道交通車地?zé)o線通信性能的評估平臺。該評估平臺兼顧無線接入終端的不同切換場景和干擾場景,對車地?zé)o線通信系統(tǒng)做出量化分析,較好地評估了車地?zé)o線通信在不同干擾場景和不同移動速度場景下的性能。

        1 平臺搭建

        平臺通過對CBTC無線通信系統(tǒng)在信號干擾和切換環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通信性能表現(xiàn),對其車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能提供評估手段。平臺搭建如圖1所示,包括中心控制臺作為交互控制平臺,控制整個平臺的運(yùn)行;信號發(fā)生器、信道仿真單元、車載模擬單元、地面模擬單元均受中心控制臺控制;列車接入單元自動完成對無線通信網(wǎng)絡(luò)接入。

        圖1 城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)性能評估平臺

        其中,信號發(fā)生器按照無線通信中對干擾信號的測試需求,模擬不同的干擾。信道仿真單元將無線通信系統(tǒng)的信號經(jīng)過控制整合,以時(shí)間為單位輸出不同強(qiáng)度信號,模擬列車行進(jìn)過程中信號強(qiáng)度變化。列車模擬單元模擬車載設(shè)備,將測試數(shù)據(jù)經(jīng)由有線網(wǎng)絡(luò),通過列車接入單元,通過無線通信系統(tǒng)到地面模擬單元,模擬CBTC數(shù)據(jù)從車載到地面的傳輸過程。地到車經(jīng)過反向路徑回到車載模擬單元,完成統(tǒng)計(jì)分析。

        2 信道模型

        城市軌道交通的信道模型是一個線性覆蓋模型,利用無線信號在空間的路徑損耗和多徑衰落的公式可對矩形隧道損耗衰落信道進(jìn)行仿真[10]。當(dāng)前軌道交通中無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以天線和漏泄同軸電纜為主。根據(jù)城市軌道交通CBTC無線通信系統(tǒng)的鋪設(shè)方式,采用既有的信號衰減模型和實(shí)際測試的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù),利用工程經(jīng)驗(yàn)得到當(dāng)前經(jīng)典傳輸模型中的參數(shù)。根據(jù)該參數(shù)形成無線通信網(wǎng)絡(luò)的線性模型,構(gòu)建信道切換場景,模擬列車運(yùn)行過程中多個無線接入點(diǎn)的無線信號強(qiáng)度變化過程。

        2.1 定向天線傳輸方式建模

        定向天線無線信號的終端接收信號強(qiáng)度預(yù)算公式如下:

        Pr=Pt+Gt-Lp+Gr-Lc

        其中:Pr為終端設(shè)備接收功率,Pt為無線基站發(fā)射功率,Gt為無線基站天線增益;Lp為路徑損耗;Gr為終端設(shè)備天線增益;Lc為綜合損耗。

        其中:c為光速,3*108m/s,f(Hz)為傳輸頻率,d(m)為傳輸距離。定向天線模式下,覆蓋區(qū)域的場景和相應(yīng)覆蓋如圖2所示。定向天線覆蓋的測量值和理論值對比如圖3所示。

        圖2 定向天線信號強(qiáng)度示意圖

        圖3 定向天線信號強(qiáng)度實(shí)際測試圖

        2.2 漏泄同軸電纜傳輸方式建模

        漏泄同軸電纜無線信號的終端接收信號強(qiáng)度預(yù)算公式如下:

        Pr=Pt-Lp+Gr-LRF-Ls

        其中:Pr為終端設(shè)備接收功率;Pt為無線基站發(fā)射功率;Lp為漏泄同軸電纜路徑損耗;Gr為終端設(shè)備天線增益;LRF為射頻分路設(shè)備損耗;Ls為終端設(shè)備接收電纜損耗。

        漏泄同軸電纜傳播路徑損耗公式如下:

