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        基于GSM-R的移動通信無線信道傳輸特性分析

        2024-05-07 15:17:27胡雯雯
        中國新通信 2024年3期

        胡雯雯

        摘要:隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步,高速鐵路行業(yè)也取得了顯著發(fā)展,其中GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用功不可沒。隨著鐵路速度的增加,通信信道穩(wěn)定性和可靠性成為一個挑戰(zhàn),通信中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳錯、延遲和越區(qū)切換等問題。本文旨在基于GSM-R無線通信系統(tǒng),分析列車在高速行駛過程中進(jìn)行越區(qū)切換時,無線信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,以保證高速列車的實(shí)時高質(zhì)量通信。

        關(guān)鍵詞:GSM-R,無線信道,越區(qū)切換,通信質(zhì)量

        隨著我國高鐵和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,無線通信技術(shù)和高鐵的密切結(jié)合將成為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新動力。在未來,隨著無線通信技術(shù)水平不斷提高,人們的需求也會隨之增大,特別是對于傳輸速率和通信質(zhì)量的需求。隨著高鐵的行駛速度不斷提升,有的時速甚至達(dá)到350km以上,信道的傳輸特性也將會發(fā)生變化。因此,如何在不斷變化的信道中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量傳輸成為無線通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。只有不斷提高信號在具有時變特性的信道中的穩(wěn)定性,才能規(guī)劃出符合高速列車特點(diǎn)的無線通信系統(tǒng)[1]。

        GSM-R是專門用于滿足高鐵通信需求的無線通信系統(tǒng)。在高速鐵路系統(tǒng)中,GSM-R是不可或缺的一部分,它解決了高鐵在通信業(yè)務(wù)方面的各種需求。但高速鐵路系統(tǒng)中的通信仍面臨著一些挑戰(zhàn),其中數(shù)據(jù)信號在無線信道上的傳輸有效性和可靠性是關(guān)注的重點(diǎn)[2],在實(shí)際應(yīng)用中,越區(qū)切換阻塞等問題經(jīng)常發(fā)生。這主要?dú)w因于沿線環(huán)境的復(fù)雜性以及列車高速行駛的影響,這些因素都嚴(yán)重影響了信號在無線信道中的傳輸質(zhì)量[3]。

        在鐵路領(lǐng)域中,國際鐵路聯(lián)盟對專用調(diào)度通信有具體的要求,因此GSM-R系統(tǒng)為了滿足這些要求,在GSM(全球系統(tǒng)移動通信)的基礎(chǔ)上添加了通用集群和調(diào)度通信的功能。GSM-R系統(tǒng)基于GSM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),專注于鐵路應(yīng)用。在20世紀(jì)90年代,國際鐵路聯(lián)盟與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織共同提出了下一代鐵路通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

        隨后,GSM-R系統(tǒng)成為車地之間進(jìn)行信息傳遞的鐵路專用通信系統(tǒng)。為了滿足鐵路運(yùn)輸通信和調(diào)度指揮的需求,根據(jù)國家規(guī)劃,正在建設(shè)“八橫八縱”鐵路網(wǎng)。在這個規(guī)劃中,GSM-R網(wǎng)絡(luò)被用來實(shí)現(xiàn)全部覆蓋,以提升鐵路網(wǎng)服務(wù)的全面性[4]。這意味著GSM-R系統(tǒng)在鐵路通信中發(fā)揮著重要的作用。

        一、GSM-R移動通信系統(tǒng)

        (一)GSM-R系統(tǒng)概述

        GSM-R系統(tǒng)主要設(shè)備包括地面設(shè)備、車載設(shè)備以及車的傳輸設(shè)備。通過車載設(shè)備和地面通信站之間的信息傳遞,地面通信站可以處理覆蓋范圍內(nèi)列車的信息,并將其傳輸給列車。這樣,列車就可以正常有序地運(yùn)行[5]。GSM-R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        在GSM-R系統(tǒng)中,數(shù)字傳輸系統(tǒng)是連接各子系統(tǒng)的傳輸信道,其中包括為提供相關(guān)服務(wù)所需要的傳輸設(shè)備或單元,比如傳輸光纜、傳輸電纜以及其他相關(guān)傳輸設(shè)備等[6]。

