WO2019214162A1 - 用于列车的数字化车载无线扩频通信系统 - Google Patents

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WO2019214162A1
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Definitions

  • the present invention relates to the field of communications technologies, and in particular, to a digital in-vehicle wireless spread spectrum communication system for a train.
  • an embodiment of the present invention provides a digital in-vehicle wireless spread spectrum communication system for a train, including:
  • An in-vehicle control center an in-vehicle passive optical network, and a plurality of in-vehicle optical network communication nodes;
  • the in-vehicle passive optical network comprises an optical line terminal OLT and a plurality of optical network units ONU;
  • the in-vehicle control center sends a first control signal, so that the in-vehicle optical network communication node sends a first wireless spread spectrum communication signal;
  • the first wireless spread spectrum communication signal includes a spreading code of the in-vehicle optical network communication node;
  • the spreading code carries authentication information of the in-vehicle optical network communication node;
  • the in-vehicle optical network communication node is equally spaced, and the spacing l between two adjacent in-vehicle optical network communication nodes is a function of the spacing between two adjacent ground network nodes.
  • the in-vehicle control center parses the authentication information and the area code to obtain real-time location information and/or travel speed information of the train.
  • the in-vehicle optical network communication node specifically includes a spread spectrum communication transceiver and an antenna that access the ONU.
  • the first wireless spread spectrum communication signal sent by the last one of the in-vehicle optical network communication nodes includes a spreading code and instruction information; and the instruction information is instruction information for closing the ground network node.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a vehicle-ground auxiliary communication system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic structural diagram of a cursor-type mobile network vehicle-assisted communication system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a subdivision structure of a vehicle-mounted optical network communication node according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a communication process of a vehicle-ground auxiliary communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the digital in-vehicle wireless spread spectrum communication system for a train provided by the embodiment of the present invention includes: an in-vehicle control center 11 , an in-vehicle passive optical network 12 , and a plurality of in-vehicle optical network communication nodes 13 .
  • the in-vehicle passive optical network 12 includes an optical line terminal (OLT) and a plurality of optical network units (ONUs); each of the in-vehicle optical network communication nodes 13 accesses the in-vehicle passive optical network 12 through an ONU. And accessing the in-vehicle control center 11 through the OLT; each in-vehicle optical network communication node 13 has an authentication information; the in-vehicle optical network communication node 13 is sequentially disposed at the bottom of the train according to the traveling direction of the train, and the first is transmitted by the in-vehicle optical network communication node 13. The radiation direction of a wireless spread spectrum communication signal is perpendicular to the direction of travel of the train. Each of the in-vehicle optical network communication nodes 13 has an independent IP address.
  • the in-vehicle optical network communication node 13 includes a spread spectrum communication transceiver and an antenna.
  • the signal radiation direction of the antenna is perpendicular to the direction in which the train is moving and is perpendicular to the plane of the rail.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a vehicle-ground auxiliary communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the in-vehicle optical network communication node 13 of the digital in-vehicle wireless spread spectrum communication system 1 is equally spaced, the spacing between adjacent two in-vehicle optical network communication nodes 13 and the phase in the terrestrial wireless spread spectrum communication system 2
  • the spacing between adjacent two sets of ground network nodes 24 has a functional relationship.
  • the terrestrial wireless spread spectrum communication system 2 includes: a railway operation control center 21, a railway dedicated communication network 22, a ground passive optical network 23, and a plurality of terrestrial network node groups 24;
  • the ground passive optical network 23 includes an optical line terminal OLT and a plurality of Optical network unit ONU;
  • each terrestrial network node group 24 includes at least one terrestrial network node;
  • each terrestrial network node accesses the ground passive optical network 23 through an ONU, accesses the railway dedicated communication network 22 through the OLT, and is dedicated through the railway
  • the communication network 22 is connected to the railway operation control center 21; each terrestrial network node has an authentication information and an area code, wherein the authentication information may include an internet protocol IP address of the terrestrial network node, and the area code is used to indicate the location of the terrestrial network node information.
