真空管道高速飞行列车车地无线接入及切换技术研究

发布时间：2020-10-13 23:39

　　 经过近十年交通技术与应用的飞跃发展,我国高速铁路建设获得了多项技术成果,取得了辉煌成就,在引领世界高铁技术发展潮流中占有重要的地位。真空管道高速飞行列车(以下简称高速飞行列车)是一种新型轨道交通技术,可实现磁浮列车在接近真空的低压管道内以低机械磨擦、低空气阻力、低噪声模式全天候以超过1000km/h的超高速运行。高速飞行列车安全、高效地运行需要无线通信系统的支撑和保障。在真空管道中,高速飞行列车运行速度高达1000km/h～4000km/h,因此对车地之间的通信稳定性、可靠性要求很高。本文结合国内外车地通信的研究现状及高速飞行列车运行的特点,分析了高速飞行列车运行场景下车地无线通信面临的新挑战,例如严重的多普勒频移,管道内部无线覆盖困难,金属波导效应以及极端频繁的越区切换。针对这些问题,本文认为可以在无线通信行业理论技术的基础上,利用已有的通信技术,通过对特殊车地通信的设计以及系统的优化,解决极其频繁的越区切换以及无线覆盖问题,实现高速飞行列车车地超高速移动宽带接入。本文主要针对高速飞行列车无线通信存在的两个主要问题——管道内无线覆盖困难和频繁越区切换展开研究。首先,针对管道内无线覆盖问题,本文初步设计了一种基于漏泄波导的无线接入方案。方案中,本文采用了具有法向辐射特征的漏泄波导的覆盖方式,管道内漏泄电场分布仿真结果表明,漏泄电磁波在管道横截面内呈柱面波辐射,沿管道纵向的场分布近似不变,从电波传播机理上可有效抑制多普勒效应。基于此,本文提出一种基于电磁透镜的漏波直接覆盖方案,通过改变电磁介质的厚度,直接控制漏泄波导向列车辐射的波束的相位变化,将柱面波转化成平面波,实现车厢内部全面均匀的无线覆盖。针对极其频繁的越区切换问题,本文采用基于RoF网络架构的移动小区解决方案。由于高速飞行列车穿越每段漏泄波导的时间极短,因此本文提出一种基于位置预测的切换时间预留机制。该机制中,首先通过车地同步预测算法预测列车未来时刻的运行位置,然后在设定的预留时间内提前预判光接入切换的执行时刻,到达该时刻后,地面基站中心做好光层切换和漏泄波导射频功能激活等工作,保证小区移动的顺利完成。仿真结果显示,车地同步预测算法对高速飞行列车位置的预测结果较为精准,触发校正次数较少,为高速飞行列车在超高速移动环境下的安全可靠运行提供了有力支撑。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U171;TN92
【部分图文】：

搭建的“多态耦合轨道交通动模试验平台”，在长达１５００ｍ的真空管道里，通过对??不同低气压环境下的模拟，开展不同磁悬浮模式比例模型车运行测试，时速有望??达到１５００公里图１－２为现西南交通大学的载人高温超导磁悬浮环形实验线。??图１＿２西南交通大学载人高温超导磁悬浮环形实验线??Ｆｉｇ．?１－２?Ｍａｎｎｅｄ?Ｈｉｇｈ?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ?Ｍａｇｌｅｖ?Ｒｉｎｇ?Ｔｅｓｔ?Ｌｉｎｅ??ｏｆ?Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ?Ｊｉａｏｔｏｎｇ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ??真空管道高速飞行列车安全、高效地运行离不开各种稳定可靠的现代无线通??信与信息处理技术的支撑。为了保证飞行列车的安全平稳运行，要求行车调度指??挥系统和列车无线调度通信之间进行实时的双向话音和数据交换，实现安全、可??靠、高速、高容量的信息传输。目前国内外高速列车运行过程中乘客仅能以地面??普通蜂窝移动通信网络（３Ｇ和４Ｇ系统）进行简单不连续且低速率数据通信，尚没??有专门针对１０００?ｋｍ／ｈ及以上超高速移动环境下的宽带无线通信系统研宄。因此，??有必要研究高速飞行列车无线通信技术，以支撑列车安全运行、提高运输效率和??２??

