CN111225360B - 窄带无线通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于轨道交通技术领域，公开了一种窄带无线通信系统及方法，窄带无线通信系统用于车载设备与地面设备之间进行通信，窄带无线通信系统包括：应用层、安全层、数据链路层及物理层，应用层接收或输出车载设备与地面设备之间进行交互的通信数据；安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全；数据链路层提供通信数据的处理以及输出；物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号。本发明在高可靠基础上，可以提高系统的传输速率，且带外抑制比高。

Description

窄带无线通信系统及方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，特别涉及一种窄带高可靠无线通信系统及方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展和各个领域对通信质量的需求不断增加，通信系统的可靠性成为工程设计的关键。在各种应用场景中，铁路信号传输等工业控制领域的可靠性和安全性尤为重要。常见的无线通信系统，包括移动通信技术如GSM、CDMA、LTE等制式，以及工作于超短波段的对讲机通信、无线数传电台等点对点或集群技术，其主要面向人员手持终端、汽车终端的音视频传输，适应于低速运动场景，在终端高速运动的情况下数据传输的速率和可靠性均大幅下降，不能满足铁路通信系统在列车高速运行状态下数据传输的需求。
高速铁路的不断发展，给社会和人们带来了巨大的经济效益和更高效更安全的出行方式。对于高速移动物体的数据高速可靠地传输一直是移动通信的一大难题，物体高速移动情况下，随着速度的增加，造成的多普勒频移越严重，严重影响系统的接收和解调，而且窄带通信中，多普勒频移所造成的信息丢失相比宽带更严重。
高传输速率与高可靠又是一对逆命题，通常实现高可靠的方式是牺牲一部分传输速率，用于进行信道冗余编码，通过提高传输冗余度抵御一定的传输误码。传输冗余度越高，牺牲的传输速率越多，可靠性越高。
目前常见的移动通信技术有适用于运营级别的GSM、IMT-2000（WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA）、LTE技术，以及工作于超短波段的对讲机通信、无线数传电台等点对点或集群技术。已有的通信制式不能在移动终端高速运动的情况下，高速稳定地传输数据。
在数据传输速率方面对比各通信技术下行速率，考虑终端静止的情况下，GSM的全速率为13kbps，由于主要是实现语音业务，可靠性要求较低，误码率低于2%即可；第三代移动通信系统（3G），在语音的技术上实现了多媒体业务，一方面它属于宽带数据业务，不适用于铁路窄带通信，另一方面，它的频谱利用率较低；LTE是GSM/UMTS标准的升级，已实现的下行速率21Mbps，20MHz下频谱利用率低仅为1.05bit/s/Hz，LTE-A能实现下行1Gbps的速率和高频谱利用率，但是LTE 和LTE-A的关注点在用户的覆盖率上，采用多点协作传输、MIMO和中继技术，提高小区的覆盖率，技术实现复杂。上述通信技术特点是系统组成包括核心网、基站设施、通信终端等，并且采用较为复杂的通信协议及通信流程，因架构复杂性、成本原因、所需频带较宽等原因不适用于本发明所述窄带高可靠通信场景。
目前，已应用在高速铁路的GSM-R（R表示Rail）通信系统，是GSM通信制式的升级，其基础系统架构与GSM系统一致，工作在900MHz频点，采用频分复用且相邻频带间隔为200KHz。而铁路通信专网目前在400MHz频段附近可考虑分配12.5kHz带宽实现窄带通信系统，但目前在该频段带宽上没有满足铁路应用需求的可兼顾高传输速率、高可靠、高移动性的无线通信系统。
综上，现有通信制式由于适用范围和技术要求的不同，不能满足铁路窄带高可靠无线传输的通信要求，需要设计一种新的窄带高可靠无线通信系统及方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种窄带无线通信系统，其中，用于车载设备与地面设备之间进行通信，所述窄带无线通信系统包括：
应用层，接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据；
安全层，采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全；
数据链路层，提供通信数据的处理以及输出；
物理层，在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号。
上述的窄带无线通信系统，其中，所述应用层为地面应用层或车载应用层，所述地面应用层用以接收所述地面设备输出的通信数据，所述车载应用层向车载设备输出通信数据。
上述的窄带无线通信系统，其中，所述安全层接收所述地面应用层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述数据链路层；或，所述安全层接收所述数据链路层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述车载应用层。