  • the ground network node includes a direct sequence spread spectrum communication transceiver and an antenna, and the signal radiation direction of the antenna is perpendicular to the plane of the rail.
  • a plurality of in-vehicle optical network communication nodes 13 are equally spaced, preferably disposed at a position behind each of the cars; and a plurality of ground network node groups 24 are also disposed between the two rails of the train track at equal intervals along the rails, preferably Set in the middle of the two rails.
  • each terrestrial network node group 24 includes only one terrestrial network node, that is, the structure of the vernier-type mobile network vehicle-assisted communication system shown in FIG. 3, and some of the parts are omitted in the figure. .
  • the difference between the in-vehicle optical network communication node 13_2 and the ground network node N+1 is [(n-1) ⁇ L]/n
  • the difference between the in-vehicle optical network communication node 13_3 and the terrestrial network node N+2 [(n-2) ⁇ L]/n is [(n-2) ⁇ L]/n
  • the vehicle optical network communication node 13_(n+1) and the ground network node N+n overlap again.
  • the number of spread spectrum communication transceivers and antennas included in each of the in-vehicle optical network communication nodes 13 can be set according to the positioning accuracy requirements of the train.
  • the first wireless spread spectrum communication signal may include a spreading code of the in-vehicle optical network communication node 13 , which is preset; the spreading code carries the authentication information of the in-vehicle optical network communication node 13 and the running state information of the train.
  • the ground network node is used to authenticate the information of the train, and the interaction of the train running state information is completed after the authentication.
  • one group of terrestrial network nodes includes at least one group of terrestrial network nodes 24, and each group of terrestrial network nodes 24 includes at least one terrestrial network node.
  • a plurality of terrestrial network node groups 24 in the direction of travel of the train can be activated simultaneously, and by such redundant activation, it is ensured that when the train is operating to the terrestrial network node group 24, it is in an active state for communication.
  • the group of terrestrial network nodes that receive the first activation command is switched from the off state to the listening state, and the onboard optical network communication node of the train issues a wireless spread spectrum communication signal for monitoring.
  • the first terrestrial network node in the first terrestrial network node group listens to the first radio spread spectrum communication signal, and can perform train information authentication according to the spreading code therein.
  • the spreading code when the transmitting end transmits information and the despreading when receiving the information by the receiving end use the spreading code.
  • the in-vehicle optical network communication node and the ground network node are the transmitting end and the receiving end.
  • the first terrestrial network node in the first terrestrial network node group serves as the receiving end, and the in-vehicle optical network communication node is the transmitting end.
  • These pseudo-random sequence spreading codes must be periodic sequences that are known to both the receiving and transmitting parties.
  • the receiving end cannot independently generate the sequence for despreading and cannot obtain information. Because this periodic binary sequence contains random features, it is unknown that the listener of its generation method is unrecognizable. If we give the train and the ground communication machine (that is, the in-vehicle optical network communication node and the ground network node) the same pseudo-sequence code (spreading code) in order to prevent the listener from detecting the content of the communication, and at the same time, the train is spread by the code. Separate from other trains, when the train communicates with the ground communication machine, the vehicle optical network communication node and the ground network node complete the identification of the communication partner (ground spread spectrum communication transceiver or train) at the instant of capturing the spreading code. This process only needs to be completed when the hardware of the transceiver is connected to the physical layer during communication. The time depends on the length of the spread spectrum chip and the ability of the hardware to capture the spread code.
  • the present invention adopts spread spectrum communication, and in the case of practical application under the IS95 standard (telecom CDMA mobile communication system), when the length of the spreading code is 64 bits long, the digital voice rate of normal communication is 9K or 13K, that is, stable capture.
