CN104796909A - 一种提升cbtc抗干扰性能的空间部署评估系统和方法 - Google Patents

一种提升cbtc抗干扰性能的空间部署评估系统和方法 Download PDF

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罗群
宋起柱
王俊峰
张莎
陶洪波
刘晓勇
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Abstract

一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统和方法,先建立CBTC系统的列车车厢和隧道模型;在车厢内部署若干发射机,用于模拟干扰源;确定接收机部署策略,并根据该部署策略在相应平面上部署若干接收机,用于接收发射机发送的信号;根据接收机接收到的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。根据得到的叠加接收功率的大小,可以获得CBTC系统中AP和MR的最优空间部署位置,以避免工作于相同频段的WLAN设备等干扰源对CBTC系统的干扰。

Description

一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统和方法
技术领域
本申请涉及基于通信的列车运行控制领域,具体涉及一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统和方法。
背景技术
基于通信的列车运行控制(Communication Based Train Control,CBTC)技术,是一种在列车运行控制系统中使用的技术。CBTC系统的车地无线传输采用2.4GHz开放频段,与此同时广泛使用的无线局域网(Wireless Local AreaNetwork,WLAN)也采用2.4GHz开放频段,这在一定程度上会对已有的CBTC系统带来干扰。例如,列车或地铁在行驶途中,使用2.4GHz开放频段进行通信,因乘客携带同样工作于2.4GHz频段的手持Wi-Fi路由器等设备,受此类设备所产生的同频段信号的干扰,引起数据包时延传输或堵塞,导致信号系统安全保护功能动作使列车紧急制动等事故。
请参考图1,为CBTC在存在WALN干扰情况下的工作示意图。其中AP(Access Point,无线接入点)用来收集列车发送的状态信息并传输给控制单元,同时可以发送控制信号给列车,AP部署于隧道壁;每个AP有一定的覆盖区域,AP的部署应存在一定冗余,使得某些设备发生故障时能确保连续的覆盖。MR(Mobile Radio,车载移动天线)可以用来发送列车状态信息,还可以接收控制信号,MR部署于车厢外侧,一般部署在车头前面、车厢顶部和车厢侧面。在CBTC系统中,AP和MR在2.4GHz频段进行通信,而WLAN设备也工作于2.4GHz频段,所以WLAN设备对AP和MR都有可能产生干扰。
因此,如何有效地避免WLAN设备等干扰源对CBTC系统的干扰,其意义重大。
发明内容
本申请提供一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统和方法,能够对CBTC系统中AP和MR的空间部署进行评估,以优化AP和MR的空间部署,避免WLAN设备等干扰源对CBTC系统的干扰。
根据本申请的第一方面,本申请提供了一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统,包括:
建模单元,用于建立CBTC系统的列车车厢和隧道模型;在车厢内部署若干发射机,用于模拟干扰源;确定接收机部署策略,并根据所述部署策略在相应平面上部署若干接收机,用于接收发射机发送的信号;
计算单元,用于根据接收机接收到的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。
根据本申请的第二方面,本申请提供了一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估方法,包括:
建立CBTC系统的列车车厢和隧道模型;
在车厢内部署若干发射机,用于模拟干扰源;
确定接收机部署策略,并根据所述部署策略在相应平面上部署若干接收机,用于接收发射机发送的信号;
根据接收机接收到的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。
