鐵路無線通信系統(tǒng)射頻鏈路的一體化建模與分析.pdf

1、我國鐵路采用工作于900 MHz頻段的GSM-R無線通信系統(tǒng)作為列車調(diào)度和控制的主要手段,該通信系統(tǒng)的無線射頻鏈路包括基站天線、電波空間傳播、列車天線三部分,其特性對整個通信系統(tǒng)的可靠性、進(jìn)而對列車運(yùn)行的安全性都有重要的影響。現(xiàn)有研究大多集中在空間電波傳播方面,其結(jié)果與整個鏈路的特性有較大差別,尤其是在高速鐵路環(huán)境下。本論文研究內(nèi)容來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.60674010,60825101)和國家863計(jì)劃項(xiàng)目(No.2008

2、AA01Z224),主要針對鐵路發(fā)展趨勢,研究高速鐵路環(huán)境下、包含收發(fā)天線及其環(huán)境在內(nèi)的無線射頻鏈路的一體化建模方法及特性分析。研究工作對鐵路無線通信系統(tǒng)性能評估、車一地間無線通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要意義。本文的主要貢獻(xiàn)有如下幾個方面:
　　 1.針對較為復(fù)雜的高速鐵路無線通信環(huán)境,提出了對收發(fā)天線及其周圍環(huán)境與空間電波傳播進(jìn)行一體化建模與分析的思路；對以基站為主的開闊空間采用全波方法與射線方法以及隨機(jī)統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合來進(jìn)行長距

3、離射頻鏈路的一體化建模；對以漏泄波導(dǎo)為主的短距離封閉空間則完全采用全波方法進(jìn)行一體化建模。
　　 2.在一體化建模過程中,首先分析了列車長度對車頂天線接收特性的影響,確定了模擬中必須采用的最小列車長度,以便在減小計(jì)算量的同時又能滿足計(jì)算精度要求；然后將列車天線與包括機(jī)車車體在內(nèi)的周圍鐵路環(huán)境作為一個整體進(jìn)行模擬,研究了帶有環(huán)境影響的車載天線的收發(fā)特性,給出了相應(yīng)的方向圖。
　　 3.模擬過程中,在信號源的引入上,提出了方

4、同軸端口饋電模型用以對車載單極天線進(jìn)行饋電,該模型在FDTD矩形網(wǎng)格劃分情況下能夠簡單有效地對天線進(jìn)行饋電或輸出電壓電流信號；針對本文所研究問題的特點(diǎn),對現(xiàn)有FDTD計(jì)算區(qū)域中引入平面波源的方法進(jìn)行了改進(jìn),驗(yàn)證了改進(jìn)方法的正確性；提出了在FDTD計(jì)算區(qū)域中利用磁偶極子陣列來模擬漏泄同軸電纜輻射的近似方法。
　　 4.將單徑模型和雙徑模型與FDTD方法相結(jié)合,對平坦開闊地面上鐵路環(huán)境下長距離無線鏈路的大尺度衰落特性進(jìn)行了一體化建模

5、與分析,研究了基站信號所覆蓋的鐵路沿線較長距離范圍內(nèi),列車天線的輸出信號隨列車位置的變化規(guī)律。
　　 5.采用多徑散射波統(tǒng)計(jì)分布模型與雙徑確定性傳播模型以及FDTD方法相結(jié)合,對鐵路環(huán)境下多徑效應(yīng)引起的無線鏈路小尺度衰落特性進(jìn)行了一體化建模與分析,研究了多徑時變散射波影響下較短距離范圍內(nèi)列車天線的輸出信號隨列車位置的變化規(guī)律。
　　 6.提出了在無線射頻鏈路一體化模型中引入調(diào)制解調(diào)模塊來研究鐵路環(huán)境對傳輸數(shù)據(jù)誤碼率影響的