  • a spreading code can be at least 9000 minutes or 13,000 minutes, which is 0.11 milliseconds or 0.077 milliseconds. This speed has been working reliably for high-speed rail speeds.
  • the coding structure of the signal consists of a first-digit spreading code plus a second-digit plain code.
  • the number of bits of the spreading code should be of sufficient length to meet security or form a sufficient number to identify different trains.
  • the length of the plain code is usually no more than one byte in length, and only needs to meet the needs of convenient hardware and software design and the number of instruction signals that need to be realized.
  • the digital in-vehicle wireless communication system for a train of the present invention realizes secure communication at a high speed by realizing user authentication at a physical layer.
  • the first terrestrial network node transmits the first wireless spread spectrum communication signal, the authentication information of the terrestrial network node group 24, and the area code to the railway operation control through the ground passive optical network 23 and the railway dedicated communication network 22.
  • Center 21 The use of a terrestrial passive optical network 23 and a railway-specific communication network 22 enables signal transmission with minimal delay.
  • the railway operation control center 21 can acquire the train information according to the first wireless spread spectrum communication signal, and can acquire the train status information, and can determine the current track and position information of the train according to the authentication information and the area code of the ground network node group 24.
  • the further railway operation control center 21 can also calculate the travel speed information of the train according to the real-time position information of the train.