数据及旅客信息数据，同时为车辆与控制中心的操作人员提供多媒体语音服务［２３］。??ＥＵＨＴ是一种支持高可靠、低时延、高移动性等需求通信解决方案，可支持６??ＧＨｚ以下频段，峰值吞吐率可达３．４８?Ｇｂｐｓ。图１－３是ＥＵＨＴ空口帧结构，通过恰??当的配比帧格式，可以实现５００?ｋｍ／ｈ的最大移动速度［２４］。ＥＵＨＴ技术从２００７年研??发开始，经过近几年的快速发展，己被多个行业和领域大规模投入使用。其中，??京津城际高铁是全球首个采用ＥＵＨＴ智能高铁方案，可实现精准定位的５００?Ｍｂｐｓ??车地无线通信系统的轨道交通。??？?－下行调度周期?上行调度周期一＞？??Ｉ?ＳＳ?ＤＵ－ＴＯｔ?ＷＪ－?［｜?ＵＬＪ－ＴＣＩＪ??｜篇５?；備雛［織｜｜上麵信道?时间??１?口退??ＬＩ－Ｐｒｅａｍｂｌｅ＾Ｊ?ＤＬ－ＳＣＩＩ?Ｌ＾１?行调度请求??长前导序列?下行探测信道?信道ＵＬ－ＳＲＣｎ??ＵＬ－ＳＣＩＩ?Ｍ＿??上行探测信道上行随机接入信ｙ??ＵＬ－ＲＡＣＩＩ??ＵＧＩ＾—１??图１－３?ＥＵＨＴ空口帧结构??Ｆｉｇ．?１－３?ＥＵＨＴ?Ｅｍｐｔｙ－ｐｏｒｔ?Ｆｒａｍｅ?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??ＬＴＥ和５Ｇ技术作为当前以及未来１０年蜂窝无线通信的主流技术，两者可支??持终端的最大移动速度略有不同。ＬＴＥ系统主要是应用于列车监控设备和运输体??系中，满足旅客多媒体需求以及列车完成行车调度的诉求。ＬＴＥ下行和上行的解??调依靠小区参考信号（ＣＲＳ）和ＵＥ特定数据解调参考信号（ＤＭＲＳ），如图１－４??所示

时监测、安全诊断等；另一类是面向铁路公众旅客的通信系统，负责用户在旅途??中的移动数据上下链路的传输。因面向的对象的不同，无线通信性能指标需求也??是各不相同，高速飞行列车车地无线通信系统功能如图２－１所示。??｜?｜￣￣专用：ｉａ信｜丨中央控制中心??Ｉ?［?ｊ?分区控制中心??｜?Ｐ旅客用户信息＼＼?！?！?；??ｒ．．．．．．．．．?＼?？＊—？！?｜牵引控制系统｜?｜运行控制系统Ｉ??核：网?Ｊ??一ｚ－一－?Ｊ??无线通信系统??］??ｊ?ｉ一＾思?一―Ｊ?／?｜?雜系统?ｊ?；??旅客电话通信?Ｉ??Ｌ?＇?－：?——?＿?＿?＿车－辆」??图２－１无线通信系统功能??Ｆｉｇ．２－１?Ｗｉｒｅｌｅｓｓ?Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ?Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ??２．１．１安全类数据??高速飞行列车的运行和牵引控制、在途监测和语音通信以及实时维护等数据??需要及时准确的传输至路旁网络，实现地面控制中心对高速飞行列车运行实时动??态跟踪和控制，因此需要满足“低延时高可靠”的传输要求。这类无线通信需求??被称为安全类数据传输业务。??高速飞行列车采用磁浮技术，系统应满足磁浮交通系统的常规运行、降级运??行和维护与逆行的多模式要求。综合参考上海磁悬浮列车和传统的轮轨高铁的车??地通信需求［３Ｑ］，高速飞行列车与地面之间传输的安全类数据主要可以分为如下几??类?ｐｉ］。??９??
【参考文献】

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本文编号：2839860