李茂青,鄭鋒賀,高云波,陽長瓊

(1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

引言

車輛對車輛通信技術(shù)及應(yīng)用是近年來通信和交通領(lǐng)域新興起的技術(shù)，目前，車-車通信在汽車領(lǐng)域是研究熱點(diǎn)，是車載自組網(wǎng)絡(luò)、智能交通系統(tǒng)、5G通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1]。相比汽車領(lǐng)域的車-車通信，鐵路領(lǐng)域車-車通信的范圍更廣，車輛速度更快。T2T(Train to Train)通信不僅可以保證列車特殊情況的運(yùn)行安全，提高列車運(yùn)行效率，且有助于實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備最少化和控制系統(tǒng)車載化。在保證通信范圍內(nèi)兩列車間實(shí)時通信的同時，還能降低設(shè)備維修的困難度和成本。

鐵路領(lǐng)域的車-車通信研究多集中在物理上的車地鏈路來間接實(shí)現(xiàn)，列車對列車直接通信研究較少，直接通信的雙移動端信道較單移動端的車地通信有更多復(fù)雜性。列車對列車直接通信主要研究成果如下：德國LEHNER等[2]實(shí)現(xiàn)貨物列車間470 MHz的4 km臨時通信；LIU等[3]提出汽車對汽車物理層新型無線通信模型，并對斜坡地形下的4種場景進(jìn)行了詳細(xì)的路徑損耗建模；LI等[4]進(jìn)行了6 GHz以上的車-車信道的路徑損耗建模；李淑娟等[5]進(jìn)行了適用于平原和鐵路隧道環(huán)境的8 mm波多頻段列車間直接通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

隨著經(jīng)濟(jì)科技實(shí)力的增強(qiáng)以及國民對交通多元化需求的增加，我國已步入大規(guī)模建設(shè)城軌時代。截至2020年12月31日，中國內(nèi)地已開通城軌交通線路長度共計(jì)7 978.19 km，其中，地鐵占79 %，且2020年新增的1 241.99 km運(yùn)營線路中，新增地鐵線路1 122.19 km，占當(dāng)年新增運(yùn)營線路里程的90.35 %，城軌的運(yùn)營效率和智能化程度急需提高，對T2T通信需求迫切。

相比鐵路領(lǐng)域車-車通信，盡管城軌領(lǐng)域車-車通信的列車速度相對更低，但沿途隧道更多，為研究帶來了不少困難。對于城軌列車對列車通信，西班牙Briso-Rodríguez等[6]在馬德里地鐵隧道場景中進(jìn)行了900 MHz和2 400 MHz的列車對列車通信測量活動；ZHAO等[7]研究了毫米波頻段城軌列車轉(zhuǎn)彎時列車間窄波束的對準(zhǔn)問題；上海交通大學(xué)SHEN等[8]基于930 MHz射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)行駛速度80 km/h的列車間直接通信，直線覆蓋1.6 km。

在空間有限的地鐵隧道環(huán)境中，T2T通信存在一個主要難題，那就是無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)心的信道特征—多徑傳播。在隧道中，多徑傳播會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的多徑衰落，直接影響地鐵列車間無線通信的可靠性，使列車運(yùn)行安全得不到保障，所以一種適用于城軌T2T通信的抗多徑技術(shù)研究迫在眉睫。

對于抗多徑衰落技術(shù)，有擴(kuò)頻、RAKE、OFDM、天線分集等，而空間分集中的天線分集和隱分集中的多徑分集(RAKE接收技術(shù))是不消耗信號資源的，如將這兩種接收技術(shù)結(jié)合起來，勢必提高信號的接收性能。2006年，NISHIDA等[9]提出利用Pre/Post-RAKE來設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，以改善復(fù)雜度問題并保持高質(zhì)量的通信；2008年，HIOKI等[10]提出了一種使用Pre-Rake和Post-Rake的兩天線傳輸方案；2013年，林月玲[11]提出將分集技術(shù)和均衡技術(shù)相結(jié)合的RAKE接收機(jī)應(yīng)用于60 GHz脈沖通信系統(tǒng)。以上對RAKE接收技術(shù)和分集技術(shù)的研究沒有用于城軌通信且未應(yīng)用合并算法，對Pre/Post-RAKE的接收性能進(jìn)一步提高。

首先，將選擇隧道環(huán)境下合適的通信頻段；其次，將設(shè)計(jì)一種使用三天線來抗多徑衰落的毫米波通信機(jī)結(jié)構(gòu)；最后，將提出把Pre/Post-RAKE技術(shù)和多天線合并算法結(jié)合的方案，進(jìn)一步降低誤碼率以達(dá)到鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)。