上述的窄带无线通信系统，其中，其特征在于，所述数据链路层接收所述安全层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述物理层；或，所述数据链路层接收所述物理层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述安全层。
上述的窄带无线通信系统，其中，所述数据链路层包括第一处理单元、第二处理单元及第三处理单元：
所述第一处理单元接收所述安全层输出的通信数据，所述第一处理单元将通信数据拆分为多个小包后，再输出至所述第二处理单元；
所述第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码以及采用100%编码开销后，再输出至所述第三处理单元；
所述第三处理单元为每一经所述第二处理单元处理的小包添加包头后，再输出至所述物理层；
或；
所述第三处理单元接收所述物理层输出的多个小包，所述第三处理单元去除每一小包的包头后，再输出至所述第二处理单元；
所述第二处理单元对多个小包进行解码以及采用100%编码开销后，再输出至所述第一处理单元；
所述第一处理单元将多个小包合并成通信数据后，再输出至所述安全层。
上述的窄带无线通信系统，其中，所述物理层包括比特级处理单元及符号级处理单元：
所述比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述符号级处理单元；
所述符号级处理单元对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出；
或，
所述符号级处理单元将接收到的基带信号经符号级反处理后生成多个小包输出至所述比特级处理单元；
所述比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元。
上述的窄带无线通信系统，其中，所述比特级处理单元包括加解扰模块、编译码模块以及速率匹配模块：
所述加解扰模块对所述第三处理单元输出的每一小包进行加扰处理后，再输出至所述编译码模块；
所述编译码模块对所述加解扰模块输出的每一小包进行编码后，再输出至所述速率匹配模块；
所述速率匹配模块对所述编译码模块输出的每一小包进行速率匹配后，再输出至所述符号级处理单元；
或；
所述速率匹配模块对所述符号级处理单元输出的每一小包进行解速率匹配后，再输出至所述编译码模块；
所述编译码模块对所述速率匹配模块输出的每一小包进行译码后，再输出至所述加解扰模块；
所述加解扰模块对所述编译码模块输出的每一小包进行解扰后，再输出至所述第三处理单元。
上述的窄带无线通信系统，其中，所述第二处理单元采用喷泉码对多个小包进行前向纠错编码。
上述的窄带无线通信系统，其中，所述符号级处理单元采用16QAM或16PSK进行调制。
本发明还提供一种窄带无线通信方法，其中，用于车载设备与地面设备之间进行通信，所述窄带无线通信方法包括：
通过应用层接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据；
通过安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全；
通过数据链路层对通信数据进行处理以及输出；
通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号。
上述的窄带无线通信方法，其中，所述应用层为地面应用层或车载应用层，于所述通过应用层接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据的步骤中包括：
通过所述地面应用层用以接收所述地面设备输出的通信数据，通过所述车载应用层向车载设备输出通信数据。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全的步骤中包括：
通过所述安全层接收所述地面应用层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述数据链路层；
通过所述安全层接收所述数据链路层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述车载应用层。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过数据链路层对通信数据进行处理以及输出的步骤中包括：
通过所述数据链路层接收所述安全层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述物理层；
通过所述数据链路层接收所述物理层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述安全层。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过所述数据链路层输出至所述物理层的步骤中包括：
通过第一处理单元接收所述安全层输出的通信数据，所述第一处理单元将通信数据拆分为多个小包；
通过第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码以及采用100%编码开销；