本申请提供的提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统和方法中,先建立CBTC系统的列车车厢和隧道模型;在车厢内部署若干发射机,用于模拟干扰源;确定接收机部署策略,并根据该部署策略在相应平面上部署若干接收机,用于接收发射机发送的信号;根据接收机接收到的发射机发送的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。根据得到的叠加接收功率的大小,可以获得CBTC系统中AP和MR的最优空间部署位置,以避免工作于相同频段的WLAN设备等干扰源对CBTC系统的干扰。
附图说明
图1为CBTC在存在WALN设备干扰情况下的工作示意图;
图2为本申请一种实施例中提升CBTC抗干扰性能的CBTC空间部署评估系统的示意图;
图3为本申请一种实施例中提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估方法流程示意图;
图4为本申请一种实施例中列车采用分节设计的示意图;
图5为本申请一种实施例中单节车厢模型的几何示意图;
图6为本申请一种实施例中干扰源的部署示意图;
图7为本申请一种实施例中用于模拟AP的接收机部署示意图;
图8a为本申请一种实施例中接收机平面为隧道底部时叠加接收功率分布图;
图8b为本申请一种实施例中接收机平面为隧道顶部时叠加接收功率分布图;
图8c为本申请一种实施例中接收机平面为隧道侧面时叠加接收功率分布图;
图9为本申请一种实施例中用于模拟MR时的接收机部署示意图;
图10a为本申请另一种实施例中接收机平面为车厢顶部时叠加接收功率分布图;
图10b为本申请另一种实施例中接收机平面为车厢侧面时叠加接收功率分布图;
图10c为本申请另一种实施例中接收机平面为车厢前部时叠加接收功率分布图。
具体实施方式
目前,关于CBTC系统领域的技术研究,主要集中在信号系统的测试方法、列车的跟踪及定位、AP的切换以及防碰撞等技术方面。缺乏关于存在WLAN设备等干扰源干扰下的针对AP和MR的空间部署方式的研究,也缺乏对于AP和MR的空间部署如何影响CBTC系统的抗干扰性能、如何对AP和MR空间部署进行有效评估等方面的技术研究。
本申请从AP和MR的空间部署角度,提供了一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统和方法,用于对抗WLAN设备等干扰源的干扰。依据本申请提供的系统和方法,可在轨道交通系统的隧道墙壁附近的位置部署AP、在列车车厢上部署MR,并得到AP和MR的最优部署位置,以使AP和MR所受WLAN设备等干扰源的干扰最小。
本申请的发明构思在于:通过模拟多个WLAN设备在车厢内的随机分布,然后计算所有WLAN设备在每个接收机(AP和MR)处的叠加接收功率;再通过比较各个位置的叠加接收功率值,确定在叠加接收功率值最小的位置来部署AP或者MR,而对于叠加接收功率较大的位置应尽量避免部署AP或者MR。通过本申请提供的方法来实现AP或MR的空间部署,以叠加接收功率为参考量,能最大程度地避免AP和MR受到WLAN设备等干扰源的干扰,尽量减少列车行驶过程中因通信系统问题而导致的突发事件,为CBTC系统的设计提供了较强的指导意义。
在提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估中,需要分别对AP的空间部署进行评估和对MR的空间部署进行评估,下面则分别以对AP的空间部署进行评估和对MR的空间部署进行评估为具体实施方式,并结合附图对本申请作进一步详细说明。
实施例一
请参考图2,本实施例提供了一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统,包括建模单元10、计算单元20和结果后处理单元30。
建模单元10用于建立CBTC系统的列车车厢和隧道模型;在车厢内部署若干发射机,用于模拟干扰源;确定接收机部署策略,并根据该部署策略在相应平面上部署若干接收机,用于接收发射机发送的信号。
计算单元20用于根据接收机接收到的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。
结果后处理单元30用于根据该叠加接收功率绘制叠加接收功率的分布图。在其他实施例中,结果后处理单元30也可以根据实际需要对叠加接收功率进行其他处理。
请参考图3,本实施例提供了一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估方法,用于确定AP的空间部署位置,包括下面步骤。
步骤1.1:根据实际尺寸建立CBTC系统的车厢和隧道模型,设置车厢壁和隧道壁的厚度,并设置车厢和隧道的材料;对于大多数典型场景,列车车厢材料可以设置为理想导体,隧道墙壁材料可以设置为混凝土。