1 通信距離和頻段確定

1.1 通信距離確定

為追蹤行駛的兩列車的運(yùn)行安全，通信距離應(yīng)該首先同時滿足3個基本條件：

(1)通信距離<自由空間視距通信距離；

(2)通信距離>追蹤間隔距離；

(3)通信距離>旅行距離。

自由空間視距通信距離的計(jì)算公式[5]如下

(1)

式中，hT，hR分別為地鐵列車高度、天線高度。地鐵列車高3.8 m，天線長度0.3 m，故天線高度為4.1 m，則d為16.68 km。

地鐵的追蹤間隔距離L由列車長度LT、地鐵總制動距離S、安全距離LA組成[12]。地鐵列車一般不超過8節(jié)，每節(jié)車廂的長度一般為22.1 m或19 m，這里取較大值22.1 m，安全距離LA為30 m，地鐵列車的總制動距離S分為空走距離和有效制動距離[13]?？兆呔嚯xSK可按勻速運(yùn)動來計(jì)算，即

(2)

式中，v為初速度；tk為空走時間，一般空走時間為1.5 s。

有效制動距離Sy為

(3)

式中，v為初速度；ty為勻減速時間。

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》最高運(yùn)行速度一般不超過100 km/h[14]，故經(jīng)上式計(jì)算，在列車以最高速度運(yùn)行時的最大制動距離S=SK+Sy=363.2 m，則追蹤間隔距離L=LT+S+LA=570 m。

當(dāng)車輛以最高運(yùn)行速度100 km/h運(yùn)行時，其最大旅行速度為55 km/h，如果地鐵的運(yùn)行時間間隔為2 min，經(jīng)計(jì)算可得，該時間內(nèi)列車的旅行距離為1 833.33 m。

綜合經(jīng)計(jì)算得出的視距通信距離、追蹤間隔距離、走行距離和通信范圍的3個基本條件，初步將通信范圍確定為2 km。

1.2 通信頻段確定

對于通信頻段的確定，隧道環(huán)境不同于開闊環(huán)境，需從多方面來考慮：

(1)當(dāng)?shù)谝环颇鶢枀^(qū)遮擋<20%時，電磁波相當(dāng)于在自由空間傳播[15]；

(2)符合《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》[16]；

(3)隧道的波導(dǎo)效應(yīng)

第一菲涅爾區(qū)同心圓半徑計(jì)算公式如下

(4)

式中，d1和d2分別為菲涅爾區(qū)到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離；λ為波長。地鐵隧道寬5.3 m，高5.13 m，經(jīng)計(jì)算當(dāng)滿足第一菲涅爾區(qū)遮擋<20%時，電磁波所處頻率在30 GHz以上。30～300 GHz頻段是毫米波頻段，毫米波具有頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、煙塵穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，較適合用于地鐵隧道環(huán)境的無線通信。

既然將其應(yīng)用于無線通信，那么傳播的介質(zhì)就是空氣，大氣衰減的影響不可忽視。對于大氣衰減，毫米波有5個大氣窗口：35，45，94，140，220 GHz，在這些特殊頻段附近，毫米波受到的衰減較小，經(jīng)計(jì)算，其菲涅爾區(qū)遮擋如表1所示，其中，菲涅爾區(qū)圓心高度為天線高度，即為4.1 m，最小菲涅爾區(qū)半徑F0=0.577F1，遮擋率為隧道頂所遮擋的菲涅爾區(qū)面積與菲涅爾區(qū)面積之比。

表1 大氣窗口菲涅爾區(qū)遮擋比較

由表1可知，毫米波的5個大氣窗口都符合遮擋<20%的條件，而且45，94，140，220 GHz的最小遮擋幾乎為0，所以4個頻段的通信質(zhì)量相近，均納入選頻范圍。

根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，5個大氣窗口的應(yīng)用領(lǐng)域劃分如表2所示。

表2 大氣窗口無線應(yīng)用領(lǐng)域劃分

由表2所知，可用于移動通信的頻段為45 GHz、220 GHz.

隧道的波導(dǎo)效應(yīng)是影響通信質(zhì)量的又一問題，隧道內(nèi)電磁波借隧道自身波導(dǎo)傳播，且頻率越高衰減越小，如單從信號衰減考慮，頻率最高的220 GHz最好，但過高的頻率同時會出現(xiàn)對器件的精度要求過高、技術(shù)不成熟、造價昂貴等問題。

經(jīng)過對第一菲涅爾區(qū)遮擋、無線頻率劃分和波導(dǎo)效應(yīng)三方面比較，利弊權(quán)衡，最終確定選擇45 GHz作為通信頻段。

2 共用三天線一體化通信機(jī)設(shè)計(jì)