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Abstract

本发明实施例涉及一种用于列车的数字化车载无线通信系统，包括：车载控制中心、车载无源光网络和多个车载光网络通信节点；车载无源光网络包括OLT和ONU；每个车载光网络通信节点通过一个ONU接入车载无源光网络，并通过OLT接入车载控制中心；车载控制中心发出第一控制信号，使得车载光网络通信节点发出第一无线扩频通信信号；第一无线扩频通信信号包括车载光网络通信节点的扩频码；扩频码携带有车载光网络通信节点的认证信息；车载光网络通信节点按照列车行驶方向依次设置于列车的底部，车载光网络通信节点发射的第一无线扩频通信信号的辐射方向向下垂直于列车行驶方向，用以地面网络节点中的至少一个接收第一无线扩频通信信号。

Description

用于列车的数字化车载无线扩频通信系统
本申请要求于2018年5月8日提交中国专利局、申请号为201810430523.8、发明名称为“用于列车的数字化车载无线扩频通信系统”的中国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于列车的数字化车载无线扩频通信系统。
背景技术
随着列车运行速度提高，完全靠人缭望、人工驾驶列车不能保证行车安全。铁路专用通信是直接为运输生产服务的，它将铁路有效的连接成一个整体，在保证铁路运行畅通和安全正点方面起到了至关重要都的作用。
我国的铁路线路点多线长，地理环境变化大、路况变化多、气候条件变化大，使得实现铁路专用通信的无线通信变得更为困难，难以建成一个有效可靠的无线信号系统。尤其是随着铁路运输列车速度的不断提升，现有的铁路通信系统，尤其是用于高铁的通信系统，在有效性、可靠性和安全性上都难以达到需求。
现有的高铁无线通信系统在高速移动条件下，无线扩频通信尤其是无线宽带通信的多径衰落被急剧放大，直接通信路径由于高速移动而被破坏取而代之的是许多无法预知的通信路径，这些现象是直接导致高速移动下多径衰落明显增大的主要原因。这种现象在大功率远距离的无线扩频通信方式下尤为突出。
为了达到高速条件下无线扩频通信尤其是无线宽带通信的目的，沿高铁线路远距离建设基站并加大通信及功率是通常的做法，而这种做法恰恰降低了无线扩频通信的可靠性。远距离无线扩频通信由于气候变化的原因如雨、雪、雾等恶劣气候现象不仅会降低无线扩频通信的质量，甚至会因此中断通信，这样无线扩频通信就会因此失去高铁信息化和智能化的重要支撑手段的地位，会直接导致高铁信息化和智能化的失败。
此外，干扰会对轨道交通的应用带来严重的问题。干扰会影响无线扩频定位结果,由于在轨道交通中有其他无线通信并列存在,如人为无线阻塞或其他用户在轨道交通附近安装的未经授权的接入点,干扰信号的正常传输，甚至造成通信中断或严重错误，影响铁路安全。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种用于列车的数字化车载无线扩频通信系统，能够进行用户的认证，用以实现列车信息的准确识别，并能智能化的根据列车行进情况，通过车载无线扩频通信系统智能化控制的开启和关闭地面的沿轨通信节点，防止任何非法信息侵入；该系统与现有列车通信系统兼容，可以互为备份，增加可靠性，能够在任何地理条件、路况条件、以及气候条件下可靠地工作，采用扩频码+明码的数据格式与地面沿轨通信节点进行数据交互并进行信号的传输，实现列车与地面的指令、状态、位置信息的交互，传输速度完全满足高铁列车的行驶速度对于通信速度的要求。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于列车的数字化车载无线扩频通信系统，包括：
车载控制中心、车载无源光网络和多个车载光网络通信节点；所述车载无源光网络包括光线路终端OLT和多个光网络单元ONU；
每个所述车载光网络通信节点通过一个ONU接入所述车载无源光网络， 并通过所述OLT接入所述车载控制中心；每个所述车载光网络通信节点具有一个认证信息；
所述车载控制中心发出第一控制信号，使得所述车载光网络通信节点发出第一无线扩频通信信号；所述第一无线扩频通信信号包括所述车载光网络通信节点的扩频码；所述扩频码携带有所述车载光网络通信节点的认证信息；
