高速铁路电波传播特性的研究
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摘要
高速铁路是铁路发展的必然趋势,但是速度的提高又对铁路移动通信系统提出了更高的要求。要求铁路移动通信系统能够满足列车高速运行时,无线数据传输的实时性与可靠性,具有较高的频谱利用率。但是在高速铁路环境下,由于高速移动和复杂的地形条件,无线信道的性能发生急剧的变化,多径效应和多普勒频移的影响使信号产生衰落。由于我国铁路新一代的移动通信解决方案正面临着GSM-R和TETRA系统两种选择,因此,本文主要从电波传播的角度,对GSM-R和TETRA两种制式进行比较,结合我国铁路实际情况和未来发展方向,论证了未来铁路移动通信系统结构与技术体制。
     在前人研究的基础上,首先系统的介绍并比较了GSM-R和TETRA系统的特性和各自的优势,包括系统结构、射频性能、经济因素、实际应用等方面。然后介绍了电波传播的理论和模型,包括大尺度衰落和小尺度衰落,在此基础上,分析并建立了高速铁路移动信道模型。利用正弦波叠加法仿真得到了高斯过程,研究了速度参数对高斯过程和莱斯衰落的影响,分析了衰落信道的统计特性—衰落频度、衰落宽度、衰落深度与速度的关系,为后面的误码率分析作了铺垫。误码率是本文的重点和创新点。利用Matlab7.0/Simulink仿真软件的模块,建立高速铁路的传播模型,对一般无线传输制式、GSM-R、TETRA三种情况下的误码率和影响误码率的因素进行仿真研究。主要利用了单模块独立仿真法和多模块综合信道仿真法进行建模,基于每种制式自身的调制原理—BFSK调制、GMSK调制、π/4DQPSK调制,使信源发送的信号分别通过高斯白噪声信道、多径瑞利衰落信道、莱斯衰落信道和多模块综合仿真信道,得不同情况下的误码率曲线。并且还研究了在列车高速运动的时速度的变化对误码率的影响,得出了速度的提高对误码性能影响不大的结论。同时,对信噪比、信号发送速率、BT值等对系统性能有影响的几个因素进行了仿真。
     通过仿真对比发现,GSM-R的抗噪声性能好,而TETRA的抗多径性能很好,由于高速铁路是多径效应比较严重的无线传输环境,因此TETRA很适合在高速铁路信道环境中使用。文章最后,提出了一些改进无线传输误码性能的方法。
The developments of high-speed railway put forward higher requirement to railway mobile communication system that the railway mobile communication system should be able to meet the real time and reliability requirement of wireless data transmission with high frequency spectrum efficiency under high speed.
     However, under the high-speed railway environment, the performance of the wireless channel has the sudden change because of high-speed movement and the complex topographical condition. Also, the receive signals are affectd by the multi-path fading and Doppler shift. Since there are two choices which our country's railway of the new generation are facing that are GSM-R and TETRA, this article compares and analyses various digital mobile communication technologies, such as GSM-R and TETRA, combining with the existing status and future trends. Then the future railway mobile communication system structure and technical architecure are studied from the angle of the radio wave prppagation.
     Based on the research of former, this article first introduces the systematic characteristic property and respective advantage of GSM-R and TETRA, including system structure, economic factor, radio frequency, reality apply, and so on.
     Then the model of mobile receiver with high-speed are discussed in theory, including the characteristics of radio large-scale path loss and small-scale fading. The structure of model was confirmed in introduction step, based on the synthesis construe and discussion.Gaussian fading are simulated using the theory of sine summation.Meanwhile, the impact of speed on Gauss fading process and Rician fading process are studied which is the beding of the study of Bit error rate. Also, the relationship of the statistical properties of the fading channels which are the fading frequcency, the fading width and the fading depth and speed is discussed.
     Bit error rate is the most important part of this article. The model of mobile channel with high speed are based using the blocks of Matlab 7.0/Simulink. There are three ways of transmission that are studied which are general wireless transmission system, GSM-R and TETRA.The ways of simulation are single-block simulation and muti-blocks simulation. According to the modulation principle of every system which is BFSK modulation, GMSK modulation,π/4DQPSK modulation, the signals pass the differert channels which are White Gaussian Noise Channel, Multipath Rayleigh Fading Channel, Rician Fading Channel and multi-blocks channel. Then we can get the curve of Bit error rate. The influence of speed to Bit error rate in high-speed movement is studied. Results indicated that speed plays a small part to Bit error rate. At the same time, the signal-to-noise ratio, the bit rate and the value of BT are simulated.
     We can find that GSM-R is good at anti-noise while TETRA is good at anti-multipath fading using simulation. In short that TETRA is suit for high speed railway which has serious multipath fading.Finally, the ways of improving are proposed.
引文
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