通过第三处理单元为每一经所述第二处理单元处理的小包添加包头后，再输出至所述物理层。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过所述数据链路层输出至所述安全层的步骤中包括：
通过第三处理单元接收所述物理层输出的多个小包，所述第三处理单元去除每一小包的包头；
通过第二处理单元对多个小包进行解码以及采用100%编码开销；
通过第一处理单元将多个小包合并成通信数据后，再输出至所述安全层。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号的步骤中包括：
通过比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理；
通过符号级处理单元对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号的步骤中包括：
通过符号级处理单元将接收到的基带信号经符号级反处理后生成多个小包；
通过比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理的步骤中包括：
通过加解扰模块对所述第三处理单元输出的每一小包进行加扰处理；
通过编译码模块对所述加解扰模块输出的每一小包进行编码；
通过速率匹配模块对所述编译码模块输出的每一小包进行速率匹配后，再输出至所述符号级处理单元。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元的步骤中包括：
通过速率匹配模块对所述符号级处理单元输出的每一小包进行解速率匹配；
通过编译码模块对所述速率匹配模块输出的每一小包进行译码；
通过加解扰模块对所述编译码模块输出的每一小包进行解扰后，再输出至所述第三处理单元。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过所述第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码的步骤中，所述第二处理单元采用喷泉码对多个小包进行前向纠错编码。
上述的窄带无线通信方法，其中，于通过符号级处理单元对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出的步骤中，所述符号级处理单元采用16QAM或16PSK进行调制。
本发明与传统广播通信相比，增加了L2的数据处理部分，对数据块拆分处理，采用了具有前向纠错能力的喷泉码，提高了系统的可靠性；在加扰和CRC处理转移到物理层，接收端在进行CRC校验后，判断出接受信息的准确与否，若错误即直接丢弃，使得数据不需再经过数据链路层的处理，缩短了数据处理时间，提高了接收效率通过合理设计每个帧承载的包数，使得每个时隙均有一个对应的CRC，对于接收端而言，增强对每一个时隙的正确性校验，有效的提高了系统的可靠性；在高可靠基础上，系统可以实现高传输速率，且带外抑制比高。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明窄带无线通信系统的功能分层结构示意图；
图2为本发明窄带无线通信系统的应用结构示意图；
图3为本发明符号级处理的流程图；
图4为物理帧和时隙结构图。
其中，附图标记为；
窄带无线通信系统：1、2
地面应用层：11
车载应用层：21
安全层：12、22
数据链路层：13、23
第一处理单元：131、231
第二处理单元：132、232
第三处理单元：133、233
物理层：14、24
比特级处理单元：141、241
加解扰模块：1411、2411
编译码模块：1412、2412
速率匹配模块：1413、2413
符号级处理单元：142、242。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”。
请参照图1，图1为本发明窄带无线通信系统的功能分层结构示意图。如图1所示，本发明窄带无线通信系统，用于车载设备与地面设备之间进行的广播通信，所述窄带无线通信系统包括：应用层、安全层、数据链路层及物理层；应用层接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据；安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全；数据链路层提供通信数据的处理以及输出；物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号。
具体地说，本发明的无线通信系统用以实现如下目标：1、仅考虑单站覆盖，无漫游切换要求；2、采用窄带通信频带（12.5kHz），传输比特率可达9.6kbps；3、给定信噪比6dB下，结合数据链路层和物理层，整个系统的系统失效率约为1e-9；4、信号邻道抑制低于-60dB；5、可工作于列车运行速度高至250km/h的场景。