所述车载光网络通信节点按照所述列车行驶方向依次设置于所述列车的底部，所述车载光网络通信节点发射的第一无线扩频通信信号的辐射方向向下垂直于所述列车行驶方向，用以地面网络节点中的至少一个接收所述第一无线扩频通信信号。
优选的，所述车载光网络通信节点等间距设置，相邻两个所述车载光网络通信节点之间的间距l与相邻两个地面网络节点之间的间距呈函数关系。
进一步优选的，所述地面网络节点为多组，各组之间等间距设置，所述相邻两个所述车载光网络通信节点之间的间距l与相邻两组所述地面网络节点之间的间距L满足l＝L×(1-1/n)；其中n为在列车运动L的距离内车载光网络通信节点与地面网络节点组的对齐次数；所述车载光网络通信节点的数量为n+1；每组地面网络节点中至少包括一个地面网络节点。
优选的，所述车载光网络通信节点接收一个所述地面网络节点根据所述车载光网络通信节点发送的第二无线扩频通信信号，并通过所述OLT发送给所述车载控制中心；所述第二无线扩频通信信号包括所述地面网络节点的认证信息和区域代码；
所述车载控制中心对所述认证信息和区域代码进行解析处理，得到所述列车的实时位置信息和/或行驶速度信息。
进一步优选的，所述第二无线扩频通信信号还包括明码，携带有指令信息。
优选的，所述车载光网络通信节点具体包括接入所述ONU的扩频通信收发机和天线。
优选的，所述第一无线扩频通信信号还包括明码，携带有列车运行状态信息和/或指令信息。
进一步优选的，所述第一无线扩频通信信号的编码结构由第一位数的扩频码加第二位数的明码组成。
进一步优选的，所述车载光网络通信节点中，除设置于最后的一个车载光网络通信节点外的其他车载光网络通信节点发出的第一无线扩频通信信号包括扩频码和列车运行状态信息；
所述设置于最后的一个车载光网络通信节点发出的第一无线扩频通信信号包括扩频码和指令信息；所述指令信息为用以关闭地面网络节点的指令信息。
进一步优选的，一个所述车载光网络通信节点包括的扩频通信收发机的数量，由所述列车的定位精度参数确定；其中，每个所述车载光网络通信节点包括的多个扩频通信收发机等间距设置。
本发明实施例提供的用于列车的数字化车载无线扩频通信系统，能够进行用户的认证，用以实现列车信息的准确识别，并能智能化的根据列车行进情况，通过车载无线扩频通信系统智能化控制的开启和关闭地面的沿轨通信节点，防止任何非法信息侵入；该系统与现有列车通信系统兼容，可以互为备份，增加可靠性，能够在任何地理条件、路况条件、以及气候条件下可靠地工作，采用扩频码+明码的数据格式与地面沿轨通信节点进行数据交互并进行信号的传输，实现列车与地面的指令、状态、位置信息的交互，传输速度完全满足高铁列车的行驶速度对于通信速度的要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于列车的数字化车载无线扩频通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的车地辅助通信系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的游标式移动网络车地辅助通信系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的车载光网络通信节点的细分结构示意图；
图5为本发明实施例提供的车地辅助通信系统的通信过程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例提供的用于列车的数字化车载无线扩频通信系统如图1所示，包括：车载控制中心11、车载无源光网络12和多个车载光网络通信节点13。
车载无源光网络12包括光线路终端(optical line terminal，OLT)和多个光网络单元(Optical Network Unit，ONU)；每个车载光网络通信节点13通过一个ONU接入车载无源光网络12，并通过OLT接入车载控制中心11；每个车载光网络通信节点13具有一个认证信息；车载光网络通信节点13按照列车行驶方向依次设置于列车的底部，车载光网络通信节点13发射的第一无线扩频通信信号的辐射方向向下垂直于列车行驶方向。每一个车载光网络通信节点13拥有独立的IP地址。
具体的，车载光网络通信节点13包括扩频通信收发机和天线，天线的信号辐射方向垂直于列车行使方向且垂直并指向铁轨所在平面。
