【摘要】电力机车的实时管理和自动控制是当前铁路系统的发展趋势和迫切要求。本文 针对这种要求,在GSM移动通信系统的基础上提出了建立电力机车移动数字通信网以实 现机车与控制中心之间的数据传输的方案,设计了系统中车载移动台、GSM覆盖区外自建 基站的基本构造,分析了系统中越区切换、纠错编码等关键技术,并详细的阐述了其实现 方法。 【关键词】电力机车移动数字通信网,移动台,自建基站,越区切换,纠错编码 [AbstraetlIt15theimpendingrequirementandthedireetioninrailwaysystemdevelopment thattheloeomotiveshouldbecontrolledantomatieallyandmanagedinrealtime.Aeeordingto thisrequirement,theRailwayMobileDigitalColnmunicationSystembasedontheGSMSystemforMobileCommunieation15PutforwardinthisPapertoaeeomPlishthedatatransferbetweentheeontroleenterandtheloeomotive.InthisPaPer,thedesignoftheMS(theMobileStation) andtheereetedBS(theBaseStation)outoftheGSMeover15earriedout.Lastwediseussthe keyteehniquesoftheRailwayMobileDigitalCommunieationSystem,thehandoffandthe Error-correeteoding.AlsotheaecomPlishwaysoftheseteehniquesarediseussed. [K盯words1theRailwayMobileDigitalCommunieationSystemhandoff,Error一correeteodingMStheereetedBS ;信息工程大学硕士学位报告 第一章绪论 目前铁路有关单位对电力机车监控、管理等方面还主要依靠人工操作,效率低且易产 生误差,落后于现实的要求。本课题的目的就是设计电力机车数字通信网以实现对电力机 车有关数据的自动采集和自动寻址,对数据的分析后再通过该通信网将相应的控制指令发 送给机车对象,从而实现对电力机车的科学有效的监控、管理,保证机车对象安全、高效 的运作。 由于机车通常处于高速运行的状态中,有线网络无法实现机车与控制中心的数据传 输,所以只能采用移动通信系统进行数据传输。现阶段主要的移动通信系统有GSM(Global SystemforMobileCommunieations)蜂窝移动通信系统、GPRS(GeneralPaeketRadi。 Serviee)通用分组无线业务通信系统、集群通信系统以及15一95ACDMA(CodeDivisi。n MultipleAeeess)移动通信系统。 GSM数字移动通信系统,作为第二代数字蜂窝移动通信系统是在多种业务形式和容量 需求的驱动下发展起来的,由于数字移动通信可以提供更大的容量,同时还可提供多种数 字业务,因而一经出现就令人刮目相待。与模拟蜂窝通信系统相比,数字蜂窝通信系统有 以下几个特点: (1)频谱利用率高。每个小区支持的话务量比模拟网增加许多。 (2)系统容量大。在同样的区域内可以容纳更多的用户。 (3)业务范围扩大。除传输话音外还可以传输多种数据业务,主要有: 调制解调数据业务; 非限制性数字数据业务; 专用分组数据装配、拆卸(PAD)业务; 分组数据业务; 短消息业务(SMS); 三类传真业务; 无线分组业务。 (4)话音质量明显提高,特别是在弱信号和干扰大的环境下更是如此。 (5)采用数字技术便于加密,提高了系统通信安全性。 (6)可实现国际漫游。如GSM系统便统一了泛欧地区的体制,可实现跨国通信。 (7)移动台小型化。由于采用数字技术及集成等先进技术,可进一步压缩体积,减 轻重量,方便用户,有利于向个人通信发展。 GPRS技术是GSMPhase2.1(1997年)规范实现的内容之一,能提供高达115kbit/s的 传输速率(最高值为171.Zkbit/s,不包括FEC),而GSM网数据业务传输速率仅为 9.6kbit/s。作为一种基于GSM的移动分组数据业务,GPRS采用与GSM相同的频段、频带 宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。GPRs在现有的GSM 网络基础上叠加了一个新的网络,同时在网络上增加一些硬件设备和软件升级,形成了一 第1页信息工程大学硕士学位报告 个新的网络逻辑实体,提供端到端的、广域的无线连接。面向用户提供移动分组的IP或 者X.25连接,更适合于因特网浏览。包括从移动网络下载量比较大的数据的所有形式。 GPRS被认为是ZG向3G演进的重要一步,不仅被GSM支持,同时也被北美的15一136支持。 集群通信系统,是一种高级移动调度系统,代表着通信体制之一的专用移动通信网发 展方向。系统所具有的可用信道可为系统的全体用户共用,具有自动选择信道功能,它是 共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。 CDMA移动通信系统是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成, 含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作,因此它具有抗干扰性好,抗多径衰落, 保密安全性高,同频率可在多个小区内重复使用,所要求的载干比(C/I)小于1,容量和 质量之间可做权衡取舍等属性。CDMA蜂窝移动通信网的特点为:系统容量大理论上CDMA 移动网比GSM要大4一5倍。频率规划简单用户按不同的序列码区分,所以不相同CDMA载 波可在相邻的小区内使用,网络规划灵活,扩展简单;具有很强的多址能力,抗多径干扰、 窄带干扰及人为干扰的能力;同时CDMA系统还具有隐私性能和低载获概率的性能。 虽然集群通信系统和CDMA移动通信系统在频率利用率及通信质量等方面都优越于GSM 通信系统,但目前我国集群通信系统和CDMA系统的覆盖范围远小于GSM系统。据统计, 现阶段我国集群通信系统仅约有200一300万用户,且为多个独立的区域性共网,如将于 今年底完成的中国第一个具有相当规模的区域性共网商业运营共网-一上海IDEN网(集成数字增强网络)也仅拥有40个基站。我国CDMA网络虽然于今年1月8日正式启动, 但现阶段我国CDMA的覆盖范围覆盖仅达到全国31个省(市)、自治区的300多个地市,且 采取了大覆盖的策略,主要覆盖经济发达地区和重点地市。而我国GSM系统经过多年发展, 目前已十分完善是我国现阶段最大的移动通信系统。GPRS系统作为对GSM网络的一个升级, 对硬件和软件方面的要求都高于GSM系统,而对本系统而言,GSM系统已经足够满足需要。 综合以上分析,利用GSM网络实现对电力机车数据的实时传输将省去了大部分通信基站建 设、维护的大量工作和费用,降低了系统的运营和维护成本,是十分理想的选择。然而目 前国内GSM网络的建设虽然已基本完成,但就当前国内的通信网络性能来讲还有很大缺陷, 其中之一就是网络还未实现全国范围的无缝覆盖。而且本通信网相对于GSM网络而言,具 有自身的特点: (1)系统沿铁路线架设,为带状连续覆盖; (2)用户高速移动要对切换参数加以精心设置,留出较大的余量; (3)主要是数据业务且话务量小,但对系统误码率要求很高。 考虑到系统的运营和维护成本、我国当前移动通信系统网络的特点以及本系统的特 点,我们设想以GSM网络为主,自建基站为补充的电力机车数字通信网实现铁路沿线的无 缝覆盖解决方案,即在GSM覆盖区,我们通过GSM网络实现移动台和控制中心的数据传输。 在GSM覆盖区外,我们则参考GSM系统的有关协议架设自建基站,并通过基站经由铁路系 统的光纤网实现移动台和控制中心的数据传输。通过该通信网可对铁路机车运行进行综合 管理,包括数据的采集,性能的监视与分析,故障的报告与定位,从而实现对铁路系统的 最优化管理。 第2页信息工程大学硕士学位报告 第二章电力机车移动数字通信网的基本构造 鉴于当前GSM网络技术已十分成熟,当机车运行在GSM覆盖范围以内时,我们只需要 设计符合GSM网络规范的移动车载台(MS)终端,利用GSM网络将各种数据业务经过PSTN 实时的发送到控制中心;在GSM覆盖区以外,我们则建立适用于这种新型网络的基站(BS), 将接收到的数据信息通过有线网络传输至控制中心。设计系统结构如图2.1: 车载台 厂l!1.1,....月...几...r.....r-..,. 车载台 l||||||||J基站n GSM援盖区外 了了了了了了了了了了了 巨巨嚼口网络络络!!!!!!!!! PPPSTNNN 控控‘” . 中J。}}} 图2.1系统结构框图 在GSM区,我们通过购买GSM网络的SIM(用户识别)卡注册入网,将机车的数据信 息由移动台经GSM网络和PSTN(PublieSwitehedTelephoneNetwork)公共电话网络传到 控制中心。在GSM覆盖区外,我们则参考GSM系统的有关协议架设自建基站,并通过基站 经由铁路系统的光纤网实现移动台和控制中心的数据传输。 