由此，本发明在传统广播通信基础上引入数据链路层，无线通信系统分为4层，应用层、安全层、数据链路层、物理层，其中，应用层完成铁路通信系统的相关功能，如线路数据、临时限速信息等；安全层采用安全传输协议确保车地通信数据的信息安全以及负责车地通信数据的传输安全。数据链路层负责提供数据报文的透明、可靠传输，提供报文前向纠错能力；物理层负责在底层无线信道上传输比特流，对无线数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号。
需要说明的是，基于本发明的无线通信系统的结构，使得本发明的无线通信系统既可作为信号发送端，也可作为信号接收端。
请参照图2；图2为本发明窄带无线通信系统的应用结构示意图。如图2所示，以一具体实施例对本发明的窄带无线通信系统进行具体说明，在图2中示出了作为信号发送端的窄带无线通信系统1及作为信号接收端的窄带无线通信系统2，窄带无线通信系统1与窄带无线通信系统2的架构相同，其中在本实施例中，窄带无线通信系统1接收地面设备输出的通信数据后输出基带信号至窄带无线通信系统2，窄带无线通信系统2接收基带信号后输出通信数据至车载设备，但本发明并不以此为限，在其他实施例中，也可为窄带无线通信系统1接收车载设备输出的通信数据后输出基带信号至窄带无线通信系统2，窄带无线通信系统2接收基带信号后输出通信数据至地面设备。
具体地说，作为信号发送端的窄带无线通信系统1包括地面应用层11、安全层12、数据链路层13及物理层14，所述地面应用层11用以接收所述地面设备输出的通信数据，所述安全层12接收所述地面应用层11输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述数据链路层13，所述数据链路层13接收所述安全层12输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述物理层14，物理层14接收数据链路层13输出的通信数据后生成基带信号后输出；作为信号接收端的窄带无线通信系统2包括车载应用层21、安全层22、数据链路层23及物理层24；物理层24接收物理层14输出的基带信号后生成通信数据，再输出至数据链路层23，所述数据链路层23接收所述物理层24输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述安全层22，所述安全层22接收所述数据链路层23输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述车载应用层21，所述车载应用层21向车载设备输出通信数据。
进一步地，所述数据链路层13包括第一处理单元131、第二处理单元132及第三处理单元133；所述第一处理单元131接收所述安全层12输出的通信数据，所述第一处理单元131将通信数据拆分为多个小包后，再输出至所述第二处理单元132；所述第二处理单元132对多个小包进行前向纠错编码以及采用100%编码开销后，再输出至所述第三处理单元133；所述第三处理单元133为每一经所述第二处理单元132处理的小包添加包头后，再输出至所述物理层14。
具体地说，第一处理单元131首先将安全层12输入的通信数据（共N（Byte）的数据块）拆分成D个小包，其中每个包承载K（bit）；第二处理单元132采用喷泉码进行前向纠错编码，采用100%的编码开销，以保证数据链路层13编码有足够的冗余度来对数据链路层13丢包进行纠错，以较高的概率满足每一个接收端收到足够的信息，以便提高成功译码概率；第三处理单元133给每个小包添加S位包头，用于指明包序号；第三处理单元133将带有包头的M个包传输至物理层14。
需要说明的是，在本实施例中以采用Raptor编码或Raptor Q编码进行前向纠错编码为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。
所述数据链路层23包括第一处理单元231、第二处理单元232及第三处理单元233；所述第三处理单元233接收所述物理层24输出的多个小包，所述第三处理单元233去除每一小包的包头后，再输出至所述第二处理单元232；所述第二处理单元232对多个小包进行解码以及采用100%编码开销后，再输出至所述第一处理单元231；所述第一处理单元231将多个小包合并成通信数据后，再输出至所述安全层22。
再进一步地，所述物理层14包括比特级处理单元141及符号级处理单元142，所述比特级处理单元141对所述第三处理单元133输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述符号级处理单元142；所述符号级处理单元142对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出；所述物理层24包括比特级处理单元241及符号级处理单元242，所述符号级处理单元242将接收到的基带信号经符号级反处理后生成多个小包输出至所述比特级处理单元241；所述比特级处理单元241对所述符号级处理单元242输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元233。
其中，所述比特级处理单元141包括加解扰模块1411、编译码模块1412以及速率匹配模块1413：所述加解扰模块1411对所述第三处理单元133输出的每一小包进行加扰处理后，再输出至所述编译码模块1412；所述编译码模块1412对所述加解扰模块1411输出的每一小包进行编码后，再输出至所述速率匹配模块1413；所述速率匹配模块1413对所述编译码模块1412输出的每一小包进行速率匹配后，再输出至所述符号级处理单元142。