        Lp=Lc+L1

        Lc為耦合損耗;L1為每百米傳輸損耗。漏泄電纜模式下,覆蓋區(qū)域的場景和相應(yīng)覆蓋示意圖4所示。

        實(shí)際中城市軌道交通中采用漏泄電纜覆蓋模式的測量值和理論值對比如圖5所示。

        圖4 漏泄同軸電纜信號強(qiáng)度示意圖

        圖5 漏泄同軸電纜信號強(qiáng)度實(shí)際測試圖

        基于上述理論值與測試值,為信號強(qiáng)度值的波動進(jìn)行建模設(shè)計(jì)軟件,利用信道仿真單元根據(jù)實(shí)際場景選擇信道衰落算法控制信號源動態(tài)衰減。模擬接入單元將根據(jù)接收到的信號源信號發(fā)生切換,模擬出列車在不同的速度下的無線切換。

        2.3 干擾信號模擬

        干擾一般分為同頻干擾和鄰頻干擾。同頻干擾指通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的兩個以上信號源,同時(shí)處于同頻發(fā)射狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的對工作在該頻率上的接收設(shè)備的干擾。鄰頻干擾是指相鄰頻段信號的邊頻分量落入接收機(jī)工作頻段的通帶內(nèi)而造成的干擾。鄰頻干擾需要模擬出實(shí)際軌道交通中可能存在的不同種類的信號,包括GSM,CDMA,LTE等。

        城市軌道交通的WIFI系統(tǒng)使用2.4 GHz頻段,該頻段屬于開放頻段,智能手機(jī)等設(shè)備均可工作在該頻段,因此干擾源多。比如,城市軌道交通的LTE-M系統(tǒng)使用1 785~1 805 MHz頻段,緊鄰運(yùn)營商頻段。在新建軌道交通線路中,一般會與民用通信同時(shí)部署開通,不可避免地會產(chǎn)生干擾。

        根據(jù)現(xiàn)有移動、聯(lián)通、電信等運(yùn)營商的通信制式和WIFI制式,利用信號發(fā)生器作為干擾源,驗(yàn)證這些干擾下車載終端傳輸質(zhì)量和傳輸速率的變化,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        3 軟件設(shè)計(jì)

        軟件系統(tǒng)包含6個部分,中心控制臺、地面模擬單元、信道仿真單元、干擾信號模擬單元、列車接入單元和車載模擬單元。其中,中心控制臺實(shí)現(xiàn)對地面模擬單元、信道仿真單元、干擾信號模擬單元和車載模擬單元的控制;列車接入單元無需中心控制臺進(jìn)行控制,可自動完成入網(wǎng)切換和傳輸數(shù)據(jù);地面模擬單元為CBTC數(shù)據(jù)測試提供數(shù)據(jù)回傳功能;信道仿真單元控制信道仿真單元按照信號衰落模型輸出不同步的兩個周期信號,模擬列車在實(shí)際線路運(yùn)行時(shí)收到的無線信號;干擾信號模擬單元根據(jù)測試方案,進(jìn)行同頻干擾、鄰頻干擾信號的產(chǎn)生;車載仿真單元和地面仿真單元經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,統(tǒng)計(jì)丟包、時(shí)延和切換性能。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        仿真的CBTC數(shù)據(jù)流向如圖6所示,車載模擬單元通過有線接口將CBTC數(shù)據(jù)發(fā)送至列車接入單元,列車接入單元將數(shù)據(jù)通過無線信道將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面模擬單元,經(jīng)過處理后,CBTC數(shù)據(jù)按照相反方向回到車載模擬單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

        統(tǒng)計(jì)分析過程利用滑動窗用來解決實(shí)時(shí)平均時(shí)延的計(jì)算問題,該方法有利于將計(jì)算時(shí)間分散到每次增加數(shù)據(jù)過程當(dāng)中,避免造成數(shù)據(jù)堆積和計(jì)算時(shí)間長的問題。實(shí)時(shí)時(shí)延計(jì)算方法如下,定義為接收到的數(shù)據(jù)個數(shù),Dc為當(dāng)前時(shí)延,Dp為滑動窗最開始的數(shù)據(jù)的時(shí)延,m為滑動窗長度。Davg為平均時(shí)延Davg_m為滑動窗長度的最近時(shí)延。

