城市轨道交通CBTC系统无线抗干扰研究_徐昱.docx
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1、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果,也不包含获得 兰州交通大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名 : 馀昱 签宇 R期: 2 15年 & 月 /6円 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰州交通大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影 印、缩印或扫描等复制手段
2、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: #、里 _ 导师签名 : 签字円期:; 1丨 5年 6月 /6円 签字 期:山汐年多月 n 硕 士 学 位 论 文 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研究 Research on Wireless Anti-interference of CBTC Systems in Urban Rail Transit 作 者 姓 名 学科、专业 研 究 方 向 学 号 指导 教 师 完 成 日 期 徐星 通信与信息系统 轨道交通通信系统 0212688 刘晓娟
3、 2015年 4月 兰 州 交 通 大学 Lanzhou Jiaotong University 兰州交通大学硕士学位论文 摘 要 基于通信的列车控制 ( Communications Based Train Control, CBTC)系统具有高精度 定位、双向连续车地通信等特点,能更好的实现列车移动闭塞控制,满足当今城市轨道 交通中列车自动控制的需求。车地通信系统是其关键组成部分,主要采用 IEEE802.il 标准的无线局域网技术实现数据传输。然而该标准工作在频率为 2.4GHz的工业、科学、 医疗 (Industrial Scientific Medical, ISM)频段,在城市无线
4、网络飞速发展、覆盖面积曰益 增长的今天,容易受到外界无线信号的干扰。因此对 CBTC无线通信系统的干扰成因进 行分析,提出相应的抗干扰方案,提高 CBTC系统的抗干扰能力,以保障列车的安全高 效的运行,对进一步发展城市轨道交通具有重要的意义。 首先,对 CBTC无线通信系统进行说明,给出适合实际的无线传播模型。对 CBTC 系统无线干扰进行详细分析,将干扰分为系统内部和外部干扰两种,指出 AP(ACCeSS Pomt,AP)接入瓶颈问题和无线移动设备干扰问题是研究 CBTC系统抗干扰的主要难点, 并对现已有的抗干扰方案进行阐述,说明本文抗干扰方案 的基础。 其次,通过二维马尔可夫链对传统分布式
5、协调 ( Distributed Coordination Functior DCF)协议进行分析与改进,给出车载天线节点数、竞争窗口大小和干扰移动无线保真 (Mobile Wireless Fidelity, MiFi)节点个数对 CBTC系统吞吐量和传输时延的影响。针对 AP接入瓶颈问题提出一种 DCF的改进方案,分别对 AP和车载天线 (Vehicle-mounted Antenna, VA)制定不同的算法,以进一步减小 CBTC系统内部干扰;提出一种自适应区 间化的竞争窗口设置方案,根据 MiH节点个数设置合理的竞争窗口值,减小系统外部 的干扰,提高 CBTC系统的抗干扰能力;同时对传
6、统指数退避算法进行分析,使用慢增 慢减回退机制,从回退角度提高 CBTC系统的抗干扰能力。 最后,运用 OPNET工具对 CBTC无线通信系统进行仿真,修订系统 DCF协议模块 并设置工作参数,分别对系统内部和系统外部无线干扰进行场景建模并仿真分析,对提 出的抗干扰改进方案和传统 DCF协议进行系统吞吐量和传输时延对比,仿真结果表明, 本文所提出的改进抗干扰方案具有良好的效果, CBTC系统性能得 到改善,一定程度上 提高了系统的抗干扰能力。 关键词:基于通信的列车控制;无线抗干扰;便携式无线路由器;分布式协调 论文类型:应用研究 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研究 Abstract C
7、ommunication Based Train Control (CBTC) systems have many characteristics such as high accuracy positioning and bidirectional train-to-wayside data communication, which can better realize the train control under moving block and meet the demand of train automatic control in current urban rail transi
8、t. Train-to-wayside data communication system is an important part in CBTC systems, which transmits data by using WLAN technology with the standard of IEEE802.il. The wireless standard works on the open ISM band, so the train-wayside communication processes are easily disturbed by other wireless sig
9、nals in urban environment nowadays. Hence, after the analysis of interference causes of CBTC wireless communication systems, the corresponding anti-interference schemes have been put forward to improve the ability of anti-interference, which can ensure the safety and efficiency of train running and
10、are significant to the further development in urban rail transit. Firstly, according to the Free Space Loss Mode and the special circumstance of CBTC, the wireless propagation model applying to urban rail transit environment has been constructed. After the detailed analysis of CBTC systems, the inte
11、rference has been divided into two parts: internal interference and external interference. The problems of Access Point (AP) bottleneck and wireless mobile device interference are mainly difficult in the anti-interference research of CBTC systems. Some existing anti-interference measures has also be
12、en expounded on the basis of anti-interference schemes in CBTC systems. Secondly, after the analysis and improvement of the traditional Distributed Coordination Function (DCF) model protocols by the two-dimensional Markova chain, the influence of vehicle-mounted antenna nodes number, contention wind
13、ow size, Mobile Wireless Fidelity (MiFi) nodes number and other parameters on the throughput and transmission delay of CBTC systems have been given. To reduce the internal interference in CBTC systems, a DCF improvement scheme has been proposed, which can increase the priority of AP by developing di
14、fferent algorithms for AP and vehicle-mounted Antenna (VA). An adaptive scheme that sets the reasonable competition window value according to the number of MiFi nodes has been proposed, which can reduce the external interference and improve the anti-interference ability of CBTC systems. Meanwhile, b
15、ased on the perspective of backoff mechanism, another scheme with slowly increase and decrease algorithm has also been proposed to further improve the anti-interference ability. Finally, according to the above analysis, the different train operation senses have been built by OPNET. The network modul
16、e has been built with working parameters, such as communication protocol, data flow, and movement path. Then the different train operation scenes have been built to analyze and simulate the suffering interference of CBTC systems -II- 兰州交通大学硕士学位论文 from both inside and outside. By calculating throughp
17、ut and transmission delay, the improved anti-interference scheme has been compared with the traditional DCF protocol. The results show that the improved anti-interference algorithm has a good effect in the performance improvement of CBTC systems and can improve the anti-interference ability of CBTC
18、systems. Key Words: Communication Based Train Control; Wireless anti-interference; Portable wireless router; Distributed Coordination Function -ill- 城市轨道交通 CBTC系统无线抗干扰研宄 目 录 . I Abstract . II 1绪论 . 1 1.1研宄背景及意义 . 1 1.1.1 CBTC系统特点 . 1 1.1.2正 EE802.il标准及干扰影响 . 3 1.1.3研宄意义 . 4 1.2 CBTC无线抗干扰研宄现状 . 4 1.3
19、论文主要工作和结构安排 . 5 2 CBTC无线通信系统抗干扰分析 . 7 2.1 CBTC系统传播模型 . 7 2.1.1大尺度路径损耗 . 7 2.1.2小尺度路径损耗 . 8 2.1.3适合 CBTC系统的传播模型 . 8 2.2 CBTC系统无线干扰分析 . 10 2.2.1系统内的无线干扰分析 . 10 2.2.2系统外的无线干扰分析 . 10 2.3传统 CBTC系统无线抗干扰方案 . 13 2.3.1无线电技术的选择 . 13 2.3.2冗余设计 . 14 2.3.3优化无线覆盖方式 . 14 2.3.4 MAC 层协议 . 15 2.4本章小结 . 16 3 DCF协议在 CB
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