一种基于MIMO技术的城轨列车车地通信系统传输方法技术方案

本发明专利技术属于轨道交通通信网络技术领域，特别涉及一种基于MIMO技术的城轨列车车地通信系统传输方法。其特征在于，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；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；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；提出了一种适合车地联合2×2MIMO系统的编码方式；本发明专利技术结合MIMO技术特点，分析了天线相关性的影响，提出了结合Alamouti空时分组码的MIMO系统。通过本发明专利技术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以及传输可靠性方面取得明显的增益，提升车地通信系统的传输性能，保证列车高效、安全运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于轨道交通通信网络
，特别涉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。
技术介绍
21世纪以来，随着经济的快速发展以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。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，在这当中车地信息传输是核心问题之一。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(CommunicationBasedTrainControlSystem,CBTC)因其网络化、智能化以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以车载微机为主要技术手段，对列车的运行控制、状态监测、故障诊断以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以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，以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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于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以及IEEE802.11n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2×2MIMO系统传输方法；具体步骤为：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以及长度特点，分别在列车的车头和车尾布置一只鲨鱼鳍天线，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；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λ为工作波长，设置高架轨旁天线组高度为3.6m，间距3.2m；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；4)提出了一种适合车地联合2×2MIMO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，在接收端线性处理以完成解码。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IEEE802.3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设备以及车载视频监视系统的功能。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。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。所述空时分组码的实现过程为：在某个时隙的调制符号s1和调制符号s2，在两个连续的时隙被发射，第一个时隙，s1从第一个天线发射，s2从第二个天线发射；在第二个时隙，从第一个天线发射，为s2的共轭复数，从第二个天线发射，为s1的共轭复数；则记两个时隙下的发射信号矩阵X为：X=s1-s2*s2s1*---(1)]]>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yj(1)和第二个时隙第j个接收天线接收到的信号yj(2)分别为：yj(1)＝h1,js1+h2,js2+ej(1)(2)yj(2)=-h1,js2*+h2,js1*+ej(2)---(3)]]>式中，h1,j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；ej(1)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；s1的最佳判决和s2的最佳判决分别为：s^1=argmins1|Σj=1Nrh1,j*yj(1)+h2,jyj*(2)-(|h1,j|2+|h2,j|2)s1|---(4)]]>s^2=argmins2|Σj=1Nrh2,j*yj(1)-h1,jyj*(2)-(|h1,j|2+|h2,j|2)s2|.---(5)]]>有益效果本专利技术结合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2×2MIMO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<本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，该方法是结合LTE、WiMAX以及IEEE802.11n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2×2MIMO系统传输方法；具体步骤为：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以及长度特点，分别在列车的车头和车尾布置一只鲨鱼鳍天线，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；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λ为工作波长，设置高架轨旁天线组高度为3.6m，间距3.2m；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；4)提出了一种适合车地联合2×2MIMO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，在接收端线性处理以完成解码。...

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMO技术的城轨列车车地通信系统传输方法，其特征在于，该
方法是结合LTE、WiMAX以及IEEE802.11n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2×2MIMO
系统传输方法；具体步骤为：
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
据列车的线性特征以及长度特点，分别在列车的车头和车尾布置一只鲨鱼鳍天
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；
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λ为工作波长，设置高架轨旁天线组高度为3.6m，间距
3.2m；
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；
4)提出了一种适合车地联合2×2MIMO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，在接收端线性处理以完成解码。
2.根据权利要求1所述一种基于MIMO技术的城轨列车车地通信系统传输方

\t法，其特征在于，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IEEE802.3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设备以及车
载视频监视系统的功能。
3.根据权利要求1所述一种基于MIMO技术的城轨列车车地通信系统传输方
法，其特征在于，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

【专利技术属性】
技术研发人员：董宏辉，宋晓悦，滕志伟，贾利民，秦勇，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11