CN111726184B - 用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统，属于磁浮交通通信领域。采用两层圆筒状开缝外壳，两层外壳之间放置扇形可转动金属挡板，金属挡板外接电动机和减速器，电动机和减速器通过控制计算机串口通信，发送指令以匀速转动、变速转动和停止转动，转动过程中挡板会遮挡开缝，对信号进行周期性的遮挡，形成圆筒内与圆通外可以变化的无线通信信道，模拟列车运行时收发天线间被轨枕遮挡的情况，来模拟磁浮交通跨越钢枕时运行时的无线信道的变化，在实验室仿真测试磁浮交通多业务通信系统中各种业务传输的可靠性和质量，通过改变无线信道仪信号传输方式和测量方法，以达到仿真目的。

Description

用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统
技术领域
本发明涉及一种用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统，属于磁浮交通通信领域。
背景技术
磁浮交通采用无线通信系统承载CBTC(Communication Based Train Control,基于通信的列车控制)、列车运行状态监测的数据业务，或同时承载无线列车调度、CCTV(Closed-Circuit Television,闭路电视监控系统)、PIS(Passenger InformationSystem,乘客信息系统)、紧急文本等其他业务。为了保障车地通信的稳定性和质量，需要对车地通信无线信道进行测量，确定列车在运行时系统上下行链路的传输时延、丢包率和吞吐量。
在中低速磁浮无线通信系统中，地面设备通过漏泄电缆收发无线信号，漏缆铺设于磁悬浮轨道两导轨中间的轨枕下方，辐射开口方向向上；车载天线位于列车车头底部，辐射方向向下，与地面漏缆互为收发天线。这种铺设方式的优点是收发天线距离近且恒定，对信号收发功率的控制更加精确。但由于磁悬浮轨枕的材质为钢材，无线信号无法穿透，在列车运行时，车载天线有时会跨越钢枕，信号主径会被遮挡，因此接收信号功率会有明显的衰减，随着列车的运行，轨枕会对信号进行近似周期性的遮挡，而使无线信号在磁浮通信中出现近似周期性的衰减波动。为了研究此系统通信特性对磁浮通信业务的影响，需要对车地无线信道进行测量。
但由于磁浮无线通信系统过于庞大，在实验线上测试条件有限，不能完全达到测试目的，于是需要一个测量仪器和方法，以满足在实验室中进行模拟测试。
目前，实验室内所采用的测试方法是使用一种程控衰减的无线信道仿真仪，来模拟车地通信无线信道。现有的仪器和方法主要针对的是传统磁浮交通通信系统，在这些系统中，天线或漏泄电缆铺设在轨旁和列车上，由于收发天线间一般情况下没有突变的遮挡物，信号在无线信道中传输时信号衰减较为平滑，程控无线信道仿真仪就是针对这种特点设计的，其仿真方法是根据收发天线的距离和电磁波无线信道衰减模型通过数学方法计算信号的理论衰减，或通过实测数据以1米为间隔取值，将收发天线间距不同距离时的信号衰减值导入信道仪上位机控制程序，然后通过程序计算收发天线间距，以获取当时的信道衰减。信道仪信号的实际衰减通过信道仪内部的程控衰减矩阵实现。但是由于仿真模式和程控机硬件限制，这种仪器和方法不能完全适用于上文所述的中低速磁浮通信系统。在中低速磁浮系统中漏泄电缆的铺设方式与传统磁浮交通不同，由于轨枕的遮挡而产生无线信号衰减的波动利用传统的程控衰减信道仪不能完整的模拟。
为了在实验室研究这种信道衰减的波动对无线系统上下行链路的传输时延、丢包率和吞吐量的影响，因此发明一种能够使信号被周期性遮挡而模拟中低速磁悬浮无线系统的信道仿真系统是非常必要的。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统，确保符合中低速磁悬浮无线系统测试场景，在实验室仿真测试磁浮交通多业务通信系统中各种业务传输的可靠性和质量，通过改变无线信道仪信号传输方式和测量方法，以达到仿真目的。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下方面构思：
本发明需有以下假设：
1.中低速磁悬浮中采用无线通信技术实现多业务的承载。
2.无线系统使用漏泄电缆作为地面天线。
3.无线系统地面漏泄电缆铺设于两导轨中轨枕下方，车载天线位于列车车头底部。
本发明对信道仪硬件结构重新设计，以无线信号的实际传输代替程序计算和程控衰减器模拟，对信号进行周期性的遮挡，以达到模拟列车运行时车载天线跨越轨枕的情况的目的。