具体地说，在物理层14的比特级处理单元141进行如下处理：
加解扰模块1411先对每个小包的数据加扰，增大数据序列周期，减少交调对邻道的干扰，再对每个小包添加W位CRC（循环冗余校验码）；每个小包的序列经加扰和添加CRC校验码后，每个小包信息为（S+K+W）bit，M个包的总数据信息为M*（S+K+W）；编译码模块1412使用Turbo编码或LDPC编码进行信道编码；速率匹配模块1413对每一小包做速率匹配后输出至符号级处理单元142，从而完成比特级处理。
其中，所述比特级处理单元241包括加解扰模块2411、编译码模块2412以及速率匹配模块2413：所述速率匹配模块2413对所述符号级处理单元242输出的每一小包进行解速率匹配后，再输出至所述编译码模块2412；所述编译码模块2412对所述速率匹配模块2413输出的每一小包进行译码后，再输出至所述加解扰模块2411；所述加解扰模块2411对所述编译码模块2412输出的每一小包进行解扰后，再输出至所述第三处理单元233。
请参照图3及图4，图3为本发明符号级处理的流程图，图4为物理帧和时隙结构图。如图3及图4所示，所述符号级处理单元142进行符号级处理具体流程如下：
首先，符号级处理单元142对经过比特级处理后的数据，进行星座映射为符号，其中，在物理层14，M个包由P个物理帧承载，每个物理帧承载有效信息为M/P个包；每个帧由A个时隙组成，则总的数据信息由A*P个时隙承载。
需要说明的是，本发明采用16QAM（16 Quadrature Amplitude Modulation）或16PSK（16 Phase-shift Keying）星座映射，但本发明并不以此为限。
其次，对映射后符号按照A*P个时隙分组，每个分组数据中间插入相同的PN（Pseudo-Noise Code）码实现频偏精估计并形成时隙，帧结构和时隙结构如图4所示；
其中，物理帧包括如下字段内容：
AGC控制字段：AGC（Automatic Gain Controlling）控制序列，用于接收信号功率估计及接收机放大器的自动增益控制；
SYNC同步字段：同步（Synchronize）序列，用于信号捕获和定时、频偏初步估计；
数据帧字段：数据时隙及辅助信息组成的数据帧；
循环前缀（CP, Cyclic Prefix）、循环后缀（CS, Cyclic suffix）：用于对抗多径衰落引起的符号时延问题；
时隙T：数据帧内分为多个等长的时隙，它们有相同的结构；
PN码：时隙内携带PN码序列，用于瞬时信号功率估计、频偏精细估计；
负载D：时隙承载的物理层编码后的数据。
再次，A个时隙组成一个帧，为了降低码间干扰（ISI，Inter-SymbolInterference），每个数据帧前后填入循环前缀和循环后缀，并添加自动增益控制AGC序列和SYNC同步序列分别实现输出电平稳定和接收同步。调制后的数据信号分别与同步头和导频的调制信号共同形成突发。
又次，数据符号根据过采样率进行相位处理后可以实现符号旋转以形成16QAM或16PSK星座图并实现码元相位和采样速率匹配，再经滚降系数α=1的根升余弦成形滤波器形成基带信号；
最后，基带信号经16QAM或16PSK调制实现上变频和射频前端电路分别从各自的天线上发射到空中。
其中，本发明的调制采用16QAM或16PSK以提高传输速率。对每一个数据帧而言，设 定每个帧承载的时隙T为A个，每个时隙的负载D承载码块为B bit。Turbo码后的每帧共有A ×B bit，而每帧有效数据为数据链路层的数据与每个包的CRC之和，即可知Turbo码率为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，经Turbo交织后数据首先经过星座映射变为复数符号。对本发明而 言，Turbo编码后进行16QAM星座映射，每个帧A×B bit的编码输出映射成
Figure DEST_PATH_IMAGE002
符号，则对 于Turbo后的总数据，映射到P个帧的
Figure DEST_PATH_IMAGE003
个符号。
在本实施例中，本发明结合数据链路层13的喷泉码前向纠错技术和物理层的Turbo信道编码，考虑数据链路层13的译码开销，物理层的解调误码率，可以实现整个系统的失效率约为1e-9，实现了较高的传输可靠性。
作为接收端的所述符号级处理单元242将接收到的基带信号经对称的符号级反处理后生成多个小包输出至所述比特级处理单元241，在此就不再赘述了。
综上，本发明的作为信号发送端的窄带无线通信系统1根据地面设备通信数据输出基带信号至作为信号接收端的窄带无线通信系统2；信号接收端的窄带无线通信系统2进行对称的解调译码后，恢复原始通信数据输出至车载设备，以完成完整的通信链路。