        在鐵路運(yùn)輸中,列車在行駛過程中需要進(jìn)行無線電通信,例如在固定點(diǎn)和移動點(diǎn)之間,或者移動點(diǎn)之間進(jìn)行通信。這種通信是為了確保列車能夠進(jìn)行高效可靠的信息交流,以保障列車的安全運(yùn)行,并防止作業(yè)事故的發(fā)生[6]。

        (二)GSM-R相關(guān)技術(shù)

        1.調(diào)制技術(shù)

        在無線移動通信系統(tǒng)中,頻率較高的信號需要采用調(diào)制技術(shù)進(jìn)行有效傳輸。隨著列車速度的增加,無線傳輸信道不斷變化,即使是相鄰字符間的無線傳輸信道特性也存在差異。為了改善快速衰落特性和多普勒頻移效應(yīng),以實(shí)現(xiàn)最大吞吐量,通常采用高斯濾波最小頻移鍵控調(diào)制方式進(jìn)行無線通信[7]。

        2.交織技術(shù)

        列車通常以較高的速度行駛,因此GSM-R系統(tǒng)無線傳輸信道具有不穩(wěn)定性。盡管交織技術(shù)可以糾正一個或者少量個數(shù)的誤比特[7],但是當(dāng)無線傳輸信道受到強(qiáng)烈干擾并發(fā)生頻繁變化時,會導(dǎo)致相連的誤比特增多,此時交織技術(shù)可能無法完全糾正。

        二、基于GSM-R的移動通信無線信道

        (一)基于GSM-R無線信道特性分析

        在高速鐵路通信系統(tǒng)中,無線傳輸信道與一般的固定通信網(wǎng)的信道存在差異。高速鐵路通信系統(tǒng)中的無線傳輸信道面臨更加復(fù)雜的地理環(huán)境,例如列車高速行駛時,信號的接收功率會發(fā)生一定的損耗。此外,信號在復(fù)雜多變的傳輸環(huán)境中也會發(fā)生變化,從而影響通信質(zhì)量。正是由于無線傳輸信道的不確定性,使得無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有待提升。

        1.同頻干擾

        頻率復(fù)用是一種常用的無線通信技術(shù),但它也會引發(fā)同頻干擾問題。當(dāng)有用信號和干擾信號共用同一頻率時,它們在放大和調(diào)頻過程中可能混淆在一起,導(dǎo)致接收機(jī)性能下降,阻塞或降低接收靈敏度,以及通信質(zhì)量下降等嚴(yán)重后果[8]。為了提高GSM-R系統(tǒng)的頻率利用率,人們必須在考慮同頻干擾的情況下,合理調(diào)整同頻小區(qū)之間的間隔。

        2.通話質(zhì)量和傳輸干擾

        衡量無線移動通信傳輸?shù)挠行?biāo)準(zhǔn)是通話質(zhì)量,它能夠直接反映無線移動通信系統(tǒng)的水平。通話質(zhì)量通過計(jì)算信道編碼前的錯誤比特率的平均值來衡量,因此它直接影響通信質(zhì)量的好壞,并且可用作評估傳輸干擾程度和信號在無線信道中可靠傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)之一。在GSM-R系統(tǒng)中,RxQual用于表示接收端接收到的通信數(shù)據(jù)的期望值,取值范圍為0至7[8],如表1所示。

        根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),當(dāng)通話質(zhì)量達(dá)到4級及以上時,誤比特率超過1.6%,平均值為2.26%。這表明存在較大的傳輸干擾。因此,可以得出結(jié)論:誤比特率越高,傳輸干擾就越大。但通話質(zhì)量的好壞不僅僅由傳輸干擾因素決定,還受到其他不同的干擾因素的影響。因此,僅僅通過改善誤比特率并不能直接改善通話質(zhì)量或用于實(shí)際的信號傳輸控制。在研究信號傳輸干擾時,人們需要綜合考慮不同的干擾因素的影響。