本发明的数字化车载无线扩频通信系统与地面无线扩频通信系统相配合，构成车地辅助通信系统。图2为本发明实施例提供的车地辅助通信系统的结构示意图。
在该系统中，数字化车载无线扩频通信系统1的车载光网络通信节点13等间距设置，相邻两个车载光网络通信节点13之间的间距l与地面无线扩频通信系统2中的相邻两组地面网络节点24之间的间距具有函数关系。
为了更好的理解车载光网络通信节点与地面网络节点(组)之间的关系， 我们对无线扩频通信系统2也进行简要介绍。
地面无线扩频通信系统2包括：铁路运行控制中心21、铁路专用通信网络22、地面无源光网络23和多个地面网络节点组24；地面无源光网络23包括光线路终端OLT和多个光网络单元ONU；每个地面网络节点组24包括至少一个地面网络节点；每个地面网络节点通过一个ONU接入地面无源光网络23，通过OLT接入铁路专用通信网络22，并通过铁路专用通信网络22接入铁路运行控制中心21；每个地面网络节点具有一个认证信息和一个区域代码，其中认证信息可以包括地面网络节点的互联网协议IP地址，区域代码用于表示该地面网络节点的位置信息。
具体的，地面网络节点包括直序扩频通信收发机和天线，天线的信号辐射方向垂直于铁轨所在平面向上。
多个车载光网络通信节点13等间距设置，优选的可以设置于每节车厢后的位置；多个地面网络节点组24也是沿着铁轨等间距设置于列车轨道的两根铁轨之间，优选的设置于两根铁轨的中间。
具体的，结合图2所示，地面网络节点组24为多组，各组之间等间距设置，相邻两个车载光网络通信节点13之间的间距l与相邻两组地面网络节点24之间的间距L满足l＝L×(1-1/n)；其中n为在列车运动L的距离内车载光网络通信节点与地面网络节点组的对齐次数；而车载光网络通信节点13的数量为n+1；每组地面网络节点24中至少包括一个地面网络节点。
列车沿铁轨行驶时，就得到了以L/n为步距的游标，列车每运动L的距离，列车上的n个车载光网络通信节点13会分别与地面上的n个地面网络节点组24进行通信，假设每个地面网络节点组24中只包括1个地面网络节点，即如图3所示的游标式移动网络车地辅助通信系统的结构示意，其中部分部在图中省略未画出。在列车上的车载光网络通信节点13_1与地面网络节点N+1对齐进行通信时，车载光网络通信节点13_2与地面网络节点N+1之间相差[(n-1)×L]/n,车载光网络通信节点13_3与地面网络节点N+2之间相差 [(n-2)×L]/n……车载光网络通信节点13_n与地面网络节点N+(n-1)之间相差L/n，车载光网络通信节点13_(n+1)与地面网络节点N+n之间再次重合。即以n个车载光网络通信节点13为一组，在列车运动L的距离内，列车上的n个车载光网络通信节点13分别与地面上的n个地面网络节点组24进行一次通信，总计在列车运动L的距离内完成n次通信。这样实现多点多次的短消息通信模式，可靠性极高。
通过上述系统结构，可以实现以L/n为步距的通信交互，即对列车定位精度可以达到L/n。
如果对列车的定位精度有更高要求，可以根据列车的定位精度要求来设定每个车载光网络通信节点13包括的扩频通信收发机和天线的数量。
如图4所示，根据列车的定位精度要求确定每个车载光网络通信节点13包括的扩频通信收发机131和天线132的数量，即一个车载光网络通信节点13中设置多组扩频通信收发机131和天线132，来增加与地面网络节点的对准次数，从而成倍的增加列车定位精度。比如在每个车载光网络通信节点13中，由第一组扩频通信收发机131和天线132开始至第一组扩频通信收发机和天线后L/n的位置，以δ＝L/(m×n)的步距共设定m组扩频通信收发机131和天线132，对每个车载光网络通信节点13都进行这样的设置，则列车定位精度可以达到L/(m×n)；m和n均为正整数。
为了更好的理解本发明的意图，下面以图1-图4，并结合车地辅助通信系统，对本发明的数字化车载无线通信系统的具体工作过程，进行进一步的详述。
在数字化车载无线通信系统工作时，车载控制中心11可以是与列车的动力装置同步的，当列车的动力装置启动时，车载控制中心11就通过车载无源光网络12向车载光网络通信节点13发送第一控制信号，用以各个车载光网络通信节点13发射第一无线扩频通信信号。