本发明的窄带无线通信系统，在高频带利用率前提下，为了克服移动终端高速运动时产生的多普勒频移问题，实现地面对列车的高速可靠地远距离数据传输，同时还可以应用于对可靠性要求很高的应用领域中。系统采用广播的形式，引入数据链路层，采用喷泉码（Raptor Q）编码技术，增强数据的前向纠错能力，在物理层对数据进行Turbo编码后设计一种有效提高同步能力和频谱纠偏能力的组帧方式，并采用16QAM或16PSK高阶调制，经射频天线发射和接收端匹配接收，能够在12.5KHz频宽内实现数据率9.6kbps、失效率1e-9的高可靠无线数据传输。本发明的窄带无线通信系统处理流程，兼具高可靠、高频带利用率、高移动性，可适用于铁路车-地无线通信等场景，尤其是本发明在400MHz频段附近考虑分配12.5kHz带宽实现用于铁路通信专网领域的窄带通信系统。
本发明还提供一种窄带无线通信方法，用于车载设备与地面设备之间进行通信，所述窄带无线通信方法包括：
通过应用层接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据；
通过安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全；
通过数据链路层对通信数据进行处理以及输出；
通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号。
本发明的窄带无线通信方法既可以用于信号发送端，也可以适用于信号接收端，在本实施例中，地面设备作为信号发送端，车载设备作为信号接收端，但本发明并不以此为限，在其他实施例中，车载设备也可作为信号发送端，地面设备作为信号接收端。
请结合图2，具体说明本发明的窄带无线通信方法的信号发送及信号接收的工作方式。
其中，所述应用层为地面应用层或车载应用层，于所述通过应用层接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据的步骤中包括：
信号发送：通过所述地面应用层接收所述地面设备输出的通信数据；
信号接收：通过所述车载应用层向车载设备输出通信数据。
其中，于通过安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全的步骤中包括：
信号发送：通过所述安全层接收所述地面应用层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述数据链路层；
信号接收：通过所述安全层接收所述数据链路层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述车载应用层。
其中，于通过数据链路层对通信数据进行处理以及输出的步骤中包括：
信号发送：通过所述数据链路层接收所述安全层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述物理层；
信号接收：通过所述数据链路层接收所述物理层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述安全层。
其中，于通过所述数据链路层输出至所述物理层的步骤中包括：
通过第一处理单元接收所述安全层输出的通信数据，所述第一处理单元将通信数据拆分为多个小包；
通过所述第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码以及采用100%编码开销；
通过第三处理单元为每一经所述第二处理单元处理的小包添加包头后，再输出至所述物理层；
其中，于通过所述数据链路层输出至所述安全层的步骤中包括：
通过第三处理单元接收所述物理层输出的多个小包，所述第三处理单元去除每一小包的包头；
通过第二处理单元对多个小包进行解码以及采用100%编码开销；
通过第一处理单元将多个小包合并成通信数据后，再输出至所述安全层。
其中，于通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号的步骤中包括：
通过比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理；
通过符号级处理单元对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出。
其中，于通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号的步骤中包括：
通过符号级处理单元将接收到的基带信号经符号级反处理后生成多个小包；
通过比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元。
其中，于通过比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理的步骤中包括：
通过加解扰模块对所述第三处理单元输出的每一小包进行加扰处理；
通过编译码模块对所述加解扰模块输出的每一小包进行编码；
通过速率匹配模块对所述编译码模块输出的每一小包进行速率匹配后，再输出至所述符号级处理单元；
其中，于通过比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元的步骤中包括：
通过速率匹配模块对所述符号级处理单元输出的每一小包进行解速率匹配；
通过编译码模块对所述速率匹配模块输出的每一小包进行译码；
通过加解扰模块对所述编译码模块输出的每一小包进行解扰后，再输出至所述第三处理单元。
其中，于通过所述第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码的步骤中，所述第二处理单元采用喷泉码对多个小包进行前向纠错编码。