本发明用于模拟中低速磁悬浮种的无线系统，该系统包括设备如下：
系统线路中心CBTC主机、核心网交换机、核心网、基站、车载终端、车载交换机、车载CBTC设备。其通信方式及特征为：车载设备通过车载天线收发无线信号，地面设备通过地面漏泄电缆收发无线信号；在列车运行时，收发天线之间会被轨枕遮挡，而使无线信号传播损耗出现波动。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统,包括两层圆筒状开缝外壳，所述两层外壳之间放置一个扇形可转动金属挡板，所述金属挡板外接电动机和减速器，电动机和减速器通过控制计算机串口通信，发送指令以匀速转动、变速转动和停止转动，转动过程中挡板会遮挡两层外壳的开缝，形成圆筒内与圆筒外可变化的无线通信信道；发射天线置于仪器圆筒内部，辐射方向对准开缝向外，用射频线与外置的信号发射机相连构成信号发射端；接收天线置于圆筒的所述两层外壳外，辐射方向对准开缝和发射天线，用射频线与外置的信号接收机相连，构成信号接受端，以此搭建测试系统。
优选地，所述控制计算机控制电机与减速器带动挡板匀速转动、变速转动和停止转动，对信号进行周期性的遮挡，形成圆筒内与圆通外可以变化的无线通信信道。
优选地，所述金属挡板在转动时，发射天线和接收天线之间就会被挡板遮挡，并随着金属挡板的转动信号会被不同程度的遮挡，此场景模拟了车载天线跨越钢枕的过程；当金属挡板因转动远离开缝位于其他位置时，收发天线间没有遮挡，此场景模拟了车载天线位于轨道上两个钢枕之间运行时的场景；以上两个场景随着钢枕的周期性转动，完整的模拟了磁悬浮列车在轨道上运行时车载天线位于不同位置时的情况；除此之外，改变金属挡板的转速可模拟列车不同速度或不同加速度运行时的情况，转速越快则金属挡板经过开缝的时间越短，也即列车运行速度越快，车载天线跨越钢枕的速度越快，反之亦然；或不同转速下可模拟轨道上不同钢枕间距的情况；具体功能可根据实际需求调制。
优选地，模拟不同尺寸大小的钢枕在测试场景中的应用，可调整开缝大小的功能；调整时转动把手，可使内壳转动，使之与外壳交错，而使开缝大小改变；开缝尺寸的改变会影响信号馈出的占空比，占空比即在金属挡板运转周期内信号能馈出的时间相对于该周期总时间所占比例；仿真实验中信号占空比根据钢枕宽度所占两钢枕间距的比例所得，对不同规格轨道调整信号占空比时，只需调整开缝大小，使之达到相关要求即可；开缝越小，信号占空比越小，所模拟钢枕越宽；开缝越大，信号占空比越大，所模拟钢枕越窄。
优选地，金属挡板越过开缝时，发射天线和接收天线之间就会被金属挡板遮挡，并随着金属挡板的转动信号会被不同程度的遮挡，此场景模拟了车载天线跨越钢枕的过程；当金属挡板因转动远离开缝位于其他位置时，收发天线间没有遮挡，此场景模拟了车载天线位于轨道上两个钢枕之间运行时的场景。以上两个场景随着钢枕的周期性转动，完整的模拟了磁悬浮列车在轨道上运行时车载天线位于不同位置时的情况。除此之外，改变金属挡板的转速可模拟列车不同速度或不同加速度运行时的情况，转速越快则金属挡板经过开缝的时间越短，也即列车运行速度越快，车载天线跨越钢枕的速度越快，反之亦然；或不同转速下可模拟轨道上不同钢枕间距的情况。具体功能可根据实际需求调制。
优选地，另外，为了应对不同规格的轨道情况，模拟不同尺寸大小的钢枕在测试场景中的应用，本设计加入了可以调整开缝大小的功能。调整时转动把手，可使内壳转动，使之与外壳交错，而使开缝大小改变。开缝尺寸的改变会影响信号馈出的占空比，占空比即在金属挡板运转周期内信号能馈出的时间相对于该周期总时间所占比例。设占空比为
Figure GDA0003122200080000031
则有以下计算方法
Figure GDA0003122200080000041
其中：L为所模拟轨道中两根钢枕的间距,l为钢枕的宽度，τ1为金属挡板宽度占圆周长的比例，τ2为开缝宽度占圆周长的比例；τ1＞τ2＞0。
由式(1)可知，信号占空比根据钢枕宽度所占两钢枕间距的比例所得，用本设计针对不同规格轨道调整信号占空比时，只需调整开缝大小，使之满足式(1)中等式即可。开缝越小，信号占空比越小，所模拟钢枕越宽；开缝越大，信号占空比越大，所模拟钢枕越窄。
仿真实验时，转动把手调整开缝大小；将发射天线置于仪器内部，辐射方向对准开缝向外，用射频线与信号发射机相连做信号发射端；将接收天线置于仪器外，辐射方向对准开缝和发射天线，用射频线与信号接收机相连，做信号接受端；使用控制计算机控制电机与减速器带动挡板匀速转动、变速转动和停止转动，以达实验目的。