参考GSM系统的参数,初步设计本系统技术要求为: 选用频段:采用我国联通或移动公司所使用的GSM频段中的一段。GSM系统使用的 频段为上行890MHZ一gl5MHz,下行935MHZ一960MHZ,其中: 联通GSM频段:下行收91OMHZ一gl5MHZ,下行发955MHZ一960MHZ; 移动GSM频段:下行收890MHZ一909MHz,下行发:935MHZ一954MHZ 收发频率间隔:45MHz;相邻两频道间隔为ZO0kHz,每个基站工作频段包含1对频道 每8个物理信道; 调制方式:高斯最小移频键控(GMSK),高斯滤波器BT=0.3, 调制速率为270.833kbit/S 第3页信息工程大学硕士学位报告 县2.1移动台系统的设计方案 虽然GSM移动台目前已有现成成品,但现阶段的产品主要针对低速语音用户,不能完 全满足本系统的要求: .本系统传送的主要是数据业务,对系统的传输误码率入要求很高 (入二10一6一10一s),而系统移动台移动速率很高(高速机车速率可高达3O0km/h), 现有移动台设备业务信道采用的交织编码技术很难达到要求,必须选择在原技术 上加以改进从而实现; .考虑到系统的复杂性和成本,本系统GSM区外的自建基站系统与GSM系统的基站 在结构及通信的建立方面有较大差别,现有设备无法与之通信; .本系统中没有语音业务,现有设备的语音编码、人机接口等模块对于系统来说都 是不必要的,我们开发新的设备能降低系统成本。 综合以上因素,可见在现有移动台设备的基础上设计本系统专用的移动台设备十分必 要。 参考GSM移动台的原理我们初步设计本系统专用的移动台系统由射频收收、频率变换、 调制解调、信号处理、电源等组成,其构造方框图如图2.2。 翻 蔽刀王云菇比瓜蔺吓而刀。, 应井}盆协幼翔犯…辱.,去,二‘.“之盆拍阵.冬甲祠‘协。,.。一‘.J., 控粗器 姚级 草元 天坎转抉 盆甘U下交组曰JID目比形成匆官口份场.确 一---一一I 射 ~;若带娜分 图2.2移动台原理框图 移动台基带部分可分为五个子块:CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制 解调器和接口模块。 CPU处理器对整个移动台进行控制和管理,包括定时控制、数字系统控制、射频控制、 省电控制和对跳频的控制等。同时,CPU处理器完成终端所有的软件功能,即GSM通信协 议的1ayer1(物理层)、1ayer2(数据链路层)、1ayer3(网络层)、和应用层软件。 信道编码器主要完成业务信息和控制信息的信道编码、加密等,其中信道编码包括卷 第4页信息工程大学硕士学位报告 积编码、FIRE码、奇偶校验码、交织、突发脉冲格式化。数字信号处理器主要完成采用 viterbi算法的信道均衡。 调制/解调器主要完成系统所要求的高斯最小移频键控(GMSK)调制/解调方式。 接口部分包括模拟接口、辅助接口以及数字接口三个子块。 (1)模拟接口包括: 射频控制接口:产生用于射频控制的模拟量如AGC、AFC、APC等。 (2)辅助接口:电池电量、电池温度等模拟量的采集。 (3)数字接口包括: 系统接口:完成数据通信、数字音频测试(DAITEST)等功能。 SIM卡接口:用来驱动外部的SIM卡。经过特定的电平变换后,此接口可驱动3V卡、 sv卡、3/sv兼容卡。 测试接口:利用芯片的边界扫描寄存器来达到测试的目的(通常用于数字信号的测 试)。此测试可确定芯片是否完成所要求的功能、各个功能模块是否正常以及整机是否正 常工作。 EEPROM接口:主要存储用户数据和射频参数。如手机识别码(IMEI)、射频的校准参数 等。 存储器接口:ROM接口主要用来连接存储程序的存储器FLASHROM,在FLASHROM中 通常存储layerl,2,3、MM工和应用层的程序。RAM接口主要用来连接存贮暂存数据的静 态RAM(SRAM)。 夸2.2系统基站子系统设计方案 基站子系统(BSS)是在一定的无线覆盖区中与MS进行通信的系统设备,它主要负责完 成无线发送接收和无线资源管理等功能。 在GSM系统中,BSS由移动业务交换中心(MSC)控制,分为基站控制器(BSC)和基站 收发信台(BTS)两部分,其中: .BSC具有对一个或多个BTS进行控制的功能,它主要负责无线网路资源的管理、小 区配置数据管理、功率控制、定位和切换等,是个很强的业务控制点。 .BTS为无线接口设备,它完全由BSC控制,主要负责无线传输,完成无线与有线的 转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 由于本系统的系统容量小,考虑到系统的复杂性,我们初步设计自建基站系统采用单 机架结构,即收发信机架上具有与移动台进行无线通信所需的全部设备。它从无线信道 (RCG)功能块分包括:信道单元、收/发射机(R/TX)合成器、接收机(Rx)多路祸合器(MC)、 信号强度接收机(SR)、控制信道备用倒换(CCRS)、功率监视单元(PMU)等功能块,其框图 如图2.3所示。 第5页信息工程大学硕士学位报告 ~~~口口口口口口口口口口口口卜卜卜‘抓‘”””””””1111111111111111111111111111111111111XXX创创巳巳巳巳,...........‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘ttttt护MUUUVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVt’33333成成成成lllllll飞飞飞到、一lllll谷谷谷谷VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV《:NNNNN....... 「「已人人人人人人人人人人口口口口口口口 口口口口口‘侧~~~I叮了一,尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸下‘O’‘,几几几!!!!!!!!!!!口口口口飞‘J~~~!!!!!!!lllllllllllllllllllllllllll{{{口口口、、、、l竺竺卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 ~~~~~~~」」」」」口口口口口_匕二丁丁卜卜卜卜.,.+2二4vlllllll!!!!!二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二}}}}}}}}}}}}}似r粼乍乍l}}}}}}}口口口口口口口口口口口口口口口口口口口咭咭咭咭咭咭咭咭咭咭咭咭咭咭一一亡亡亡匕匕匕匕沈于于于于于于于于于于于于于于于 取取取取取取取取取取取取取XXX 月月月月下不1111111111111111111111111多多 lllllllllllllll叭一今’’路路 用用用用用用用用用用用用用用用用用 丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫C忿忿厂:::J‘‘厂厂厂厂厂厂一下‘认”””””到、一rrr踌踌l 思思思思思思思思思思思思思思思思思思思思思思思思~~~时时时时时时时时时时时时时时时时时时时时...............................vCSSSSS 图2.3无线信道(RCG)功能块框图 1、信道单元 控制信道和业务信道的信道单元是相同的。每个信道单元由一个发射机、一个接收机、 一个控制单元和一个功率放大器组成。控制单元由微处理机组成,为信道单元的智能部分, 它负责管理送向MSC的信令过程和送向MS的信令,并负责对收发信单元的控制,同时也 负责测量来自MS话音信道的质量和整个收发信单元的故障监测。 2、收/发射机(R/Tx)合成器 一个收发信机组是由多个收发信机(TRx)组成,连接同一发射天线。 3、接收机多路祸合器(MC) 接收机多路祸合器由带通滤波器、放大器和功率分配器等组成,用于把接收信号分配 给二个功率分配器。每个分配器所引入的衰耗,由多路藕合放大器的增益(前置放大器)来 补偿。 4、信号场强接收盘(SR) SR由接收机和控制单元组成。SR的任务是上行接收质量,并把测量结果送到移 动台,由移动台判断是否需要进行切换。关于切换问题,我们将在以后的章节中专门讨论。 5、功率监测单元(PMU) 第6页信息工程大学硕士学位报告 它联接在功率合成器的输出端,通过定向藕合器获取信号,测得天线馈线电缆上的 前向和反射的功率,以达到监视前向和反射功率的目的。当反射功率太高时,就会启动告 警。每个发射天线需要一个功率监测单元。 6、控制信道备用倒换单元(CCRS) CCRS由高频(RF)同轴继电器和控制逻辑电路组成。它有两种工作状态:正常和倒换。 当处于正常状态时,控制信道(CC)作为控制信道使用,而备用控制信道(CCR)作为话音信 道使用。一旦控制信道(CC)出现故障,不能工作时,它在接到MSC指令后,处于倒换状态。 此时,控制信道(CC)的输出为开路,备用控制信道(CCR)代替原控制信道起控制信道的作 用。 另外,由于基站直接与控制中心连接,本系统中的自建基站还有一个通往控制中,合的 光线中继接口,所有数据都通过该接口发送至控制中心。铁路沿线的光纤线路由于铺设时 间不同,其结构和传输特性都有很大差别,因此,本系统自建基站的设计中没有包括该部 分,现场可以根据不同的光纤采用相对应的接口中继。 