一种基于mimo技术的城轨列车车地通信系统传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于轨道交通通信网络技术领域，特别设及一种基于多输入多输出(MIMO) 技术的城轨列车车地通信系统传输方法。
【背景技术】
[0002] 21世纪W来，随着经济的快速发展W及人口城市化的稳妥推进，城市道路交通面 临日益严峻的挑战。为缓解道路交通压力，各大城市均大力发展城市轨道交通。城市轨道交 通作为世界公认的低耗能、少污染的"绿色交通"，是促进城市繁荣，缓解种种城市通病的一 把金钥匙，对于实现城市的可持续发展具有非常重要的意义。
[0003] 列车运行控制系统是保证列车和乘客安全，实现列车快速、高密度、有序运行的关 键系统，担当着保障行车安全和提高运行效率的重任。采用各种技术手段的列车运行控制 系统是对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制，来保证安全运行、提高运输效率， 列车完整性检查、测速、定位和车地信息传输是它的关键技术，在运当中车地信息传输是核 屯、问题之一。近年来，无线通信技术的飞速发展使得其可靠性、可用性大大提高，基于通信 的列车运行控制系统（Communication Based Train Control System,CBTC)因其网络化、 智能化W及通信信号一体化等得到了业界的广泛认可。随着铁路机车车辆、城轨列车技术 的发展，通过车载通信网络技术实现整列车的安全实时控制和各类信息的传递已成为今后 的技术发展趋势，而城轨列车安全检测传感网是W车载微机为主要技术手段，对列车的运 行控制、状态监测、故障诊断W及旅客服务信息进行综合处理的应用于列车的网络系统，它 是列车安全运行的重要保障措施。在城轨列车安全检测传感网的系统，车地信息传输技术 是实现列车安全监测的关键技术，它需要其具有实时性和高可靠性的特点，从而保证安全 检测系统在正常运行W及故障等多种情况下的稳定性。而目前车-地无线通信基本采用 WLAN组网，无线覆盖采用天线、漏泄同轴电缆或漏泄波导管等多种覆盖方式完成区间射频 信号覆盖，满足基于移动闭塞的列车运行控制。但由于列车移动环境下无线信号传播的衰 落特性、多普勒效应和地下隧道通信的特殊传播环境等特点，W及列车高速运行时在通信 网络中频繁发生切换的问题，其性能受到影响甚至限制，使车地无线通信仍是列车整个控 制系统中相对薄弱的环节。根据网络数据传输的进一步发展需要，车地通信网络实现大数 据量传输任务，具有高数据传输速率和低误码率，从而保证良好的移动接入性、传输实时性 和可靠性，仍是当前亟需研究解决的课题。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于MIMO技术的城轨列车车地通信系统传 输方法，其特征在于，该方法是应用LTE、WiMAX W及IE邸802.1 In标准中的关键技术MIMO技 术，在城市轨道交通列车通信网络TCN的基础上，建立的空时分组码车地联合2 X 2MIM0系统 传输方法;具体步骤为：
[0005] 1)提出了一种城轨列车车载的发射端多天线即车载天线组的布设形式;根据列车 的线性特征W及长度特点，分别在列车的车头和车尾布置一只整鱼罐天线，构成一个车载 天线组;根据城市轨道交通车辆的尺寸及隧道各类限界要求，设置车载天线组至地面高度， 车载天线组与地面无线接入点关联;车载天线组采用垂直极化全向天线，车载天线组水平 放置；
[0006] 2)提出了一种城市轨道高架环境下的轨旁接收端多天线即高架轨旁天线组的布 设形式；高架轨旁天线组的两只接收天线为八木天线，分别布置在轨道两侧，天线间距离
I入为工作波长，设置高架轨旁天线组高度为3.6m，间距3.2m;
[0007] 3)提出了一种城市轨道隧道环境内的轨旁接收端多天线即隧道轨旁天线组的布 设形式;隧道轨旁天线组的两只接收天线为高增益八木天线，分别布置在隧道壁内侧上方， 隧道轨旁天线组高度为3.8m，间距3.2m;
[000引4)提出了一种适合车地联合2 X2MIM0系统的编码方式，即空时分组码的编码方 式;在所述编码方式下，系统在接收时采用最大似然检测算法进行解码，并且由于码子之间 的正交性，在接收端线性处理W完成解码。
[0009] 所述城市轨道交通列车通信网络TCN的数据通信系统设计原则为对所有列车控制 子系统提供IEEE 802.3接口；数据通信系统对列车控制子系统是透明的；子系统之间的通 信采用UDP/IP协议;数据通信系统除完成报文通路外，允许系统实现旅客广播系统、旅客向 导系统、远程SCADA设备W及车载视频监视系统的功能。