其中速度控制计算机程序流程图如图2所示。输入电机转动的起始速度vo，最高速度VM，最低速度Vm，系统运行最大时间Tm以及加速度a，初始化当前时间标志ts＝0，加速时间t＝1；然后根据速度计算公式：
v＝v0+a×t (2)
计算得到当前速度v并通过控制计算机串口发送给电机和减速器，以控制电机当前转速，并使当前时间标志ts增加1。当当前转速达到所设置的最大转速VM或最小转速Vm，程序将加速度取反，使其由加速变为减速或由减速变为加速，直到当前时间标志ts达到程序运行最大时间Tm，使速度v＝0，以停止电机转动。
与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出性特点和显著技术进步:
在现有的实验室仿真设备中缺少准确有效的设备模拟中低速磁悬浮无线系统实测场景。本发明解决了现有设备硬件及测试方法上的缺陷，可有效模拟中低速磁悬浮无线系统实测场景，从而能更准确的测试与评估无线系统的实用性。
附图说明
图1是本发明的硬件设计图。
图2是本发明的控制变速程序流程图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图2，一种用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统,包括两层圆筒状开缝外壳2、4，所述两层外壳2、4之间放置一个扇形可转动金属挡板3，所述金属挡板3外接电动机和减速器1，电动机和减速器1通过控制计算机11串口通信，发送指令以匀速转动、变速转动和停止转动，转动过程中挡板3会遮挡两层外壳2、4的开缝，形成圆筒内与圆筒外可变化的无线通信信道；发射天线5置于仪器圆筒内部，辐射方向对准开缝向外，用射频线9与外置的信号发射机7相连构成信号发射端；接收天线6置于圆筒的所述两层外壳2、4外，辐射方向对准开缝和发射天线5，用射频线10与外置的信号接收机8相连，构成信号接受端，以此搭建测试系统。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述控制计算机11控制电机与减速器1带动挡板3匀速转动、变速转动和停止转动，对信号进行周期性的遮挡，形成圆筒内与圆通外可以变化的无线通信信道。
所述金属挡板3在转动时，发射天线5和接收天线6之间就会被挡板3遮挡，并随着金属挡板3的转动信号会被不同程度的遮挡，此场景模拟了车载天线跨越钢枕的过程；当金属挡板3因转动远离开缝12位于其他位置时，收发天线间没有遮挡，此场景模拟了车载天线位于轨道上两个钢枕之间运行时的场景；以上两个场景随着钢枕的周期性转动，完整的模拟了磁悬浮列车在轨道上运行时车载天线位于不同位置时的情况；除此之外，改变金属挡板3的转速可模拟列车不同速度或不同加速度运行时的情况，转速越快则金属挡板3经过开缝的时间越短，也即列车运行速度越快，车载天线跨越钢枕的速度越快，反之亦然；或不同转速下可模拟轨道上不同钢枕间距的情况；具体功能可根据实际需求调制。
模拟不同尺寸大小的钢枕在测试场景中的应用，可调整开缝大小的功能；调整时转动把手13，可使内壳4转动，使之与外壳2交错，而使开缝大小改变；开缝尺寸的改变会影响信号馈出的占空比，占空比即在金属挡板3运转周期内信号能馈出的时间相对于该周期总时间所占比例；仿真实验中信号占空比根据钢枕宽度所占两钢枕间距的比例所得，对不同规格轨道调整信号占空比时，只需调整开缝大小，使之达到相关要求即可；开缝越小，信号占空比越小，所模拟钢枕越宽；开缝越大，信号占空比越大，所模拟钢枕越窄。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，模拟钢枕距离固定或列车匀速运行时的测试。如图1所示，将发射天线如图置于仪器内，用射频线连接信号发射器，发射固定带宽信号，由置于仪器外的接收天线接收，并用射频线连接到频谱分析仪。控制计算机运行如图2所示程序，输入初始速度如5转/s)，输入加速度0，程序运行时间100秒，经此程序运算控制电机将以5转每秒的速度带动挡板匀速转动100秒。在运行的时间内，挡板匀速转动，挡板周期性越过开缝模拟了车载天线跟随列车的运行跨越轨道上每一根钢枕的情况，当挡板处于其他位置时模拟了车载天线位于两钢枕之间的情况；或根据设置挡板不同的转速，来模拟不同规格的轨道上不同钢枕间距的情况。综上此实施例可模拟测量列车匀速运行或模拟钢枕距离固定时的情况。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，模拟列车变速运行时的测试。设备连接方式与实施例一相同。不同的是，在控制程序中输入初始速度如5转/s，输入加速度如1，最大速度10转/s，最小速度1转/s,程序运行时间100秒，则可以使电机带动挡板先以5转每秒的起始速度转动，后其转速以1转每秒的速度递加，当达到最大速度10转每秒的速度时，电机转速开始以1转每秒的速度递减至最小速度1转每秒，直到达到最大运行时间。这样挡板将每次都以不同的转速越过开缝和到达开缝位置，则可模拟列车变速运行时的状态，此状态车载天线每一时刻都以不同的速度跨越钢枕或在两根钢枕间运行。