考虑到整个系统结构的复杂性,我们考虑由基站实现对移动台的鉴权和加密,这部分 我们设计由软件完成。 互2.3系统各模块的设计方案 2.3.1接收机前端设计方案 接收机模块将天线端口经过收发开关后送来的射频信号变换到70.7姗z的中频并放大 到一10dBm左右。并且对整个接收通道的带内频率特性和相位特性要求较高,对带外的抑制 要强,以避免受近邻强干扰信号的影响而降低灵敏度,并影响系统的正常工作。接收机模 块主要由高放混频和中放两大部份组成。 为了满足发射信号临道抑制和杂波抑制的要求,在GMSK调制器的后端,引入了带通滤 波器,发射信号是由调制信号和频率信号经过锁相环产生,以改善发射机的杂散和宽带噪 声;在接收端,高放的两端加入带通滤波器,以提高接收机的灵敏度。 高放混频部份由前端预选滤波器和低噪声放大、混频以及前置中放组成,要求预选滤 波器插入损耗小、矩形系数小、带外抑制要高,以提高系统性能,预选滤波器由直接由带 通滤波器实现;中放部份包括中频放大器,中频滤波器和快速响应AGC等。中放要求较大 的增益和动态范围以及好的带限特性。并且还必须给系统控制单元提供反映接收信号电平 强度(RSSI)的信号或数据。 模块方框图见图2.4。 第7页信息工程大学硕士学位报告 低低低低低低低低低嗓声声声r一、二/////髓髓髓泥泥矛矛尸洲‘尸尸尸放大大大r.、~/////////中放放rrr-,、一声声声声声才产、‘曰尹沪沪沪沪沪沪 rrr尸飞心.尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸 中中预滤波波波晚晚晚收收收收收收晚晚放放放放大大大放大大大喊喊喊放大大 侠侠收信号号号AGC处理理 毓毓愉出出出出 图2.4接收机模块方框图。 2.3.2频率合成器及上变频模块 频率合成器产生换频的频率跳变本振信号提供给接收单元和上变频部份。上变频部份 将中频Q犯K调制信号变换到射频工作频段送入发射机模块。 频率合成采用锁相环频率合成器。上变频部份除混频器外还包括三个频率的有关滤波 器和宽带放大器。由于大部份系统大部分电路都工作在较高频段,要考虑采用电路的分布 参数,在电路布局、电路设计上要认真考虑。在基站,采用温补晶振,而移动终端,采用 VXCO振荡器作基准晶振,终端采用VXCO基准晶振时,控制电压由解调模块提供,频率合成 器及上变频模块方框图见图2.5。 第8页信息工程大学硕士学位报告 去接收机 带带带带带带带通通通宽带带带带通通通滤波波波放大大 滤滤波波波波波波 高高通通 滤滤波波 鉴鉴鉴鉴鉴鉴相相相f币恿恿恿VCOOOOO缓冲冲基基准准准准准准准准准放大大 晶晶振振振振振振振振振振振振振振振振振 频频频频频频频频频频频率控控 )))))制制 分分分分分分分分分分分频器器 图2.5频率源和上变频电路方框图 2.3.3基站功率放大器 如果发射机的功放线性很差,就会造成传输的误码率较差,直接影响系统的通信质量, 造成系统功率资源浪费。既兼顾发射机的线性,也考虑设备耗电限制,采取A类、AB类功 放相结合技术。驱动级输入端增加了一个带通滤波器,以滤除前置电路的杂散和谐波,使 驱动级输出信号线性得到改善。 前置预放级、驱动放大级因放大的功率较小,消耗的电能与末级功放相比相差较大。 采用线性功放技术对改善整机线性较好,末级功放采取AB类功放技术,既兼顾效率,又 具有较好的线性。此类功放效率可达到45%左右。综合前两级效率,发射机功放效率可达 35%以上。 为了保证发射机安全稳定工作,必须对有损害发射机安全的使用情况进行保护。通常 这类情况为功放负载失配,功放过载,散热器温度过高造成。功放负载失配采用驻波比检 测保护来实现。功放过载一般采用过载检测,通过功率自动环路反馈、降功率保护来实现。 散热器温度过高通过检测散热器温度,对应不同温度采取降功率,关闭发射机来保护。 发射机组成方框图如图2.6,激励信号输入控制和保护单元,经过固定衰减器及可变衰 减器,按要求的功率等级衰减为需要的功率等级后加到前置和驱动单元,经放大滤波后送 到末级功放及滤波器单元,进一步放大到要求的功率等级,滤除谐波后,经过天线开关送天 线发射。检测部分检波输出的正向峰值功率、反向功率、散热器温度,将检测到的信号作 为控制保护单元的控制信号经判断后进行发射机保护。 第9页信息工程大学硕士学位报告 激励 控控制及保保保前置及驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱护护单元元元动单元元元末级功放及及及及及及及天线线··········滤波器单元元元检测测测开关关 部部部部部部部部部部分分分分分分了 图2.6大功率放大器方框图 系统基站天线暴露在外极容易受到损坏,天线损坏,射频功率放大器功率发射不出去, 从而导致功放烧毁,必须对天线状态随时检测。由发射机的输出端检测采样电路采得的正 向功率电平采样值VF、反向功率电平采样值VR,经处理后加到天线电压驻波比保护电路。 天线电压驻波比保护电路采用运算放大器作比较器,设定在驻波比为3时为驻波比保护门 限值,比较器翻转,输出控制电平去前置级、驱动级保护,关闭前两级电源,从而切断发 射机的输出,保护发射机。同时输出故障信号去中央控制单元,并关断激励信号输出。 根据公式:VSWR=(VF+V:)/(VF一VR) 可得出:当VSWR二3时,V;=2VR 调节电位器即可设定此比值,当VSWR之3时,控制保护单元输出故障信号去中央控制单 元和前置级、驱动级,并关断输出功率。 2.3.4控制终端 系统控制终端主要由单片微处理(CPU)、存储器、相关接口及处理电路组成。另外, 本模块还包括系统定时单元和数据接口单元。 系统控制模块的功能主要是控制和协调设备各部分工作,包括系统初始化、系统同步、 频率控制、功率控制、故障检测和指示、故障传送管理控制等。系统控制模块方框图见图 2 . 7。 CCCPUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUU 长长长长 、、、“““ 广广‘」」‘‘月月月月月月月月 [[[[[[[[[[[[[[[ {{{{{{{{{{{lll一一口口口 kkkkkkkkk厂尸尸尸口口口、、、、 〔,—气气气气.,~ 存存存存存存存存存存存存储储储储储储储储控控中中中制制 器器器器断断断接接 接接接接接接口口 口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 数据总线 地址总线 控制总线 图2.7微控制器方框图 数据接口单元主要功能是在CPU单元控制下完成与网络协议及接口模块的数据交换, 包括接收、发送、内部缓存、插入时钟同步头等功能,主要由缓存存储器和数据接口电路 组成。数据接口方框图见图2.8。 第10页信息工程大学硕士学位报告 数数据写入/// ... 读出接口口心一一一一卜叫一一一卜一一一卜阅一一缓缓冲存储器器 存存储器控制制 数据输入/输出 接口 图2.8数据接口方框图 夸2.4信号流程传输过程 2.4.1发通道信号传输过程 终端或用户的数据信号经适配的数据接口接入系统传输设备,设备的网络协议及接口 模块对传送的信号进行传输层的协议处理,处理后的信号送入系统控制与数据接口进行网 络链路层的协议处理加入同步信号,再送入纠错单元进行卷积编码和CRC编码处理,纠错 编码处理后的信号进入调制模块,调制器完成GSMK调制并产生带调制的中频信号。中频 信号经过带通滤波后经上变频处理变换成射频信号,射频信号经功率放大器放大后经过带 通滤波抑制旁瓣,经天线开关进入天线发射。其传输信号流程如图2.9。 图2.9发射通道数据处理流程图 2.4.2接收通道信号传输过程 接收信号从天线经天线开关进入接收模块,在接收模块中射频信号先经前端滤波器组 滤波,再经低噪声放大器放大后再滤波进入下变频单元,中频信号经带通滤波和中频放大 器放大到适宜于解调处理的幅度大小,经过AD变换后进行GMSK解调,同时快速恢复时钟 信号和提取各种同步信号,解调得到的数据信号、时钟信号和同步信号送入纠错解码单元 和其它相关单元,纠错解码单元对信号进行Viterbi译码和CRC解码处理,纠错处理后的 信息送入网络协议和接口模块,后经适配接口送入终端或基站控制器。其传输信号流程如 图2.10。 第11页信息工程大学硕士学位报告 滤波及LNA混频滤波及宽带中放 纠纠错解码码码信息解调、时钟恢复、同步提取取取解调调 网络协议接口用户终端或基站控伟l接口 图2.10接收通道数据处理流程图 2.4.3控制信号传送 发控制信号由控制终端出,先送系统控制模块,由系统控制模块产生开发射机、频率 转换控制等时序信号送相关模块或单元。 频率信息、频率转换控制信号控制终端模块发出,送入系统控制模块,由系统控制模 块产生直接频率变换控制信号。 分档发射功率控制控制信号由控制终端模块和系统控制模块共同产生,由系统控制 模块控制发射机;自动功率控制的控制信号由网络协议及接口模块和系统控制共同产生, 由系统控制模块控制发射机。 怪2.5电磁兼容技术 作为公共的无线传输系统,传输设备为了适应高速移动通信环境下复杂的电磁环境, 对工作环境电磁兼容等方面的要求也都比较高。 设备电磁兼容性是设备在安全限度内使用的电子设备或系统,在预定的工作环境中, 其指标或性能满足要求,不因干扰而降低性能。电磁兼容性研究涉及面很广,包括对各类 可能产生电磁干扰的干扰源特性的研究,对可能受到电磁干扰的设备或系统特性的研究, 对从干扰源到设备或系统接收机的祸合途径的研究,对由于干扰而引起设备或系统性能恶 化程度的研究,以及对如控制这些干扰的影响到可以允许的限度的技术研究。 