對于隧道內(nèi)多徑效應(yīng)的分析及多徑時延分布，課題組前期已經(jīng)完成[17]?？紤]到電磁波在地鐵隧道內(nèi)多條反射路徑造成的多徑效應(yīng)會致使無線通信質(zhì)量下降明顯，需在接收端根據(jù)能量分布，對不同延遲位置的多徑信號進(jìn)行有選擇的合并，將多徑信號變?yōu)橛欣盘柛纳菩旁氡?，所以在設(shè)計(jì)收發(fā)系統(tǒng)時選擇利用Rake接收技術(shù)抗多徑衰落。但僅單一的Rake接收技術(shù)對接收誤碼率的改善有限，其可靠性不足以支撐列車間的直接通信。需將Rake接收技術(shù)和多天線技術(shù)相結(jié)合，去進(jìn)一步降低接收的誤碼率，以達(dá)到提高列車對列車直接通信的可靠性，保障地鐵列車運(yùn)行安全。

經(jīng)設(shè)計(jì)的毫米波收發(fā)系統(tǒng)將主要分為3部分：本振源、三天線發(fā)射機(jī)、三通道接收機(jī)。各部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，此毫米波通信機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)用新型專利“城軌列車對列車通信的毫米波一體化通信機(jī)”已授權(quán)[18]；發(fā)明專利正在等待實(shí)質(zhì)審查。

3 基于LMS算法的多天線Pre/Post-Rake接收機(jī)

3.1 基于LMS算法的Pre/Post-Rake基本結(jié)構(gòu)

毫米波在地鐵環(huán)境中傳播相比自由空間衰減更加嚴(yán)重，所以為達(dá)到更好的通信效果，將LMS算法、多天線技術(shù)和Pre/Post-Rake接收技術(shù)進(jìn)行了充分結(jié)合，如圖2所示，亦為毫米波三天線通信機(jī)結(jié)構(gòu)圖中的Pre-Rake結(jié)構(gòu)和Post-Rake結(jié)構(gòu)。

圖1 毫米波三天線通信機(jī)結(jié)構(gòu)

3.2 脈沖選擇

對于脈沖的選擇，此通信機(jī)選擇脈沖發(fā)生器可直接產(chǎn)生且應(yīng)用較多的高斯脈沖，至于選擇普通高斯脈沖還是高階高斯脈沖需通過頻譜利用率來進(jìn)一步確定。

高頻脈沖信號可通過將低頻信號進(jìn)行頻譜搬移來產(chǎn)生，頻譜搬移在時域上表現(xiàn)為給低頻脈沖乘以一定頻率的正弦信號[11]，高斯脈沖可表示為

P(t)=-e-2πt2/a2cos(2πfct)，t∈[0，T]

(5)

式中，fc為中心頻率；T為脈沖持續(xù)時間；a為脈沖成形因子，a=4πσ2。

高斯一階高斯脈沖可表示為

(6)

45 GHz高斯脈沖和高斯一階脈沖的時域波形，如圖3所示。

圖2 基于LMS算法的Pre/Post-Rake結(jié)構(gòu)

圖3 45 GHz高斯脈沖和高斯一階脈沖的時域波形

從圖3可知，45 GHz的信號脈沖周期比較窄，對于多徑接收信號而言，Rake接收機(jī)需分辨數(shù)量龐大的多徑信號，最終造成Rake接收機(jī)在物理實(shí)現(xiàn)方面面臨較大的難度。但對于納秒級RAKE接收技術(shù)已有多人開始研究，如60 GHz系統(tǒng)中RAKE接收研究[19]和采用最小均方誤差進(jìn)行均衡的Rake接收方法[11]等，同時對于解決這一問題的主要物理層技術(shù)—OFDM技術(shù)，課題組已在前期工作中完成了對此技術(shù)的研究[17]。

高斯脈沖的功率譜密度ψ(f)為

(7)

(8)

式中，K為求導(dǎo)階數(shù)。

45 GHz高斯脈沖和一階高斯脈沖的功率譜分別如圖4、圖5所示。

圖4 45 GHz高斯脈沖功率譜

圖5 45 GHz一階高斯脈沖功率譜

圖4、圖5中，45 GHz一階高斯脈沖功率譜與高斯脈沖功率譜相比有部分主瓣能量溢出了FCC頻譜掩模，同時頻譜是不連續(xù)的，存在一個凹陷，此凹陷致使頻譜利用率更低，所以此通信機(jī)選用高斯脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 基于LMS算法的Pre/Post-Rake基本原理

高斯脈沖經(jīng)過Pre-Rake結(jié)構(gòu)之后，每個結(jié)構(gòu)的輸出為[10]

(9)