在第一无线扩频通信信号中可以包括车载光网络通信节点13的扩频码， 是预先设定好的；扩频码中携带有车载光网络通信节点13的认证信息以及列车运行状态信息，用以地面网络节点对列车的信息进行认证，并在认证后完成列车运行状态信息的交互。
在列车行驶方向上的第一地面网络节点群组接收铁路运行控制中心21通过铁路专用通信网络22和地面无源光网络23下发的第一激活指令，第一地面网络节点群组由关闭状态转换为监听状态，对列车的车载光网络通信节点13发出无线扩频通信信号进行监听。
在这里，一个地面网络节点群组包括至少一个地面网络节点组24，而每个地面网络节点组24包括至少一个地面网络节点。可以同时激活列车行进方向上的多个地面网络节点组24，通过这种冗余的激活，保证在列车运行至该地面网络节点组24时，其处于激活状态能够进行通信。
其中，激活指令包括通信频点、车载光网络通信节点13的扩频码和列车运行指令；通信频点是用于与列车的车载光网络通信节点13进行通信的频点，预先约定配置好，从而使得车载光网络通信节点13与地面网络节点能够进行通信。通过发送车载光网络的扩频码，使得能够对车载光网络通信节点13发出的无线扩频通信信号进行验证，即验证列车信息是否是该时间应当在该轨道上通行的列车。通过发送列车运行指令，可以在车载光网络通信节点13与地面网络节点交互时向列车传送运行指令。
在列车发车前的初始状态下，铁路运行控制中心21控制开启站台及站台前方沿列车行驶方向上的第一地面网络节点群组即可。在列车运行过程中，铁路运行控制中心21可以根据当前列车运行情况，对各个铁路轨道上的地面网络节点下发激活指令。每次激活可以是单个的地面网络节点，也可以是每次同时开启的一个或多个地面网络节点组24，即地面网络群组，具体根据铁路运行控制中心21的配置参数来决定。地面网络节点群组的激活，与对列车的车载光网络通信节点发出第一无线扩频通信信号的监听是相关的，换句话说，轨道沿线上哪些地面网络节点群组在哪个时间被激活，是与列车的运行 位置相关的。
接收到第一激活指令的地面网络节点群组由关闭状态转换为监听状态，对列车的车载光网络通信节点发出无线扩频通信信号进行监听。
车载光网络通信节点发出的无线扩频通信信号中的扩频码，对于不同列车设定为不同。
第一地面网络节点群组中的第一地面网络节点监听到第一无线扩频通信信号，就能够根据其中的扩频码进行列车信息认证。根据扩频通信的原理，我们在进行扩频通信时，发信端发送信息时的扩频和收信端接收信息时的解扩都要用到扩频码。在本例中车载光网络通信节点与地面网络节点互为发信端和收信端。在对列车信息进行验证时，第一地面网络节点群组中的第一地面网络节点作为收信端，车载光网络通信节点为发信端。这些伪随机序列扩频码必须是收、发双方都确知的周期性序列，否则收信端无法独立生成该序列进行解扩也就无法获取信息。因为这种周期性的二元序列包含有随机特征，所以不知其生成方法的侦听者是无法识别的。如果我们赋予列车与地面通信机(即车载光网络通信节点与地面网络节点)以相同的伪序列码(扩频码)以便防止侦听者探知通信的内容，同时以此扩频码将此列车与其他列车区分开，当列车与地面通信机通信时，车载光网络通信节点与地面网络节点捕获扩频码是的瞬间即完成了对通信对方(地面扩频通信收发机或列车)的身份认证，这个过程只需要收发机的硬件在通信过程中连接物理层时就可以完成，时间取决于扩频码片的长度和硬件捕捉扩频码的能力。
如果按照定位精度为1米的要求，则需要对位置的测量能够达到1/4米的分辨率。如果以高铁运行的速度是360KM/时计算，越过四分之一米的时间只有2.5毫秒，也就是说，无线通信设备必须满足在2.5毫秒之内完成一次确定位置的通信过程才能对高铁列车进行一次精度为1米的定位。
而本发明采用扩频通信，以IS95标准下(电信CDMA移动通信系统)实际应用的场合，在扩频码长度64位长时，正常通信的数字语音速率为9K或 13K，也就是，稳定捕获一个扩频码的时间至少可达到9000分之一秒或13000分之一秒，也就是0.11毫秒或0.077毫秒。这个速度对于高铁运行速度来说已经可以可靠的工作了。
因为即便是在高铁以最快速度行驶时，短消息的传递时间也不长于认证时间，所以，将扩频码(PN码)的最后几位数字用明码编写，也就是说，无线扩频通信信号的编码结构由第一位数的扩频码加第二位数的明码组成。扩频码的位数应当有足够的长度满足安全或者形成足够多的数量用来标识不同列车。明码的长度通常不多于一个字节的长度，只需要满足方便硬件和软件设计以及需要变现的指令信号数量的需要就可以了。