系统设计过程中,为了保证系统内部的电磁兼容,在电源设计、电路设计和布局、数 字信号接口的处理、结构的电磁屏蔽各个方面都需要特别的注意。 2.5.1电源的处理 机内的电源是系统电磁兼容的重要一环,为了保证设备的电磁兼容指标,有必要在以 下方面采取措施: A、模拟信号和数字信号的电源分开,地线独立布局,最后在信号汇接处单点接地; B、数字芯片的每个电源引脚就近加去藕电容,特别是对于ROM、RAM、CPU、FPGA更 加重要; C、电源本身走线合理,大面积接地的地方采用丝网地布局,以改善系统的分布参数; 第12页信息工程大学硕士学位报告 2.5.2电路设计和布局 A、在电路布局上,需要考虑的重点是模数信号的隔离,数字信号和模拟信号对接, 是引起干扰的重要来源,因此,在电路设计过程中,需要加入滤波处理。对于工作频率大 于25MHz的数字信号板或模数混合信号板,有必要采用多层印制电路板,以实现信号的隔 离;对于sookbPs以下的接口信号,通常的方法是在信号接口之间串入10k电阻,再用10opf 电容接地。 B、高频电路必须有相应的结构屏蔽措施,在信号频率大于SOOMHZ时,信号最好采用 铜管连接; C、高频电路的走线不能回馈,即信号的输出端不能靠近输入端,否则容易引起信号 的串绕和自激; D、电路中的时钟源尽量少,需要时最好采用系统分频产生的时针信号,少采用晶体 震荡器(包括控制电路在内),以免产生干扰,在系统不能提供时钟的情况下,时钟源及 低次谐波不能落在射频信道内。 夸2.6系统有关参数的确定 由于移动台除了自建基站外还与GSM系统基站通信,所以系统部分参数必须与GSM网 络一致。 A、中频 传输信道的中频,涉及系统的重要参数,包括中频滤波器的技术参数,频率合成器的 技术参数,频谱搬移电路的设计、调制解调器的输入输出频率等,是传输信道设计的重要 一环。 在考虑中频时,需要优先考虑的是三阶互调和谐波抑制,再其次必须考虑系统实现的 简化,收发需要采用统一中频,因此,参考Motorola手机cd928/938的中频,一阶中频 采用215MHz(采用215MHz的中频,考虑了它的谐波信号不会落在射频信号的带内),二 中频用70.7MHZ,这时,基站和移动台的一本振分别为720一745MHZ,675一700MHz,二 本振为144.3MHZ。 B、邻道抑制 邻道抑制是基站发射机的重要指标之一,参考国家无线寻呼的相关标准以及CCIR关 于发射信号邻道抑制的要求,在IOOW发射功率时要求的邻道抑制是一7OdB,但考虑到本系 统在GSM区外组网时发射功率只有10W,因此,最低限的邻道抑制只需要一60dB,而为了系 统有足够的余量,并保证有足够的邻道抑制,初步确定该指标为一65dB。(泛欧数字集群 TETRA的邻道抑制标准为一60dB)。 C、调制方式 系统主要应用于无线传输环境,采用GsM系统所用BT=0.3、调制速率为270.833kbit /S的高斯最小移频键控调制方式。这种调制方式具有包络恒定、相对较窄的带宽、可进 行相干解调且满足移动通信中对带外辐射小的要求。对于用户设备(终端)的移动速度有 第13页—一一一一一一一一堕鱼继达全巫丝渔些竺 一一定的要求,调制模块对终端送来的数据信号成型后送去调制芯片进行调制,解调模块主要从接收数据中快速提取同步信号并和数据一起送基带纠错和系统控制模块处理。对于输出的数据和时钟还要根据要求进行处理,在规定的时间间隙内输出规定的数据位数。调制解调模块包括数字下变频、数字解调、同步识别电路、包括同步头信号的处理电路和数据位同步时钟提取电路等。D、射频有关参数的确定本系统自建基站采用2付定向天线,天线的主瓣方向沿铁路方向。参考原邮电部颁布的((9OOMHzTDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网技术体制》要求,无论采用哪种复用 方式,基本原则是考虑不同的传播条件,不同的复用方式及多个干扰等因素后,必须满 足干扰保护比的要求,即: .同频道干扰保护比:C/I(载波/干扰))9+3二+1ZdB .邻频道干扰保护比:C/I(载波/干扰))一9一3二一12dB .载波偏离100KHz时的干扰保护比: .C/I(载波/干扰))一40一3=一43dB 在实际实现中由于环境的影响对上面的C/I另加3dB余量。 根据以上规定,我们可以通过系统的要求和建立目前常用于移动通信系统结构的模 型来分析系系统的传输能力,从而确定有关参数。 夸2.7本章小结 本章介绍了整个电力机车移动数字网的基本构造,详细说明了系统移动台和基站 的设计方案,并给出了部分参数,提出了设计过程中应注意的一些问题。 由于本系统是基于GSM网络的,移动台和基站都是参考GSM系统中移动台结构设 计的,系统数据传输接口及协议采用国际电信有关GSM的标准接口协议,相关部分都可 以采用GSM系统现有的方法实现。下面章节里主要讨论电力机车移动数字网在GSM覆盖 区外与GSM区技术的主要差别之处,即自建基站区越区切换方式和编码技术方面的特点 和实现方法。 第14页信息工程大学硕士学位报告 第三章电力机车移动数字网切换概述 切换,是当用户在基站小区的覆盖区域中移动时,为了保证一定的通信质量,将正在 进行的呼叫从一个基站小区转移到另一个基站小区的过程,即对正在进行的通话业务所占 用的信道(包括通信频率、占用时隙、使用的扩频码或它们的组合)自动的进行转换的过 程。切换的失败,即越区切换的呼叫未能获得空闲信道,将导致通话业务的突然中断。切 换是直接影响移动通信系统的服务质量的一项关键技术。 如图3.1所示,本系统中的切换可分为以下三种: (1)GSM覆盖区内的切换; (2)GSM覆盖区与自建基站间的切换; (3)自建基站间的切换。 电力机车移动数字通信网数据传输接口及协议采用的是GSM系统的标准接口协议,已 十分成熟。因此,系统中的切换问题是影响本系统性能的关键问题之一。适当的切换和切 换算法,对本系统具有非常重大的意义。 本章分别讨论三种情况下的切换方法。 夸3.1GSM覆盖区内的切换 在GSM覆盖区内,移动台是通过注册入GSM网络实现与控制中心的数据传输的,因此 必须采用GSM网络的切换方法,即移动台辅助切换(MAHO)。在这种方案中,移动台和网 络都对无线链路(上行链路和下行链路)参数进行测量。移动台对不同基站下行链路RSSI 的测量周期的向网络报告,网络根据上行链路和下行链路的测量结果进行切换判决。测量 应足够频繁以便当需要切换时可以快速反应。MAHO既允许小区间切换,也允许小区内切换。 对GSM而言,完成一次切换所需要的时间大约为1秒钟。 切换的测量过程: (1)MS侧的测量 MS测量当前小区下行链路接收信号的电平和质量,根据小区广播系统信息中的邻区描 述来测量邻区BCCH上的接收电平,并在每个SACCH复帧间隔时间(48OmS)内,形成向BTS汇 报的测量报告。其内容包括: · 下行链路的接收质量(RXQUL_DL),即原始误码率。 · 当前信道上下行链路的接收电平(RxLEV_DL)。 · 邻区下行链路的接收电平(RXLEV_NCELL(n))。 (2)BSS侧的测量 BSS测量当前小区上行链路的信号电平和信号质量、MS与BTS之间的距离、空闲信道 上的干扰电平和信号质量。 · 上行链路的接收电平(RXLEV_UL)。 · 上行链路的接收质量(RXQUL_UL)。·未指配时隙的干扰电平。 · MS与BTS之间的距离(TA)。 图3.2所示为移动台在GSM覆盖区时的一种典型的MSC之间切换的基本流程。 第巧页信息工程大学硕士学位报告 移移动台开机机 MMMS运行于GSM覆盖区区 切切切切切切切切切切切切切切切换到邻邻 切切换换换近小区区 切切换计数数 器器加111 切切换计数器清零零 切切换到自建基站站 MMMS运行于自建建建建建建建建 基基站区区区网络初始始 化化化化化化化化化化化化化失败败 切切换换 切切换到相邻邻 自自建基站区区 图3.1电力机车移动数字网内的切换 第16页一一一一一一一一一一旦垫鱼塑醚望 ‘‘过区切换请求””“过区切换请求””转发“过区切换请求”” }}} 请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请请求“分配切换兮码”” ““切换指令.(HA)))曰曰“切换号码, 一一一一一,-~~.,~~~~..~----“““““分配切换号码”应答答“““““分配无线信道”lll口曰...-........-... ,‘‘‘‘‘分配嚣信澎澎澎 日种~~~.~~ - 一一 叫.卜.~~.,~~~.,..... ““““建立地面链路“切接指杏”(.龙))))) 一一.一-~~.门白卜卜卜卜‘‘‘‘建立地面链路证实.......闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷日冲,....月摘.侧..一 一一一一闷闷.卜.曰‘‘.,....~,~~~~.....抽....口...口口.结吏””””””””””””””””””””””””rrrrrrrrr~,r尸.口~犷犷犷.........朗一一一一监一一一-一一啼卜卜卜.........月的山匕勺不史,犷“n、、、,.月甘.匆....‘口,..、月..户, lllllll”月、}}}司睁口....一 -一一一 图3.2GSM覆盖区内的MSC之间的越区切换 切换过程说明如下: (1)移动台对邻近基站发出的信号进行无线测量, 个指标决定切换的门限值。 