[0010] 所述高架轨旁天线组的布设形式在全线路上，一个高架轨旁天线组为一个轨旁自 由波无线接入点，其布置结合场强覆盖参数并按照红蓝网冗余覆盖的原则，相邻无线接入 点之间的距离为200m~250m。
[0011] 所述隧道轨旁天线组的布设形式在全线路上，一个隧道轨旁天线组为一个轨旁自 由波无线接入点，其布置结合场强覆盖参数并按照红蓝网冗余覆盖的原则，相邻无线接入 点之间的距离为200m~250m。
[0012] 所述空时分组码的实现过程为：
[0013] 在某个时隙的调制符号Si和调制符号S2,在两个连续的时隙被发射，第一个时隙， 31从第一个天线发射，32从第二个天线发射;在第二个时隙，从第一个天线发射，《为32 的共辆复数，s；^从第二个天线发射，?为Sl的共辆复数;则记两个时隙下的发射信号矩阵X 为：
(1)
[0015]式中，X的列分别表示在每个时隙上，第一个发射天线和第二个发射天线的发射数 据;第一个时隙第j个接收天线接收到的信号y^l)和第二个时隙第j个接收天线接收到的 信号y^2)分别为：
[OOW yj(l)=hi,jSi+h2,jS2+ej(l) (2)
[0017] 口)='一马'戸;+6^2) (3)
[0018] 式中，hu是第一个发射天线到第j个接收天线的信道衰落系数随机变量，h2,J是第 二个发射天线到第j个接收天线的信道衰落系数随机变量，并且假设信道衰落系数在连续 两个时间间隔内保持不变;e^l)是第一个时隙第j个接收天线受到的加性高斯白噪声、ej (2)是第二个时隙第j个接收天线受到的加性高斯白噪声；SI的最佳判决A和S2的最佳判决 爲分别为：
(4) 喊
[0021] 有益效果
[0022] 本发明结合MIMO技术特点，分析了天线相关性的影响，并提出了车地联合的2 X 2MIM0系统传输方案；由于列车运行环境的特殊性，其通信对传输可靠性要求更高，基于此 提出了结合Alamouti空时分组码的MIMO系统。通过本发明所提出的车地通信系统传输方 案，能够使其通信系统在信道容量方面取得明显的增益。基于所建立的无线信道模型，给出 了高架环境W及隧道环境下本发明的系统传输可靠性，说明MIMO系统方案的可靠性较单天 线空间自由波方式和漏泄波导传输方式的明显提升;本发明能够应用到实际工程问题中， 提升车地通信系统的传输性能，保证列车高效、安全运行。
【附图说明】
[0023] 图1 MIMO系统在不同信噪比下的遍历容量。
[0024] 图2高架环境漏泄波导传输方式。
[0025] 图3高架环境无线自由波传输方式。
[00%]图4高架环境下车地联合MIMO系统的可靠性。
[0027] 图5地下隧道多径效应示意图。
[0028] 图6隧道环境下车地联合MIMO系统的可靠性。
[0029] 图7为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合说明书附图与两组具体实施例对本发明做进一步的描述。
[0031] 本发明方法是应用LTE、WiMAXW及IE邸802. Iln标准中的关键技术MIMO技术，在城 市轨道交通列车通信网络TCN的基础上，建立的空时分组码车地联合2 X 2MIM0系统传输方 法;如图7所示为本发明的方法流程图，具体步骤为：
[0032] 1)提出了一种城轨列车车载的发射端多天线即车载天线组的布设形式;根据列车 的线性特征W及长度特点，分别在列车的车头和车尾布置一只整鱼罐天线，构成一个车载 天线组;根据城市轨道交通车辆的尺寸及隧道各类限界要求，设置车载天线组至地面高度， 车载天线组与地面无线接入点关联;车载天线组采用垂直极化全向天线，车载天线组水平 放置；
[0033] 2)提出了一种城市轨道高架环境下的轨旁接收端多天线即高架轨旁天线组的布 设形式；高架轨旁天线组的两只接收天线为八木天线，分别布置在轨道两侧，天线间距离
，入为工作波长，设置高架轨旁天线组高度为3.6m，间距3.2m;
[0034] 3)提出了一种城市轨道隧道环境内的轨旁接收端多天线即隧道轨旁天线组的布 设形式;隧道轨旁天线组的两只接收天线为高增益八木天线，分别布置在隧道壁内侧上方， 隧道轨旁天线组高度为3.8m，间距3.2m;
[0035] 4)提出了一种适合车地联合2 X2MIM0系统的编码方式，即空时分组码的编码方 式;在所述编码方式下，系统在接收时采用最大似然检测算法进行解码，并且由于码子之间 的正交性，在接收端线性处理W完成解码。
[0036] 所述城市轨道交通列车通信网络TCN的数据通信系统设计原则为对所有列车控制 子系统提供IEEE 802.3接口；数据通信系统对列车控制子系统是透明的；子系统之间的通 信采用UDP/IP协议;数据通信系统除完成报文通路外，允许系统实现旅客广播系统、旅