本实施例中,步骤1.1具体为:简化隧道为一个长方体,尺寸为:宽*高=4m*5m,隧道墙体为混凝土,其介电常数为7,导电率为0.015。列车也简化为长方体模型,车厢长18.2m,车厢内高度2.06m,车厢内宽度2.45m,每节车厢单侧有4个车门,3个玻璃窗,车门尺寸为1.87m*1.14m,车门上玻璃大小为0.76m*0.76m,车窗尺寸为1.52m*0.76m,单节车厢车门与车窗间隔排列,车门与车窗的距离均为1m,首个车门距车头位置为1.5m。隧道宽度为4m,隧道高度为5m。列车采用分节设计如图4所示,单节车厢模型的几何示意图如图5所示;车厢玻璃的介电常数为2.4,导电率为10;车厢为金属材质,本评估方法中,假设车厢采用理想中的全金属材料。
步骤1.2:部署干扰源。在列车车厢内随机放置14个发射机,用于模拟WLAN设备等干扰源。为模拟实际干扰源,发射机信号频率设置为2412MHz,带宽为20MHz。发射机天线采用全向天线,发射功率为12dBm,高度为1.2m(这里高度取人站着或坐着时手握WLAN设备的平均高度)。如图6所示,601为车厢,602为干扰源。
步骤1.3:部署接收机,本实施例中,对AP进行空间部署评估,接收机用于模拟AP,接收机的辐射特性需要和实际CBTC系统中的AP的辐射特性一致。接收机天线采用喇叭天线,工作于2.4GHz,为定向天线,天线接收门限(receiverthreshold)设置为-250dBm,相邻接收机之间的距离为0.2m。接收机平面紧贴隧道壁,位于隧道顶部、隧道侧面和隧道底部;AP用来收集列车发送的状态信息、发送控制信号给列车,因此AP的最大辐射方向朝向列车。
由于AP可能部署于隧道顶部、隧道侧面以及隧道底部(轨道上方),如图7所示,其中,701代表接收机平面(包括隧道顶部、侧面和底部),702代表接收机。因此接收机的部署策略包括下面三种情况:
(1)对于隧道顶部的AP部署的评估,部署接收机平面于列车上方、隧道下方,与隧道顶部墙壁保持一定距离,接收机天线波束的最大辐射方向指向列车,即最大辐射方向朝下。
(2)对于隧道侧面的AP部署的评估,部署接收机平面于列车和隧道之间,与隧道侧面墙壁保持一定距离,接收机天线波束的最大辐射方向指向列车。
(3)对于隧道底部的AP部署的评估,部署接收机平面于列车下方、隧道上方,与隧道底部保持一定距离,接收机天线波束的最大辐射方向指向列车,即最大辐射方向朝上。
步骤1.1~步骤1.3为建模步骤,该步骤中,通常是建模单元10接受用户输入的参数,根据参数建立模型,在某些实施例中,也可以是建模单元10读取模型配置文件,以建立需要的模型。
步骤1.4:计算单元20根据接收机接收到发射机发送的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。
步骤1.5:结果后处理单元30根据叠加接收功率绘制叠加接收功率的分布图,并输出。
请参考图8a~8c,其中,图8a为接收机平面为隧道底部时叠加接收功率分布图,图8b为接收机平面为隧道顶部时叠加接收功率分布图,图8c为接收机平面为隧道侧面时叠加接收功率分布图。图8a~8c中,虚线框处为车厢位置。
图中,黑色表示接收信号较弱的位置,白色表示接收信号较强的位置。从图8a~8c中可以看出,对于隧道顶部,顶部中间区域(黑色位置)接收功率小,顶部周围区域(白色位置)接收功率大,这是由于信号只能通过透射和多次反射到达车厢顶部,车厢壁的遮挡、隧道的大小等导致发射信号很难通过多次反射到达车顶中部区域,故中部接收功率较小;对于隧道底部,底部中间区域接收功率小,底部周围区域接收功率大;对于隧道侧面,车门窗对应的位置接收功率明显较强,而车厢上下两侧接收功率较小,且上侧较下侧功率强些,这是因为发射天线高1.2m,车门窗距车厢底部1m,能量比较容易从门窗透射到达车厢侧面上侧位置,因而车厢侧面顶部位置的接收功率较大、屏蔽性能较差,若AP部署于此位置容易受到干扰。
通过上述评估,可根据叠加接收功率分布图,选择叠加接收功率最小的位置(黑色所示区域)作为AP的最优部署位置,而叠加功率最大的位置处(白色所示区域)要避免进行AP的部署。
实施例二
本实施例提供了一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估方法,用于确定MR的空间部署位置,其与实施例一的区别在于,在步骤1.3中部署接收机时,接收机用于模拟MR,接收机的辐射特性需要和实际CBTC系统中的MR的辐射特性一致。接收机天线采用喇叭天线,工作于2.4GHz,为定向天线,天线接收门限(receiver threshold)设置为-250dBm,相邻接收机之间的距离为0.2m。接收机平面紧贴车厢,位于列车首节车厢的前部、车厢的顶部和车厢的两侧;MR用来发送列车的状态信息、收集控制信号,因此MR的最大辐射方向朝向可部署AP的隧道壁。