发信台BTS。 (2)无线测量结果经过 包括功率、距离和话音质量。这三 无线测量结果通过信令信道报告给基站子系统BSS中的基站收 BTS预处理后传送给基站控制器BSC,BSC 音质量进行计算,并与切换门限值进行比较,决定是否要进行切换, 发出切换请求。 综合功率、距离和话 如果需要再向MSCA (3)MSCI决定执行MSC之间的切换。 (4)MSCI请求在MSCZ区域内建立无线通道,然后在MSCI与MSCZ之间建立连接。 (5)MSCI向移动台发出切换命令后,移动台切换到已准备好连接通路的基站。 (6)移动台发出切换成功确认消息传送给MSCI, 从上面的过程,我们可以看出,在GSM覆盖区, 就能成功实现切换。 以释放原来的信息等资源。 只要MS符合GSM网络移动台的规范 93.2GSM覆盖区与自建基站间的切换 当机车运行到GSM网络边缘小区时,如图 GSM小区。若移动台检测到RXQUL 索自建基站并向自建基站区切换。 3.1所示,此时移动台检测不到可用的相邻 基站时,移动台自动检测GSM _DL和RXLEv_DL下降到无法保证误码率,移动台自动搜 同理,当自建基站区的移动台检测不到可用的邻近自建 网络并切换至GSM小区。具体流程如图3.3和图3.4: 第17页信息工程大学硕士学位报告 满足切换条件时MS检测 不到GSM网络可用基站 MS暂停通信并启动 自建基站区程序 S搜索到 建基站MMMS切换到自自 建建基站区区 切换计数器小 于预设次数启动GSM区程序 并搜索GSM网络 网络初始 化失败 图3.3移动台从GSM区向自建基站区切换 满满足切换条件时MS检检 测测不到可用自建基站站 MMMS暂停通信并启动动 GGGSM区程序序 MMMMMMMMMMMMMMMMMS启动自建基基 MMMS切换进入入入站区程序搜索索 GGGSM网络络络自建基站站 图3.4移动台从自建基站区向GSM区切换 对图3.3和图3.4的几点说明: (l)由于GSM系统中由MSC完成的对移动台的鉴权、信道分配等功能,在自建基站区 都由基站完成(下节中将详细说明),移动台系统除了GSM区内的通信程序外还应有一套 与自建基站建立连接的程序,当移动台移动到自建基站区是必须启动自建基站区程序。 (2)若移动台在从GSM覆盖区向自建基站区的切换过程中正在通信,在进行切换前 应将移动台向自建基站的接入请求置高优先级,以区别进入小区后移动台发起的接入请 求。 (3)当切换失败次数大于允许的次数后,网络初始化失败。此时移动台等待一预设 第18页信息工程大学硕士学位报告 时间后重新检测网络,如图3.1所示。 (4)当移动台从自建基站区向GSM覆盖区切换时,移动台的切换请求和GSM覆盖区 内的发起呼叫请求被同等对待。 夸3.3自建基站间的切换 从图3.1中可以看出,GSM区内的切换是通过移动交换中心(MSC)将越区切换的请求 通知给新的基站从而实现的。在GSM覆盖区外,考虑到基站与控制中心的结构和系统的复 杂性,我们希望控制中心不要参与切换。经比较和仿真,本系统在GSM覆盖区外采用网络 辅助切换(NAHO)。在这种方案中,移动台和基站分别对无线链路(下行链路和上行链路) 参数进行测量。根据此测量结果,移动台判决切换的执行及切换时最好的候选基站。 NAHO方式的主要优点是不需要MSC的参与,简化了基站和控制中心的结构,同时减小 了切换时延,可以进行快速的切换,在两个不同基站之间需要切换时初始化简单,增加了 切换的可靠性,在设计终端时也有更多的灵活性。其代价是增加了移动台的复杂性和当前 无线链路的信令负载。具体切换流程如图3.5。 根据NAHO方式的特点,任何一个切换到自建基站区的切换请求都是重新建立连接的 过程,相对于基站来说切换请求和呼叫请求没有差别。为了与进入基站去后发起的呼叫请 求相区别,我们必须在切换时对切换请求设高的优先级。 对于目的基站来说,从GSM区内到达的切换和从其他自建基站到达的切换请求相同。 因此,从GSM区内到自建基站区的切换请求,我们采用自建基站区的切换算法处理。 开开始始 检检测各基站的通信质量量 收收到当前基站的测量报告告 继继续在当前信道道 上上通信信 进进行切换换 图3.5自建基站区切换流程 第19页一信息工程大学硕士学位报告 _ ___ 芬3.4自建基站间的切换过程 整个切换程序可以分为三个阶段:测量、决策和执行阶段,如下图所示。在切换测量 阶段,由移动台完成对下行链路的测量,包括信号质量、本小区和相邻小区的信号强度。 在上行链路,基站测量信号质量。测量结果发送给移动台。在切换决策阶段,有时也称作 评估阶段,将测量结果与预先定义的门限进行比较,或根据其它的切换判决准则,决定是 否应当启动切换。在执行阶段,移动台进入切换状态,根据切换算法和信道分配算法,由 移动台和基站共同完成切换功能。如图3.6所示: 信号弓引变及质量的测量 是否满足切换准则具具体的切换算法法执行阶段 图3.6切换三个阶段 3.4.1无线信道的测量 在移动环境中由于信号的多径传播,信号强度的变化很大。随着移动台的移动,它接 收的信号强度发生变化,主要有三个因素影响信号强度的变化: (1)移动台与小区基站的距离; (2)慢衰落一阴影或对数正态衰落; (3)快衰落一瑞利衰落。 阴影效应是由于不同的散播和地形变化而引起的。阴影衰落可看成均值为零的高斯过 程,自相关函数为指数衰减。与阴影衰落相比,瑞利衰落有非常短的相关距离,一般认为 在对信号进行平均时可以把它消除掉,因此可以忽略其产生的影响。 从网络的观点来看,越区切换需求的发现和对它的及时处理是一个竞争性任务。考虑 小区中地理和环境因素及介于移动台和基站之间的通信信道上可能会发生瞬间衰落,一方 面需要在得出移动台实际离开基站多远这个结论之前,应对这些信道上的功率电平的衰减 观察监测一段时间;另一方面,如果有一个实际的越区切换请求,它必须尽可能快的做出 反应以使此呼叫被中断的概率最小。为了及时发现越区切换的请求,移动台需要测量它正 在使用的信道和相邻小区的广播信道。 新的基站,可以接受、阻塞或排队此越区切换请求。它通知移动台考虑此切换请求的 状态。根据此新的基站的反应,移动台可允许、延时或放弃次越区切换请求。 第20页信息工程大学硕士学位报告 3.4.2切换判决准则 通常,判定某个移动台是否需要发起切换请求的依据主要为接收信号强度指示 (Rssl),载干比(C/I),以及数字系统中的误码率(BER)。在实际的应用中,可以选取 其中的一种或几种作为参数。 图3.7中,描绘了以接收信号强度指示为依据的切换发起方案。其中,T表示某一门 限,h表示迟滞电平(HysteresiS)。切换发起的方案有以下几种: 接信收号强度TITZT3 图3.7以接收信号强度指示为依据的切换发起方案 (1)相对信号强度 切换判决基于从基站接收到的信号平均值。移动台连续监测各个小区基站的信号强 度,当某个相邻小区基站(基站B)的信号强度超过当前服务小区基站(基站A)的信号 强度时,发起由基站A向基站B的切换请求(图中时刻A)。此方式的缺点是,当目前服务 小区基站的信号强度足以满足正常的通信要求时,这种方案将导致过多的不必要的切换。 (2)相对信号强度+门限 移动台连续监测各个小区基站的信号强度,当某个相邻小区基站(基站B)的信号强 度超过当前服务小区基站(基站A)的信号强度,并且当前小区基站的信号强度低于某一 门限值时,发起由基站A向基站B的切换请求。在此方式中,需要恰当的选择门限的大小。 切换发起的时刻取决于门限与两基站信号等强度点(图中T点)的比值:当门限高于二时岁J扒认耀目J曰“州狱1/\J’“尸认一r勺坐川’目刁寸塌汉品、国”’兀局2“”卜。以‘习’“尸民同“兀““ (图中护,切换发起时刻仍为A,当门限略低于兀时(图中兀),切换将被延迟至时刻B; 当门限降低到兀时,切换将被延迟至时刻D,造成过大的时延,这将降低通信链路的质量 并可能导致呼叫中断。 (3)相对信号强度+迟滞电平 移动台连续监测各个小区基站的信号强度,当某个相邻小区基站(基站B)的信号强 度超过当前服务小区基站(基站A)的信号强度达到h时,发起由基站A向基站B的切换 请求(图中时刻C)。这种方式能够有效的避免由于信号起伏而造成的“乒乓效应”,但是 同时也会引入切换时延。 第21页信息工程大学硕士学位报告 (4)相对信号强度+迟滞电平十门限 超过当前服务小区基站(基站A)的信号强度达到h,并且当前小区基站的信号强度 低于某一门限值时,发起由基站A向基站B的切换请求。当门限设在不或爪,切换发起时 刻为C;当门限降低到兀时,切换将被延迟至时刻D。此方式是上述两种方案的综合,不 但有效的防止了“乒乓效应”,而且,当服务基站的信号强度能够提供所需的质量要求时, 它可以进一步降低不必要的切换次数。 总之,切换判决的准则基本上都基于信号平均窗口的大小、门限电平、迟滞电平和移 动台的速度。在判决过程中,一般将由慢衰落和快衰落引起的波动看成噪声,需要在信号 平均窗口内进行平滑。对信号平均窗口的大小的选取,即信号强度测量的平均时间间隔, 要进行折中:如果时间间隔太短,就不能有效的消除衰落波动;如果时间间隔太长,则会 增加切换的时延。根据无线环境和移动台的速度变化,此平均窗口的大小可以变化。 平均切换数次 。.500.75第一次切换的位置 图3.8切换次数和切换时延的关系曲线 另外,固定平均间隔,也可得到预期切换次数与时延的折衷。图3.8中,y轴表示当 用户在两个基站之间移动时平均的切换次数,x轴表示第一次切换发生的地点,距离两个 基站的远近。