        (二)基于GSM-R無線通信的越區(qū)切換分析

        GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)是高速鐵路運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障。它主要沿著鐵路線逐步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,形成一個穩(wěn)定且獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效支持高速列車在更高的速度下完成高質(zhì)量的通信。由于網(wǎng)絡(luò)分布的特點(diǎn),GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)采用線狀覆蓋的方式(如圖2所示),這種覆蓋形式不僅降低了相鄰小區(qū)之間的距離和數(shù)量,還為小區(qū)的最優(yōu)選擇和高效切換提供了有力的保障。

        越區(qū)切換是指高速列車從一個網(wǎng)絡(luò)區(qū)切換到另一個網(wǎng)絡(luò)區(qū)的過程,或者是語音信號從一個信道切換到另一個信道的過程。這種切換是為了保持語音信號的正常傳輸,以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的變化或信道質(zhì)量的變差。

        為了保證語音通信信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性,一種常見的做法是將語音傳輸信道連接到新的空閑語音信道上,以避免受到其他通信或干擾源的影響,提高語音傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。對于無線通信系統(tǒng)來說,越區(qū)切換失敗、切換位置錯誤以及切換頻繁等問題都可能導(dǎo)致性能變差。在實(shí)際應(yīng)用中,GSM-R系統(tǒng)的越區(qū)切換成功率通常較高,但仍然存在切換頻繁甚至不合理的情況。

        針對這一問題,在鐵路數(shù)字移動無線通信系統(tǒng)GSM-R中,可以通過調(diào)整越區(qū)切換的兩個小區(qū)切換時間和切換距離來科學(xué)進(jìn)行控制,以控制無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。通過這樣的調(diào)整,即使發(fā)生越區(qū)切換失敗,列車仍有足夠的時間和距離去進(jìn)行第二次越區(qū)切換[9]。另外,在保證鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM-R符合350km/h的運(yùn)行速度要求[10]的前提下,還可以提高越區(qū)切換的效率,并將前后兩次越區(qū)切換的時間控制在10秒以內(nèi)。這樣一來,可以提高越區(qū)切換的效率和效果,同時提高通信的有效性和可靠性。

        三、GSM-R越區(qū)切換模型及仿真分析

        在GSM-R模型中,越區(qū)切換的信息處理時間平均值為0.5s,圖3為GSM-R越區(qū)切換的Petri網(wǎng)模型。

        在GSM-R系統(tǒng)中,時延要求分別為0.5s(95%)、1.2s(99%)和2.4s(99.99%)。在Time NET中進(jìn)行仿真分析,P1為越區(qū)切換的概率,P2為切換后狀態(tài)概率,P3為RBC處理后狀態(tài)概率。

        圖4是GSM-R發(fā)生越區(qū)切換的仿真概率曲線,運(yùn)行時間為10秒。從圖可以看出,越區(qū)切換的概率在0.4%~0.8%之間波動,也就是GSM-R越區(qū)切換發(fā)生的平均值在0.6%左右。當(dāng)時間趨于無窮大時,其概率為0.589%,仿真結(jié)果與GSM-R技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)接近。

        從圖P2和P3中,在t=0時刻時,此時P2的概率為100%,同樣在t=0時刻,P3對應(yīng)的概率為0。通過圖5和圖6分析得到:P2和P3的概率和為定值,即說明了進(jìn)行越區(qū)切換的P為定值,基于GSM-R切換時通信的穩(wěn)定性得到了保障。

        四、結(jié)束語

        綜上所述,通過對基于GSM-R的通信系統(tǒng)中的無線信道進(jìn)行優(yōu)化,可以提升通信的穩(wěn)定性和質(zhì)量,從而保證信號傳輸?shù)目煽啃?。通過調(diào)整越區(qū)切換的小區(qū)切換時間和切換距離,以及控制無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離,可以提高通信系統(tǒng)的性能,減少切換頻率和錯誤,進(jìn)一步提升通信的有效性和可靠性。這樣的優(yōu)化措施確保了在GSM-R通信系統(tǒng)中的信號傳輸具有較高的可靠性,為用戶提供了更為穩(wěn)定的通信質(zhì)量和服務(wù)。

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