其中，于通过符号级处理单元生成基带信号的步骤中，所述符号级处理单元采用16QAM或16PSK进行调制。
综上所述，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明与传统广播通信相比，增加了L2的数据处理部分，对数据块拆分处理，采用了具有前向纠错能力的喷泉码，提高了系统的可靠性；
2、本发明在加扰和CRC处理转移到物理层，接收端在进行CRC校验后，判断出接受信息的准确与否，若错误即直接丢弃，使得数据不需再经过数据链路层的处理，缩短了数据处理时间，提高了接收效率；
3、本发明通过合理设计每个帧承载的包数，使得每个时隙均有一个对应的CRC，对于接收端而言，增强对每一个时隙的正确性校验，有效的提高了系统的可靠性；
4、在高可靠基础上，系统可以实现高传输速率，且带外抑制比高。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (17)

1.一种窄带无线通信系统，其特征在于，用于车载设备与地面设备之间进行通信，所述窄带无线通信系统包括：
应用层，接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据；
安全层，采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全；
数据链路层，提供通信数据的处理以及输出；
物理层，对每个数据小包的数据加扰，并对每个数据小包添加CRC，在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号；
其中，所述数据链路层接收所述安全层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述物理层；或，所述数据链路层接收所述物理层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述安全层；
所述数据链路层包括第一处理单元、第二处理单元及第三处理单元：
所述第一处理单元接收所述安全层输出的通信数据，所述第一处理单元将通信数据拆分为多个小包后，再输出至所述第二处理单元；
所述第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码以及采用100%编码开销后，再输出至所述第三处理单元；
所述第三处理单元为每一经所述第二处理单元处理的小包添加包头后，再输出至所述物理层；
或；
所述第三处理单元接收所述物理层输出的多个小包，所述第三处理单元去除每一小包的包头后，再输出至所述第二处理单元；
所述第二处理单元对多个小包进行解码以及采用100%编码开销后，再输出至所述第一处理单元；
所述第一处理单元将多个小包合并成通信数据后，再输出至所述安全层。
2.如权利要求1所述的窄带无线通信系统，其特征在于，所述应用层为地面应用层或车载应用层，所述地面应用层用以接收所述地面设备输出的通信数据，所述车载应用层向车载设备输出通信数据。
3.如权利要求2所述的窄带无线通信系统，其特征在于，所述安全层接收所述地面应用层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述数据链路层；或，所述安全层接收所述数据链路层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述车载应用层。
4.如权利要求3所述的窄带无线通信系统，其特征在于，所述物理层包括比特级处理单元及符号级处理单元：
所述比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述符号级处理单元；
所述符号级处理单元对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出；
或；
所述符号级处理单元将接收到的基带信号经符号级反处理后生成多个小包输出至所述比特级处理单元；
所述比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元。
5.如权利要求4所述的窄带无线通信系统，其特征在于，所述比特级处理单元包括加解扰模块、编译码模块以及速率匹配模块：
所述加解扰模块对所述第三处理单元输出的每一小包进行加扰处理后，再输出至所述编译码模块；
所述编译码模块对所述加解扰模块输出的每一小包进行编码后，再输出至所述速率匹配模块；
所述速率匹配模块对所述编译码模块输出的每一小包进行速率匹配后，再输出至所述符号级处理单元；
或；
所述速率匹配模块对所述符号级处理单元输出的每一小包进行解速率匹配后，再输出至所述编译码模块；
所述编译码模块对所述速率匹配模块输出的每一小包进行译码后，再输出至所述加解扰模块；
所述加解扰模块对所述编译码模块输出的每一小包进行解扰后，再输出至所述第三处理单元。
6.如权利要求3所述的窄带无线通信系统，其特征在于，所述第二处理单元采用喷泉码对多个小包进行前向纠错编码。
7.如权利要求4所述的窄带无线通信系统，其特征在于，所述符号级处理单元采用16QAM或16PSK进行调制。
8.一种窄带无线通信方法，其特征在于，用于车载设备与地面设备之间进行通信，所述窄带无线通信方法包括：