        圖6 軟件架構(gòu)圖

        丟包統(tǒng)計(jì)方法為在車載模擬單元端,每個數(shù)據(jù)包均帶有數(shù)據(jù)包序列號,利用數(shù)據(jù)包的序列的連續(xù)性,判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生丟失。

        各個仿真單元的實(shí)現(xiàn)說明如下:

        1)地面模擬單元:

        (1)客戶端信息接收處理:接收帶有編碼序列的測試數(shù)據(jù)包信息,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。

        (2)消息接收數(shù)據(jù)管理單元:進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收存儲和顯示管理。

        (3)定時(shí)刷新顯示界面:根據(jù)數(shù)據(jù)管理單元的管理指針獲取未顯示信息并顯示到界面。

        2)信道仿真單元:

        (1)信道模擬:根據(jù)信道模型,計(jì)算并控制通過該信道的無線信號的發(fā)射強(qiáng)度,滿足實(shí)際線路中的覆蓋模型。

        (2)動態(tài)模擬:為了能夠模擬列車在不同速度情況下的通信性能,結(jié)合無線接入點(diǎn)/小區(qū)覆蓋距離計(jì)算周期時(shí)間和信道模型之間的相位差,形成交叉覆蓋的無線覆蓋場景模型。

        3)干擾信號模擬單元:

        干擾信號發(fā)生:根據(jù)頻點(diǎn)、頻寬和發(fā)射強(qiáng)度控制信號發(fā)生器模擬該干擾信號。

        4)列車接入單元:

        (1)無線信息查詢:查詢模擬接入單元的無線信號強(qiáng)度、無線接入點(diǎn)MAC地址/小區(qū)號的信息和位置信息等,周期性發(fā)送給車載模擬單元。

        (2)數(shù)據(jù)傳輸:接收車載模擬單元的數(shù)據(jù)并傳遞給地面模擬單元;接收地面模擬單元的數(shù)據(jù)傳遞給車載模擬單元。

        5)車載模擬單元:

        (1)定時(shí)刷新顯示界面:采用定時(shí)刷新的方法,將多個數(shù)據(jù)處理進(jìn)行周期型處理。降低界面刷新頻率,降低界面線程工作強(qiáng)度,確保程序的可靠性。

        (2)服務(wù)器回傳信息接收和處理:用于接收服務(wù)器回傳的信息,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,是測試結(jié)果的分析數(shù)據(jù)源。

        (3)監(jiān)測信息接收和處理:用于接收車載模擬單元發(fā)送的自定義詳細(xì),此自定義消息為可變消息結(jié)構(gòu),可包含設(shè)備的信號強(qiáng)度信息和關(guān)聯(lián)的無線接入點(diǎn)的MAC地址/小區(qū)號。當(dāng)該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際線路測試時(shí),還將增加位置信息,進(jìn)行故障點(diǎn)定位。

        (4)編碼序號報(bào)信息發(fā)送:該模塊為測試數(shù)據(jù)的生成模塊,每個數(shù)據(jù)包包含有4個保存序號的字節(jié),序號將按照間隔為1的升序方法編寫;同時(shí)在該數(shù)據(jù)中根據(jù)CBTC系統(tǒng)列車數(shù)據(jù)的傳輸格式,構(gòu)造并模擬CBTC數(shù)據(jù),使測試能夠應(yīng)用于實(shí)際線路的測試。

        (5)信息池:用于緩沖由無線網(wǎng)口接收到的數(shù)據(jù),利用兩個緩沖區(qū)接收同一個端口的數(shù)據(jù),將接收和處理進(jìn)行分離,提高效率。

        (6)信息存儲表:用于實(shí)時(shí)顯示模擬接入單元的信號強(qiáng)度、無線接入點(diǎn)MAC地址/小區(qū)號的信息和位置信息等,用于分析信號強(qiáng)度和切換;在實(shí)際線路測試時(shí)將提供位置信息。

        (7)回傳數(shù)據(jù)接收管理單元:利用回傳的數(shù)據(jù)包,對實(shí)時(shí)丟包率、總丟包率、實(shí)時(shí)平均時(shí)延、總平均時(shí)延及最大中斷時(shí)間等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        測試示例通信系統(tǒng)使用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN技術(shù),工作頻段為2.4 GHz,兩個AP均工作于1信道,采用漏泄同軸電纜模式,模擬場景參考圖4。