由于MR可能部署于列车首节车厢的前部、车厢的顶部和车厢的两侧,如图9所示,其中,901代表接收机。因此接收机的部署策略包括下面三种情况:
(1)对于首节车厢前部的MR部署的评估,部署接收机平面于首节车厢的前部,位于车厢外部且紧贴车厢壁,接收机天线波束的最大辐射方向指向前方。
(2)对于车厢侧部的MR部署的评估,部署接收机平面于车厢的侧部,位于车厢外部且紧贴车厢壁,接收机天线波束的最大辐射方向指向侧面隧道壁。
(3)对于车厢顶部的MR部署的评估,部署接收机平面于车厢的顶部,位于车厢外部且紧贴车厢壁,接收机天线波束的最大辐射方向指向顶部隧道壁。
请参考图10a~10c,其中,图10a为接收机平面为车厢顶部时叠加接收功率分布图,图10b为接收机平面为车厢侧面时叠加接收功率分布图,图10c为接收机平面为车厢前部时叠加接收功率分布图。图10a~10c中,虚线框处为车厢位置。
图中,黑色表示接收信号较弱的位置,白色表示接收信号较强的位置。从图10a~10c中可以看出,对于车厢顶部,顶部中间区域接收功率小,顶部两边接收功率大;对于车厢侧面,车门窗对应的位置接收功率明显较强,而车厢上下两侧接收功率较小,且上部较下部功率强;对于车厢前面,车头所对应的区域接收功率相对于周边区域较小,车头前部中间偏下位置接收功率达到最小,车头前部边缘区域相对较高是由于车头为金属,电磁波无法穿透,经车窗透射和隧道壁反射到达车头前部边缘位置的能量相对较多,而车头前部中心位置反射射线难以到达,能量较少。
通过上述评估,可根据叠加接收功率分布图,选择叠加接收功率最小(黑色所示区域)的位置作为MR的最优部署位置,而叠加功率较大位置处(白色所示区域)需要避免部署MR。
本领域技术人员可以理解,上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘等。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明,不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估系统,其特征在于,包括:
建模单元,用于建立CBTC系统的列车车厢和隧道模型;在车厢内部署若干发射机,用于模拟干扰源;确定接收机部署策略,并根据所述部署策略在相应平面上部署若干接收机,用于接收发射机发送的信号;
计算单元,用于根据接收机接收到的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,还包括结果后处理单元,用于根据所述叠加接收功率绘制叠加接收功率的分布图。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述接收机用于模拟无线接入点,所述接收机平面包括隧道的顶部、底部和两侧;或者,所述接收机用于模拟车载移动天线,所述接收机平面包括列车首节车厢的前部、车厢的顶部和车厢的两侧。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,当对无线接入点进行空间部署评估时,接收机天线波束的最大辐射方向指向列车;当对车载天线进行空间部署评估时,接收机天线波束的最大辐射方向背向列车。
5.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述发射机和接收机的工作频率为2.4GHz。
6.一种提升CBTC抗干扰性能的空间部署评估方法,其特征在于,包括:
建立CBTC系统的列车车厢和隧道模型;
在车厢内部署若干发射机,用于模拟干扰源;
确定接收机部署策略,并根据所述部署策略在相应平面上部署若干接收机,用于接收发射机发送的信号;
根据接收机接收到的信号,计算所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,还包括根据所有发射机在每个接收机处的叠加接收功率绘制叠加接收功率的分布图。
8.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述接收机用于模拟无线接入点,所述接收机平面包括隧道的顶部、底部和两侧;或者,所述接收机用于模拟车载移动天线,所述接收机平面包括列车首节车厢的前部、车厢的顶部和车厢的两侧。
9.如权利要求6所述的方法,其特征在于,当对无线接入点进行空间部署评估时,接收机天线波束的最大辐射方向指向列车;当对车载天线进行空间部署评估时,接收机天线波束的最大辐射方向背向列车。
10.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述发射机和接收机的工作频率为2.4GHz。
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