图中0.50表示位于两个基站连线的中点,0.75表示到源基站的距离是全程 的3/4。对于某一迟滞电平h和门限电平T,移动台处于A点。A点到x=0.50的水平距离 就是切换的时延。从图中可以看出,随着迟滞电平的增加或门限电平的减小,平均切换次 数会降低而切换时延会增加,当迟滞电平较小时,门限电平对预期切换次数的影响很大。 这取决于门限和迟滞电平哪一个条件先满足。迟滞电平可用来在切换次数和时延中取得折 中;这种关系可以用一条曲线表示,而在曲线上的位置由门限决定。 移动台的移动速度对于平均时间间隔以及接收信号抽样时间的选取也有影响。可以通 过电平交叉率、零点交叉率和协方差等方法估计移动台的速度,也可以用根据信号包络的 均方波动估计最大多普勒频移的方法来估计移动台的移动速度,从而自适应的调整平均时 间间隔。 3.4.3切换的性能参数 用于评估切换算法的性能参数如下: 呼叫阻塞概率:小区内新呼叫被阻塞的概率。 切换阻塞概率:切换请求被阻塞的概率。 切换概率:与某一特定小区通信时,一个正在进行的呼叫在通信结束之前需要 切换的概率,可用每个呼叫的平均切换次数来衡量。 第22 · 页信息工程大学硕士学位报告 呼叫丢失率:由于切换失败而使呼叫中断的概率,可由切换阻塞概率和切换概 率导出。 不必要切换的概率:当物理链路的通信质量仍然可靠时,由某一切换算法发起 切换的概率。 切换速率:单位时间内切换的次数,它和平均呼叫时持续间一起决定了每一呼 叫的平均切换次数,从而得出切换概率。 中断持续时间:切换过程中移动台与两个基站都未保持联系的时间长度,这一 参数依赖于特定的网络拓扑结构和切换范围。 切换时延:切换实际发生的时刻相对于理想发生时刻的延迟。 理想的切换算法应该保证以上参数均为最小。然而,在实际的系统中,这些参数都是 彼此关联、相互制约的,不可能同时达到最小。因此,只能选取折中点来设计次最佳的切 换方案。第四章中我们将讨论具体的算法。 第23页信息工程大学硕士学位报告 第四章自建基站区越区切换算法的研究 县4.1各种切换算法的研究 切换一般发生在移动台从当前小区基站和目标小区基站接收的功率电平之比介于切 换门限和接收机门限之间时,如图4.1所示: 当前小区 和目标小 区接收功 率之比 l l. 红本育议 图4.1切换时功率电平比示意图 切换门限值一般设置在,当移动台从目标基站接收到的功率值比从当前基站接收到的 功率值在一段时间内要大一定数量之处。而接收机门限值一般设置在,移动台从当前基站 接收到的可接受的最小功率电平之处。在此处,既然当前基站已不能满足通信的质量要求, 那么呼叫很有可能被迫中断,除非它能成功的切换到目标基站中的一个空闲信道上。从上 图可以看出,当前小区和目标小区在空间上存在交叠部分,而切换门限和接收机门限在时 间上也有一定的间隔。交叠区域即为切换区域,两个门限时隔便是移动台可以在切换区域 中停留的最大时间。在切换区域中,移动台可以与当前小区保持己经建立的链路,也可以 与目标小区建立新的链路,由于允许一定的时延后再进行切换,这就为排队方法提供了可 能。当移动台到达切换区域边缘时,发起切换请求,如果目标基站无空闲信道可以分配, 此切换请求进入队列,等目标基站有空闲信道时再按照一定的规则,从队列中取出切换请 求并为之服务。如果切换请求进入队列后在到达接收机门限时仍没有空闲信道可用,就必 须从队列中清除出去,呼叫被迫中断。切换区域使切换请求排队成为可能,也给队列长度 加了限制。最长的排队时间由切换门限和接收机门限的间隔决定,最大允许的排队规模, 即队长的确定,需要了解系统的业务类型,最主要的因素是切换请求的数量。要成功的为 切换服务,就必须在切换请求可以容忍的时延内为其提供空闲信道。 第24页信息工程大学硕士学位报告 4.1.1业务模型 为了分析切换算法的性能,首先要建立蜂窝小区的业务模型,需要对下列参数做一些 假设: 新呼叫到达速率军一般假定到达蜂窝的新呼叫是泊松过程, 切换呼叫到达速率人,:一般假定从邻近蜂窝到达的切换呼口“是泊松过程,当系统中的 业务量是均匀分布时,它与从蜂窝切换出去的呼叫的速率刃相等,一般用;表示; 了场口了场 蜂窝驻留时间,:移动台在蜂窝覆盖区域内逗留的时间,它是具有均值为1/”的一般 ‘m二l‘I 概率分布函数二的随机变量,通常假设为指数分布,其概率密度函数为厂f,、___一,; J用J阴妙m,一,I‘ 呼叫保持时间t。:没有被迫中断时呼叫所持续的总时间,通常也假设t。为指数分布, 概率密度函数为关(t。)=娜一”; 信道占用时间tc。:如果给移动台分配一个信道,通常在两种情况下释放此信道,呼叫 在蜂窝内完成或将呼叫切换到邻近蜂窝。在这种情况下,信道占用时间等于呼叫保持时间 和蜂窝驻留时f司中较小的一个:,。口一min分‘。}。 所以,我们有:玫。、t1·1一珊二>才知do。>t)] 假设呼叫持续时间和蜂窝逗留时间相互独立,可得到尸[tc口、,卜1一e一(“‘“)t 所以,信道占用时间tc口的概率密度函数fc。(t)一伽+。升一恤“)t 假设移动台在呼叫保持时间心期间经过K个蜂窝边界,即K是呼叫完成前所发生的切 换次数。将此呼叫称为K次切换呼叫,以此来导出概率只区=习。假设两次连续的呼叫间 隔与呼叫保持时间相比足够大,即移动台正在进行通话时没有新呼叫到达。假设呼叫到达 时移动台处于蜂窝R。,呼叫过程电移动台经过了其它K个蜂窝,且移动台在时间段场里 处于第j个蜂窝(0尔K)o气是呼叫发起蜂窝的蜂窝驻留时间,编是独立同分布随机变 量分布函数为凡(tw),概率密度函数为几(tw),均值为l/。。设气(t)是的概率密度函 数,根据泊松过程的随机观察特性: 第25页信息工程大学硕士学位报告 rJt)一。皿,以;卜·。[l一凡,(t)] K次切换呼叫的概率为: 只[K二、]·只卜二+,、:++*_.<,。、+,、.+、+,*,、} 对于K之1, :、·、卜C。嵘。C。蔚冻。、(t。)fJtl,、(t&网*,dtldto (4一1) (4一2) · 〔￡二。e一;(t。知。}l。一、令‘孙‘{[‘一￡二。一;令无”!介}(4一3)r旅.扫n问 从公式(4一l)可得到: C。e一、(t0kt0一C。e一。[l一眺)kt0一子卜一C。e一“。“(t0叫(4一4) 分布函数凡(t)的Lapzace一stieztjes变换为: f:(、)一芡。e一呱(t孙 从公式(4一3)到(4一5)可以得到: (4一5) 只区一门一务卜一加)]z陈时一’ 对于k=0, 对于k之1(4一6) “区·01·“[t1 (4一8) (l一尹- 第26页信息工程大学硕士学位报告 k次切换呼叫J的期望值为, k=o时,E口}K一01二0, k=l时,E口}K二l]一1 k>2时, E沙}K=习 一十2P,仁一)+3P厂(l一卜+仓一1卜,仁一尹一,+彻,0一汾一, 1一仁一:厂少 Pf (4一9) 设p。是新呼叫的阻塞概率,呼叫结束(正常结束或强迫中断)前切换次数的期望值是 (l一p口卜冈,从公式(4一6)到(4一9)可得出: E口}一艺E沙}K一k卜区·习·艺卜份止I分一几伽”’阮。‘’‘一’ 。卜一f:(刘(4一10) 假设移动通信网络中的蜂窝都是相同的,设凡是发起呼叫到达速率,则切换请求到达 速率为: 人一(l一p口沁[Jk-自自~呱呱1了*(((厂、、二二尸。。l,l卜一j二气声声名廿廿(4一11) 如果凡(t)是指数分布,则有, 几(川=叮刀+刀 。_叮(l一p。)。 气= —几(4一12)尸+珊f设P。为呼叫正常结束的概率, 第27页信息工程大学硕士学位报告 p:一(l一,。疙(1一:,卜区一司 k=0 一。一攻1一〔韵卜一几伽,·t(l一梦:韵卜一几(·‘汰(·‘一’} _、 {1(。、=、1一P口为i一}一} L、产/ p了卜一点伽)] 卜仁一p了仄伽)}(4一13) 设几。为由于阻塞或强迫中断而未完成的呼叫的概率,有Pn:=1一p。。如果凡(t)是指 数分布,那么, P。。= 1一三二玉- 1+里上(4一14) 如果。>>。,呼叫总会在切换之前完成,且咖,)/刀=0。因此,n。一p。。如果。>>, 呼叫永远不会结束,最终被阻塞,且伽厂分、。co。因此,Pn。一‘。 4.1.2对各种切换方案的分析 A、非优先级方案(Non一PrioritizedSeheme,NPS) 此方案是将切换请求与新发起的呼叫请求同等对待,二者处于相同的级别考虑。这是 最原始的方案。 此方案中,pf二p。。由于指数分布的无记忆特性,切换呼叫的呼叫保持时间和发起呼 叫有相同的分布。信道占用时间是呼叫保持时间和蜂窝驻留时间的最小值。所以信道占用 时间tc。的概率密度函数关口(t)为: fc口(t)一C,fc(t。)fm(tVt。+〔=,fc(t)fm(t,知。·沁咖一恤n)t(4一15) 此方案可用有c+1个状态的Markov过程模拟,c是蜂窝可用信道数目。图4,2为其状 态转移图: 第28页信息工程大学硕士学位报告 凡+成凡+成x.o+人凡+人凡+人 伍+粉)2(刀+:) 图4.2 3(户+粉) NPS方案Markov过程状态转移图 新产生的呼叫和切换请求可以使用所有C个信道,只要它们是空闲的。对于。‘j、。, 下一个到达的呼叫可以占用下一个空闲的信道。设马是稳态下j个信道忙的概率,对于 。、j:。,从状态:行)到,行+l)的速率为凡+凡,而从状态:(j’+l)到:(,’)的速率为 了、二IY二确。假设信道占用时间为指数分布,则稳态概率了。‘。丫,使用归一化切+1加十川“‘认认’曰~曰”‘”“’一“/‘“目~/‘”‘”、‘’.’,口’”’__认十人厂_”~’‘2月 j!L刀十粉f 公式p。