        測試時(shí),無線AP的信號首先接入無線信道仿真單元,然后通過合路器接入到同一根饋線中,饋線終端放置天線。列車接入模擬單元的天線與饋線終端的天線相隔約2米,可忽略該空間損耗。參數(shù)如表1所示。

        表1 無線信道的參數(shù)

        無線AP的信號強(qiáng)度通過信道仿真單元周期性設(shè)置衰減量模擬漏泄同軸電纜的百米損耗L1,兩個AP設(shè)備的信號通道的信號強(qiáng)度相差半個周期。

        選擇AP的仿真間隔為400 m,列車行進(jìn)速度為70 km/h,那么信道仿真單元對信道衰減的控制周期為21 s。

        測試統(tǒng)一采用100 ms為周期每次500 byte的速率進(jìn)行測試,測試方向?yàn)殡p向測試。其中兩個屬于同一SSID下的AP經(jīng)過信道仿真單元發(fā)射無線信號。兩個AP被列車接入單元接收到的信號強(qiáng)度均約為-53 dB。

        為了探究信號干擾對該通信場景的影響,分別進(jìn)行了無干擾、同頻干擾和鄰頻干擾測試。

        同頻率干擾的頻點(diǎn)為2 412 MHz,干擾頻寬為22 MHz,干擾源的發(fā)射強(qiáng)度為20 dBm,此時(shí)列車接入單元接收到該干擾的強(qiáng)度為-90 dB。

        鄰頻干擾的頻點(diǎn)為2 350 MHz,干擾頻寬為20 MHz,干擾源的發(fā)射強(qiáng)度為20 dBm,模擬移動公司的TDD-LTE(E)2325~2370 M頻段信號。

        其中,干擾源均采用全向天線發(fā)射信號,WLAN的有效信號由平板天線發(fā)射,列車接入單元利用單向天線進(jìn)行信號接收。

        表2 干擾測試結(jié)果

        測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。其中時(shí)延是指雙程傳輸時(shí)延。最大中斷時(shí)間為列車接入單元連續(xù)接收到的兩個數(shù)據(jù)包時(shí)間差的最大值。通過測試結(jié)果可以看到,干擾對平均時(shí)延的影響比較小,但是對最大時(shí)延具有很大的影響。同頻干擾的情況下最大時(shí)延為497 ms,而無干擾情況下僅為39 ms。對于最大連續(xù)丟包,僅同頻干擾會造成長時(shí)間通信中斷。從丟包率看,同頻干擾情況下達(dá)到了24.56%,且相應(yīng)的最大中斷時(shí)間為17.7 s,已經(jīng)無法正常通信;鄰頻率干擾情況下丟包率提高了3.62%,最大中斷時(shí)間為400 ms,對通信性能有較大的影響。從結(jié)果中可以看到,在運(yùn)營公司不采取相應(yīng)措施的情況下,城市軌道交通中鋪設(shè)民用WLAN和LTE網(wǎng)絡(luò)可能影響CBTC的數(shù)據(jù)傳輸,因此在開通前有必要進(jìn)行干擾測試。

        5 結(jié)束語

        該城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)性能評估平臺首先利用半實(shí)物仿真,構(gòu)建無線通信系統(tǒng)和干擾環(huán)境;然后模擬真實(shí)的CBTC下的數(shù)據(jù)仿真,對車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)在不同干擾場景和不同切換頻率的場景下進(jìn)行了傳輸時(shí)延、丟包率等指標(biāo)的測量,定量分析了無線通信系統(tǒng)的性能。在測試示例中顯示,該平臺對車地?zé)o線通信系統(tǒng)在干擾場景下的性能劣于非干擾場景;從結(jié)果看,該平臺能夠評估城市軌道交通的車地?zé)o線通信系統(tǒng)在不同場景下的性能,對城市軌道交通的車地?zé)o線通信系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營具有重要的意義。

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