式中，nt，nr分別為發(fā)射和接收天線的數(shù)量；L為Pre-Rake的分枝數(shù)；bi為數(shù)據(jù)符號；P(t)為高斯脈沖；Tf為脈沖重復(fù)間隔；Cl，nt，nr和Tl，nt，nr分別表示第l個分枝的權(quán)重和相對延遲。

從每個發(fā)射天線發(fā)送出的信號為

(10)

傳輸信道的沖擊響應(yīng)為

(11)

式中，k為可分辨多徑數(shù)；hnt，nt，k為第nr個天線上第k條多徑分量的增益；Tk表示延遲。

每個接收天線接收到的信號為

(12)

式中，nnr(t) 是平均值和方差分別為0和N0/2的高斯隨機(jī)變量。

Post-Rake結(jié)構(gòu)第m個分枝的輸出為

(13)

每個Post-Rake結(jié)構(gòu)的輸出為

(14)

式中，Wm，nr，bnr為每個Post-Rake結(jié)構(gòu)第m個分枝的權(quán)重，權(quán)重的確定因路徑合并方法的不同而不同，路徑合并方法一般有：最大比合并、等增益合并、選擇式合并。然后，通過仿真對這3種分集合并方式的性能進(jìn)行了比較，如圖6所示。經(jīng)對比可以得出，3種合并方式中最大比合并的誤碼率最低，性能最好。所以，此處權(quán)重通過最大比合并的方式來確定，通過此方式確定的權(quán)重為

(15)

式中，hm，nr，bnr表示信道特性。

圖6 3種主要分集合并方式性能比較

對于Post-Rake結(jié)構(gòu)的輸出，需通過LMS算法進(jìn)一步合并，其中，S為需要合并的Post-Rake結(jié)構(gòu)輸出的數(shù)目，Ws為LMS算法分配的權(quán)重。

(16)

LMS算法的基礎(chǔ)公式為

(17)

(18)

已知當(dāng)μ滿足公式(19)條件時，LMS算法會趨于更加穩(wěn)定[20]。

(19)

同時輸入信號相關(guān)矩陣R的最大特征值λmax應(yīng)滿足如下公式[21]

λmax≤tr[R]<

(20)

式中，Nc為每比特的單脈沖數(shù)；Ec為每個脈沖的能量。將式(20)代入式(19)可得

(21)

每個Pre/Post-Rake結(jié)構(gòu)的誤碼率公式為

(22)

其中，b為信號幅度衰減因子。

3.4 結(jié)果分析

以上對Pre/Post-Rake和LMS算法的原理進(jìn)行了分析，同時將Pre/Post-Rake技術(shù)和LMS算法進(jìn)行了結(jié)合，然后將其與改進(jìn)的路徑損耗模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以得出如下結(jié)論。

(1)隨著天線數(shù)的增加，Pre/Post-Rake接收機(jī)的誤碼率逐漸降低。

(2)改進(jìn)的Rake接收機(jī)相比傳統(tǒng)Rake接收機(jī)的誤碼性能有極為明顯提升。

(3)改進(jìn)的Rake接收機(jī)由于在Pre/Post-Rake的基礎(chǔ)上加入了LMS算法，相比普通的三天線Pre/Post-Rake接收機(jī)和LMS算法接收機(jī)(性能與Pre/Post-Rake接收機(jī)相近)，誤碼特性有了較為明顯的改善。

(4)改進(jìn)的Rake接收機(jī)因?yàn)閷re/Post-Rake、分集、LMS算法3種技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，即使在地鐵隧道環(huán)境中，也能在信噪比為9dB時達(dá)到鐵路通信誤碼標(biāo)準(zhǔn)10-6[22]。

圖7 改進(jìn)Rake與其他接收機(jī)誤碼性能對比

4 結(jié)論

本文提出了一種城軌列車對列車直接通信中可以抗多徑衰落的技術(shù)，并對改進(jìn)Rake接收機(jī)進(jìn)行分析與仿真，結(jié)論如下。

(1)將城軌環(huán)境列車對列車通信作為研究背景，選擇出其合適的通信頻段-毫米波和通信距離。

(2)設(shè)計(jì)了通過共用三天線來抗多徑衰落的毫米波通信機(jī)，同時加入了Pre/Post-Rake結(jié)構(gòu)，適應(yīng)了城軌列車對列車通信的車載環(huán)境。

(3)提出了將三天線Pre/Post-Rake接收技術(shù)和LMS算法結(jié)合的方案，并將RAKE接收技術(shù)引入車車通信領(lǐng)域，可有效改善列車對列車通信系統(tǒng)的誤碼特性，即使在地鐵隧道環(huán)境中也能達(dá)到鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)10-6，提高了地鐵通信的可靠性和安全性。