+P,十,+P。一1’可得: 认+凡丫(4一16) 。.=-立业竺上一 心(凡+凡了 山下丁下二亏~i一ot二气尸十11) 当j=c时,将新呼叫阻塞,所以有: 刀刀+叮}}}(4一17) 在非优先级的切换方案中,pf=p。,公式(4~12)可以写成: 人二丝二乙丛 声十,淞,_(4一18) 给定人一个初值,重复代入公式(4一17)和(4一18),直到人收敛,可得到概率p。。 B、信道预留方案(Guard.ChannelSCheme,GCS) 信道预留的概念最先是80年代中期提出来的,该方案与NPS方案类似。它是每个小 第29页信息工程大学硕士学位报告 区为越区切换预留一部分信道以提高越区切换的成功率。剩余信道可被越区切换请求和发 起呼叫请求共同分享。 这种方法带来的缺点是减少了系统总的话务量,因为新的呼叫允许可用的信道数量减 少了,正是新的呼叫而不是正在服务的呼叫增加了系统的话务量。此缺点可通过排队新的 呼叫来得到补偿。这后一种方法更为可行,因为新的呼叫对时延的敏感性比起切换的呼叫 来说要差一些。 采用信道预留的另一缺点是频率利用率更低,特别是在固定信道分配方式(FCA)下, 认真估计信道的占用时间分布将是十分必要的,这样才能确定优化的信道预留的数量以提 高其利用率。而在动态信道分配方式(DCA)下,信道预留的概念被另一种更新的思想所 代替。小区并不保留一定数目的信道,仅仅由MSC保留一部分信道的集合用作切换。 在此方式电c个信道中的某些信道只预留给切换呼叫使用,设为q个·设。一。一q。 如果有新呼叫到达,它只能使用n中的空闲信道,若没有空闲信道就将其阻塞。而切换可 以使用C中的空闲信道,若c个信道都被占用则将其阻塞。此种情况可用有。+1个状态的 Mark。‘过程模拟,但必须区分系统在占用信道小于n和大于n这两种清况。设马是稳态 下j个信道忙的概率,对于。:j<。,从状态:(’’)到:份+l)的速率为凡+人,而从状态 s(,+l)到s(,)的速率为行+1知切)o对于。:j<。,从状态s(,)到:(j’+l)的速率为布 因为新呼叫都被阻塞;而从状态:臼、l)到:(刀的速率也为(j、1知+的。图4.3为其状态 转移图: 凡+凡凡+人凡+几入 恤刁2睡功c恤+动冈恤州 图4.3GCS方案Markov过程状态转移图 假设信道占用时间为指数分布,则稳态概率 OC1‘j‘”一e 因为尤。+凡++尤。+窄=l,我们有 __ ! 1.、(、·凡,·矛 /‘0‘、上个名二丁不丁下二了一匕山 l‘一’“俨十“, (凡+凡丫弋一‘ e!伽+。)cn[c(,+。)+j伽+。 。 {(4一23)l三j三汽一e 当系统处于状态s(n)(。:。)时,新的呼叫到达后即被阻塞。所以发起呼叫的阻塞概 率为 时间 p。一艺气(4一24) 下面我们推导切换失败概率马。假设当蜂窝处于状态s(n)(”二“十j),切换呼叫C在 t到达。考虑早于C到达蜂窝的c+j个呼叫,假设在这c+j个呼叫中,第一个呼叫 在时间t+乌离开队列(完成、中止呼叫或离开蜂窝)。那么,勺的概率密度函数为: 第32页信息工程大学硕士学位报告 ‘令,)一[c(。+。)+、(:+。介一,·‘,才一,·,‘/一了了(4一25) 如果勺<丁,在时间t+勺时C看到有C个用户在通话且有j一1个切换请求排在它的前 面。现在考虑这。十j一1个呼叫(不包括砚)中第一个离开队列的呼口Ll,假设呼叫在时间 t+tj+勺一,离开队列,由于信道占用分布和最大排队时间分布的无记忆特性,tj一,的概率密 度分布函数无一,也可用公式(4一25)来表示。设兀一t。++t对于在状态s(n)(。=。+j, j之0)到达的呼叫砚,被阻塞的概率为: “卜口u一妇.u一口仁。卜。公l一一q.qod口u一盆。01口 10002000300040005000600070008000 节me(seeond) 图4.14发起呼叫阻塞率 由以上仿真结果(对比FIFO+GCS算法和我们所提出的算法)我们可以看出,对发起 呼叫进行排队可以从很大程度上降低呼叫阻塞率(F工FO+GCS算法的发起呼叫阻塞率为 0.25,建议算法为0.06),同时对切换阻塞率并无太大的影响,只是稍微有所增加 (FFIFO十GCS算法的数据切换请求阻塞率为0.05,建议算法为0.068),提高了系统的服务 质量;或者,在相同的系统阻塞率要求下,可以提高承载的业务量。 而且,我们把提出的新算法与已有算法进行了比较。在新算法中,对发起呼叫、切换 请求作了区分,对后呼叫请求进行排队,它们具有不同的优先级和不同的排队等待时间。 图4.巧、4.16是这二种呼叫请求排队优先级相同的算法(即,对发起呼叫与切换请求未 第41页信息工程大学硕士学位报告 作区分,二者排队优先级相同,只是排队时间不同,具体参数设置同上,Too=1.3*5= 6.55,几。=1.3*7=9.15)与我们的新算法的性能比较: ---E蓝性色dSC‘em之之~~~一,IOPo‘edsc.emeee 1 . 沙址咖临姻呵眺临呱恤哑Qn1咽11.0ao一,Ou一枯u一O七。卜。七卜一一q门qajdOu一乞01口 ,口ID2口刀1,吐,鱿口」口J区I了口刀口1 T如e序之co.旬 图4.巧发起呼叫阻塞率 ssseE艾七色QSC翻emeee一一泊Po‘edScl.m电电 ‘一声一一~一一、 . |l尸],J,力犯压伪小口口口O口OD11讨。门偏P卜。者l一q丙qajd卜。uo侣u毛a妇P.Zo 1口刃刁刃口J口刀月区幻沉.刀性刀口了口口J召口】】 Tlme奋.eo.由 图4.16切换请求阻塞率 我们提出的切换排队算法与已有的算法相比,切换请求阻塞率二者近似(在0.044左 右),但数据发起呼叫切换请求阻塞率有比较大的改善(己有算法的数据切换请求阻塞率 为0.094,建议算法为0.068)。即,以较小的代价换取了系统性能的提高。由此可见,发 起呼叫与切换请求对时延的要求不同,对它们分别赋予不同的优先级,可以在一定程度上 改善系统性能。 此算法将发起呼叫和切换请求在同一队列中进行排队,是考虑到蜂窝中可用信道数目 的限制。根据经验值,若仅对发起呼叫进行排队,队列长度选取小区内信道总数的10除20% 都可以获得较好的性能改善,如果队列长度再增大,对性能的影响并不明显。若再考虑的 切换的排队,可以适当的增加队列的长度。 第42页信息工程大学硕士学位报告 圣4.3总结 本章主要研究的是各种切换算法对系统性能的影响。首先分析了切换和发起呼叫由于 对时延的要求不同而在切换算法中有不同处理。与发起呼叫相比,切换业务通常具有较高 的优先级。在操作方面,可通过预留信道和对切换请求进行排队来实现。各种切换优先级 算法不尽相同,但都是旨在降低切换请求的强迫中断概率。 切换优先级算法可以降低切换阻塞率,但是如果从系统业务量的角度来说,只有发起 呼叫的接受才能表明系统实际能提供的业务量。因此,需要在减少切换阻塞概率的前提下, 尽可能的同时降低发起呼叫的阻塞概率。对发起呼叫进行排队从理论到实际都具有可行 性,对发起呼叫进行排队可以从很大程度上降低呼叫阻塞率,同时对切换阻塞率并无太大 的影响。本章对NPS、GCS、F工FO等算法做了仿真,比较它们各自的优缺点,。通过仿真, 我们可以得出以下结论: (1)对切换请求预留信道的GCS算法与NPS算法相比,可以显著降低切换请求的阻 塞率,但由于可用信道数目减少,发起呼叫的性能都受到很大影响,因此发起呼叫的阻塞 率明显上升。所以GCS算法一般不单独使用。 (2)对切换请求排队的F工F0算法降低了发起呼叫请求的阻塞率,由于它并未给切换 请求较高的优先级,所以其阻塞率有所增加。 (3)FIFO+GCS算法,可以使系统的切换请求阻塞率降低;相应的,发起呼叫阻塞率 会受到一定的影响。因为对通话的突然中断比一开始就不能接通更为不可取,所以,以呼 叫阻塞率的增加来换取切换阻塞率的降低是可行的。 (4)对比F工FO+GCS算法和我们所提出的算法可以看出,对发起呼叫进行排队可以显 著降低呼叫阻塞率,而切换阻塞率只是稍微有所增加,从而提高了系统的服务质量;或者, 在相同的系统阻塞率要求下,可以提高承载的业务量。 (5)我们提出的算法与己有的算法相比,虽然在发起呼叫阻塞率方面略有增高,但 切换请求阻塞率有很大的改善。即,以较小的代价换取了系统性能的提高。由此可见,数 据发起呼叫与数据切换请求对时延的要求不同,对它们分别赋予不同的优先级,可以在一 定程度上改善系统性能。 第43页信息工程大学硕士学位报告 第五章交织编码技术 用无线传输铁路高速机车运行控制信息时,首要考虑的问题是传输的可靠性,为了达 到规定的误码率要求,需采用多种技术措施(比如:分集技术、调制解调技术、编码技术、 扩频技术、差错控制技术、自适应均衡技术等等)来有效降低由于信号衰落、干扰等原因 造成对数据传输质量的影响。但是过多采用这些技术措施或者一味追求某一种技术来降低 误码率,必然导致占用大量有效信息位和占用大量时间,造成对传输效率的影响,即对传 输实时性的影响。目前GSM移动通信系统传数据业务时的误码率为10一‘左右,传输速率可 达9.6kbit/S,这些指标仅适用于移动体速度不高(一般多为几十公里每小时)的情况,远 不能满足传输高速机车运行控制信息需要,对于3O0km/h的高速机车问题则要严重的多。 因此在保证传输可靠性的前提下,如何通过提高传输实时性,在给定控制周期内达到传输 所需信息量己成为用无线传输铁路高速机车控制数据过程中必须解决的课题。 ,5.1无线传输高速机车控制数据特征分析 无线信道的主要特征是由于多径传播引起的快衰落时延扩展和由于移动台运动引起 的多谱勒频移,以及由于阴影效应引起的慢衰落。