实施例五：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，在以上两个实施例的基础上，若要模拟不同轨道规格下钢枕宽度不同的情况，可转动把手13，调整开缝大小，设置不同的占空比。信号占空比根据钢枕宽度所占两钢枕间距的比例所得，然后调整开缝大小，使之满足式(1)中等式即可。开缝越小，信号占空比越小，所模拟钢枕越宽；开缝越大，信号占空比越大，所模拟钢枕越窄。
综上所述，本发明用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统，属于磁浮交通通信领域。采用两层圆筒状开缝外壳2、4，两层外壳之间放置扇形可转动金属挡板3，金属挡板外接电动机和减速器1，电动机和减速器1通过控制计算机11串口通信，发送指令以匀速转动、变速转动和停止转动，转动过程中挡板3会遮挡开缝，对信号进行周期性的遮挡，形成圆筒内与圆通外可以变化的无线通信信道，模拟列车运行时收发天线间被轨枕遮挡的情况，来模拟磁浮交通跨越钢枕时运行时的无线信道的变化。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统,包括两层圆筒状开缝外壳(2)和内壳(4)，其特征在于：所述外壳(2)和内壳(4)之间放置一个扇形可转动金属挡板(3)，所述金属挡板(3)外接电动机和减速器(1)，电动机和减速器(1)通过控制计算机(11)串口通信，发送指令以匀速转动、变速转动和停止转动，转动过程中金属挡板(3)会遮挡外壳(2)和内壳(4)的开缝，形成圆筒内与圆筒外可变化的无线通信信道；发射天线(5)置于仪器圆筒内部，辐射方向对准开缝向外，用射频线(9)与外置的信号发射机(7)相连构成信号发射端；接收天线(6)置于圆筒的所述外壳(2)和内壳(4)外，辐射方向对准开缝和发射天线(5)，用射频线(10)与外置的信号接收机(8)相连，构成信号接受端，以此搭建测试系统；模拟不同尺寸大小的钢枕在测试场景中的应用，可调整开缝大小的功能；调整时转动把手(13)，可使内壳(4)转动，使之与外壳(2)交错，而使开缝大小改变；开缝尺寸的改变会影响信号馈出的占空比，占空比即在金属挡板(3)运转周期内信号能馈出的时间相对于该周期总时间所占比例；仿真实验中信号占空比根据钢枕宽度所占两钢枕间距的比例所得，对不同规格轨道调整信号占空比时，只需调整开缝大小，使之达到相关要求即可；开缝越小，信号占空比越小，所模拟钢枕越宽；开缝越大，信号占空比越大，所模拟钢枕越窄。
2.根据权利要求1所述用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统，其特征在于：所述控制计算机(11)控制电机与减速器(1)带动金属挡板(3)匀速转动、变速转动和停止转动，对信号进行周期性的遮挡，形成圆筒内与圆筒外可以变化的无线通信信道。
3.根据权利要求2所述用于磁浮交通跨越钢枕的无线通信性能测试信道仿真系统，其特征在于：所述金属挡板(3)在转动时，发射天线(5)和接收天线(6)之间就会被金属挡板(3)遮挡，并随着金属挡板(3)的转动信号会被不同程度的遮挡，此场景模拟了车载天线跨越钢枕的过程；当金属挡板(3)因转动远离开缝(12)位于其他位置时，收发天线间没有遮挡，此场景模拟了车载天线位于轨道上两个钢枕之间运行时的场景；以上两个场景随着钢枕的周期性转动，完整的模拟了磁悬浮列车在轨道上运行时车载天线位于不同位置时的情况；除此之外，改变金属挡板(3)的转速可模拟列车不同速度或不同加速度运行时的情况，转速越快则金属挡板(3)经过开缝的时间越短，也即列车运行速度越快，车载天线跨越钢枕的速度越快，反之亦然；或不同转速下可模拟轨道上不同钢枕间距的情况；具体功能可根据实际需求调制。
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