通过应用层接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据；
通过安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全；
通过数据链路层对通信数据进行处理以及输出；
通过物理层对每个数据小包的数据加扰，并对每个数据小包添加CRC，在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号；
其中，于通过数据链路层对通信数据进行处理以及输出的步骤中包括：
通过所述数据链路层接收所述安全层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述物理层；
通过所述数据链路层接收所述物理层输出的通信数据，再对通信数据进行处理后输出至所述安全层；
于通过所述数据链路层输出至所述物理层的步骤中包括：
通过第一处理单元接收所述安全层输出的通信数据，所述第一处理单元将通信数据拆分为多个小包；
通过第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码以及采用100%编码开销；
通过第三处理单元为每一经所述第二处理单元处理的小包添加包头后，再输出至所述物理层。
9.如权利要求8所述的窄带无线通信方法，其特征在于，所述应用层为地面应用层或车载应用层，于所述通过应用层接收或输出所述车载设备与所述地面设备之间进行交互的通信数据的步骤中包括：
通过所述地面应用层用以接收所述地面设备输出的通信数据，通过所述车载应用层向车载设备输出通信数据。
10.如权利要求9所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过安全层采用安全传输协议确保通信数据的信息安全以及通信数据的传输安全的步骤中包括：
通过所述安全层接收所述地面应用层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述数据链路层；
通过所述安全层接收所述数据链路层输出的通信数据，再通过安全通信协议对通信数据进行处理后输出至所述车载应用层。
11.如权利要求10所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过所述数据链路层输出至所述安全层的步骤中包括：
通过第三处理单元接收所述物理层输出的多个小包，所述第三处理单元去除每一小包的包头；
通过第二处理单元对多个小包进行解码以及采用100%编码开销；
通过第一处理单元将多个小包合并成通信数据后，再输出至所述安全层。
12.如权利要求10所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号的步骤中包括：
通过比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理；
通过符号级处理单元对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出。
13.如权利要求10所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过物理层在底层无线信道上传输比特流，对通信数据进行信源信道编解码、调制和解调、发送与接收信号的步骤中包括：
通过符号级处理单元将接收到的基带信号经符号级反处理后生成多个小包；
通过比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元。
14.如权利要求12所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过比特级处理单元对所述第三处理单元输出的多个小包进行比特级处理的步骤中包括：
通过加解扰模块对所述第三处理单元输出的每一小包进行加扰处理；
通过编译码模块对所述加解扰模块输出的每一小包进行编码；
通过速率匹配模块对所述编译码模块输出的每一小包进行速率匹配后，再输出至所述符号级处理单元。
15.如权利要求13所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过比特级处理单元对所述符号级处理单元输出的多个小包进行比特级处理后输出至所述第三处理单元的步骤中包括：
通过速率匹配模块对所述符号级处理单元输出的每一小包进行解速率匹配；
通过编译码模块对所述速率匹配模块输出的每一小包进行译码；
通过加解扰模块对所述编译码模块输出的每一小包进行解扰后，再输出至所述第三处理单元。
16.如权利要求10所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过所述第二处理单元对多个小包进行前向纠错编码的步骤中，所述第二处理单元采用喷泉码对多个小包进行前向纠错编码。
17.如权利要求12所述的窄带无线通信方法，其特征在于，于通过符号级处理单元对多个小包进行符号级处理生成基带信号后输出的步骤中，所述符号级处理单元采用16QAM或16PSK进行调制。
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