无线信道属于一种复杂的时变信道,具 有高噪声、高误码率特点。 高速机车在车站附近或是在山区主要是快衰落,可用衰落率对这种衰落特征进行描 述。衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。若发射频率 fc=900MHz,机车按运行速度v二300km/h沿电波传播方向行驶,接收信号的平均衰落率为: A=1.85x一0一3、vf=一85x10-3x300x900=499.5(Hz),即接收信号包络低于中值电平的衰 落次数在1秒内可达500次,在Zms内产生一次衰落,由于这种衰落引起的信号幅度变化 可达到4dB。 多谱勒效应对机车接收信号的频谱有很大影响,当信噪比SNR二17dB,载噪比CNR二3odB 时,若载波fc=900MHz,机车速度v=3ookm/h,则误码率高于10一,。误码率和信息传输 速率有关,高速传输的最大障碍在于时延扩展造成多径波干扰性(频率选择性衰落)的波形 失真。资料表明:在平均信噪比SNR二4OdB时,当传输速率vb二skb/s,误码率BER=l.ZX 10一‘;vb=16kb/s,误码率BER=2.1x10一‘;vb=64kb/S,BER=4x10一‘;vb=128kb/s, BER二5.Zx10一,;vb=256kb/s,BER二2.O5x10一2,可见传输速率越高误码率也越高。 利用无线传输列控数据时受到各种干扰、多径效应、多谱勒效应、移动体速度及数据 传输速率影响,限制了数据传输速度,造成误码率很高,研究表明这些错误呈突发分布。 上述特性决定了用无线传输电力机车控制数据时,其信息编码方式和差错控制方式: .数据信息编码必须使用短的信息结构。由于信道比特错误引起的重传概率随信息 长度而增加,如果信息太长,使得信息更容易受到干扰,发生传输错误的概率很 大,重传将造成效率的大幅度降低。采用短的信息可有效避开衰落的影响,即使 出错后进行重传,因重传的信息量少,不至于影响传输交率。 .差错控制须采用以FEC为主,ARQ为辅的方式。电力机车车速很高,造成接收信 号衰落频繁且幅度很大,衰落次数很多,使每次信息传输都很难避开突发性错误 的影响,这时的ARQ会表现为屡传屡错。 对车速为300km/h的机车,载波频率为900MHz,信号包络每Zms就衰落一次,但每 次衰落的时间很短,造成的误码一般小于7bits,故选择能纠正所有突发长主度为lbit一 一7bits的纠错码即可达到纠正突发错误的目的。如BCH(31,16),该码单位码字可检突 发错误巧个、随机错误6个,单位码字纠突发错误7个,随机错误3个,但编码效率仅 为0.52。 第44页信息工程大学硕士学位报告 目5.2采用交织技术提高数据传输实时性设想 话音传输具有一定的容错性,即在话音传输中对存在一定的误码(误码率<10一2)是可以 容忍的,它不至于使话音质量有明显的下降。所以话音转输可利用交织、跳频技术来均衡 误码分布,使信道突发错误随机化、分散化,从而有效地降低干扰,使话音质量得到明显 的改善。 数据传输则没有上述容错性。数据传输亦不会由于交织而使误码率降低,但数据传输 通过交织将突发错误随机化、分散化之后,在差错控制中可采用比交织前短的多的纠错码 达到同样的纠错效果,由此获得较高的编码效率,达到提高传输实时性的目的。 用无线传输电力机车的有关数据,为了达到规定的误码率要求,所采用的差错控制技 术,需以FEC前向纠错为主,ARQ自动请求重传为辅,这种方式只有选择较长的纠错码, 才能达到应有的纠错效果,较长的纠错码,会造成编码效率下降,直接影响传输效率。由 于纠正的是突发型错误,这种在有突发错误时和无突发错误时都用较长的纠错码,显然是 一种资源浪费,为此可利用交织技术使突发错误随机化、分散化,之后可选择较短的纠错 码,达到同样的纠错效果,相比之下它的工作效率提高了,编码效率提高了,传输的实时 性也提高了。按照前面所选能纠正突发长度为lbit—7bits的BCH(31,16)码,该编码效率仅为0.52,若将传输的信息进行交织后采用截短的(26,16)循环码,可以纠正长度为 lbit—sbits的突发错误,编码效率为0.62,这种方法使得在纠错能力不变的情况下,提高了传输效率且使实现过程变得简单化。实践中可进一步考虑选择能纠正突发长度为 lbit—3bits的循环码。在用无线传输机车运行控制信息的过程中,制约系统传输速率的瓶颈是无线传输部 分,相对于两端收、发处理器的速度无线传输要慢的多,因此减少无线信道传输的比特数, 提高编码效率,建立快速呼叫是提高实时性的有效方法。编码和解编码、交织和解交织在 两端处理器内完成占用时间很少,交织和解交织会造成很小的时延,整个传输过程只有一 个并不是每一帧时延的累计值,交织时延在话音传输中是一个要考虑的问题,但在数据传 输中并不重要。采用交织后信道编码比交织前简单,减少了编码和解编码时间,总的来看 节省的时间远远大于增加的时间。 夸5.3仿真试验构想 试验条件:每帧传输的有效信息512bit,无线传输速率为9.6kbit/s,交织方式64X 8。图5.1是用硬件实现交织过程的示意图,图中没有画出8xs个串转并芯片与CPU相 连的数据线和地址线,CPU采用DMA方式把要交织的转串芯片中锁存,输入端以1.ZkHz 推进数据,输出端以9.6kHz推出数据完成交织。由于数据移动与传输过程同时进行,交 织延时也就是CPU的送数过程,对于机器周期为100MHz的CPU,DMA送数过程时间约为 0.Zms。同样的方法用硬件实现信道编码,占用时间为几个毫秒。表5.2是几种纠错码性 能对照表。 第45页信息工程大学硕士学位报告 信信道编码码 999.6kHZZZZZ1.ZkHzzz 时时钟钟钟时钟钟 图5.1硬件实现交织过程示意图 BBBBBCH(31,16)))Kas皿i(26,16)))(27,20)循环码码(31,26)循环码码 编编码效率率0.52220.62220.74440.8444 单单位码字的纠错能力力777555333222 表5.2几种纠错码性能对照表 这部分工作由于时间和硬件条件的限制,未能完成。但根据铁道部运输自动化与通信 实验室有关的仿真数据显示,相对于能纠长突发错误的信道编码BCH(31,16),采用交织技 术后选择较短的纠错码(如(27,20)循环码),交织、解交织时延与采用BCH(31,16)时的信 道编码时间相抵消对传输影响不大,但采用交织技术后,在无线传输过程中节省了大量时 间,使得传输效率提高62.42%。 我们对传输的可靠性问题的解决思路是:移动台传送机车数据前先对数据进行交织编 码处理,通过符合GsM编码规范的信道编码通过电力机车数字移动网将数据传送到控制中 心,在控制中心再解交织还原得到机车数据。过程如图5.3,其中 外外码编码器器器器器器器器GS叫言道编块块块块交织织织织码码 信信道道 外外码解码器器器器器器器器器器GGGGGGGS训言道解码码 图5.3系统总统编码过程 从上面的分析可以看出,通过这种方法编码效率将大大提高。下一步需要的工作是对本思路进行仿真论 证,选取适当的交织长度和编码方法。 第46页信息工程大学硕士学位报告 结束语 用无线传输高速机车控制数据是现代铁路发展的方向。为了保证电力机车安全运行, 实现机车自动控制,要求机车与地面之间进行双向的、大量的信息传输。数字移动通信是 未来电力机车运行控制中实现车、地之间数据传输的发展方向。本文就电力机车移动数字 通信网的可行性进行了相关的分析和研究。报告所做的主要工作包括以下几个方面: (1)提出了电力机车移动数字通信网的组网方法; (2)探讨了自建基站和车载移动台设备的设计方案; (3)重点讨论了越区切换、纠错编码等不同于GSM网络的关键技术,并提出了相应 的算法或仿真。 因为时间和能力方面的限制,所做的工作非常有限,以后的还需进一步讨论解决的问 题还很多,主要有以下几个方面: (1)对纠错编码技术还需要进一步研究,进行仿真论证,选取适当的交织长度和编 码方法。 (2)本文主要从无线传输的部分分析研究了电力机车移动数字通信网的可行性,下 一步还要将GSM网络的有关的编码格式和信令控制等具体通过电力机车移动数字通信网来 实现。 (3)本文主要完成的是移动台和基站之间的通信方面的研究,对控制中心的有关技 术实现的研究也将是下一阶段工作的重点之一。 (3)具体确定系统各部分的参数,开发出相应的硬件设备,对整个系统进行验证。 第47页信息工程大学硕士学位报告 致谢 在信息工程大学的三年的研究生学习,给予我一份弥足珍贵的人生经历,丰富了生活 的内涵,这一段时光将会是人生中最难忘的日子之一。值此完成之际,我谨向在 我攻读硕士学位期间指导、关心和帮助我的所有老师、领导、同学和朋友表示衷心的感谢。 首先要感谢我的导师曲保章教授。在学习、研究工作中,我得到了曲教授的悉心指导 和热情关怀。更重要的是,学习期间,曲教授丰富渊博的理论知识、严谨细致的治学态度、 注重理论又强调实践的科研作风以及严谨、务实和认真忘我的工作作风给我留下了深刻的 印象,使我受益匪浅,必将对我今后的工作产生深刻影响。本文的撰写得到了曲保章教授 的耐心指点和仔细审阅,提出了很多宝贵的修改意见,在此,对曲教授表示衷心的感谢。 其次要感谢系里和研究生队的领导朱国良副主任、彭平队长等,他们在我学习期间给 予很多生活上的关心、爱护,也给了我很多生活上的指导和帮助。 此外,还要感谢实验室中所有在学习工作中支持和帮助我的同学和朋友。 第48页信息工程大学硕士学位报告