也就是说，这时扩频码的结构可以变成：
60位(PN)+位4(明码)＝64位
或
120位(PN)+8位(明码)＝128位
从而我们可以获得4位16种状态或8位256种状态的指令系统，用来描述列车的运行状态或指令。
本发明的用于列车的数字化车载无线通信系统，通过在物理层实现用户认证，从而实现高速下的安全通信。
在认证了列车信息之后，第一地面网络节点将第一无线扩频通信信号、地面网络节点组24的认证信息和区域代码通过地面无源光网络23和铁路专用通信网络22发送至铁路运行控制中心21。采用地面无源光网络23和铁路专用通信网络22能够实现仅有极小延时的信号传输。铁路运行控制中心21根据第一无线扩频通信信号能够获取到列车信息，并能获取到列车状态信息，根据地面网络节点组24的认证信息和区域代码可以确定该列车目前的轨道、位置信息。进一步的铁路运行控制中心21还可以根据列车的实时位置信息计算得到列车的行驶速度信息
铁路运行控制中心21根据所确定的列车信息、列车状态信息、列车目前 的轨道和位置信息生成对第一地面网络节点群组前方的第二地面网络节点群组的激活指令，同样的，第二地面网络节点群组也包括至少一个地面网络节点组24。需要说明的是，在本发明中优选采用各个地面网络节点群组中包括相同数量的地面网络节点组24的方案。
此外，在认证了列车信息之后，车载光网络通信节点接收第一地面网络节点发送的第二无线扩频通信信号，并传输至车载控制中心11；其中，第二无线扩频通信信号包括地面网络节点组24的认证信息和区域代码。
第二无线扩频通信信号的认证信息和区域代码进行解析处理，得到列车的实时位置信息，并根据一段时间内的位置信息确定列车的行驶速度信息。
在本系统中，对安装在不同位置的车载光网络通信节点携带不同的信息，利用设置于最后的一个车载光网络通信节点来关闭列车经过的地面网络节点。
也就是说，车载控制中心11通过发送第一控制信号，可以使得除设置于最后的一个车载光网络通信节点外的其他车载光网络通信节点发出的第一无线通信信号包括扩频码和列车运行状态信息；并且使得设置于最后的一个车载光网络通信节点发出的第一无线通信信号包括扩频码和用以关闭地面网络节点的指令信息。
当处于监听状态的所述地面网络节点监听到车载光网络通信节点发出的用以关闭地面网络节点的指令信息，将地面网络节点或地面网络节点所在的地面网络节点组24中的全部地面网络节点由监听状态转换为关闭状态。
列车在运行过程中，总是通过车地辅助通信系统开启列车行进前方的地面网络节点，关闭列车经过的地面网络节点，因此，在列车行驶方向上，可以根据地面网络节点的监听状态划分为不同的区域。具体如图3所示。
在地面网络节点N至N+1的区间内构成激活区；在N+1至N+n的区间内构成通信区域，在N,N-1……的方向，以及N+n,N+n+1……的方向构成静默区。
本发明的用于列车的数字化车载无线通信系统，在列车运行过程中，将 通信过程局限于列车车体之下，并且车到前开启，车过即关闭，由此保证了整个通信系统的安全性。
在本实施例中，采用扩频通信的方式进行车地辅助通信其目的也是在于抗干扰，增强系统的安全性。抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。
采用扩频通信的方式隐蔽性好，因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。
采用扩频通信的方式能够抗多径干扰，无线通信中抗多径干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。
下面，结合一个具体应用的实例，对用于列车的数字化车载无线通信系统的设置以及通信过程再进行具体说明。
如图5所示，目前最常见的高铁列车的基本型号是8节车体，在每节车体后设置一个车载光网络通信节点，因此在本例中取n为7。通常车体长度为25米，也就是说两个车载光网络通信节点之间的间距为25米。在这里为了便于运算，我们将其近似为24米来进行计算。
根据l＝L×(1-1/n)可以计算得到，相邻两个地面网络节点组24的间距为28米。这样当高铁向前移动时，车载网络与地面网络之间就形成了一个步距为4米的游标，在高铁车辆向前运动每28米，车辆上的7个通信节点就 会先后与地面的7个节点分别进行通信。
在列车上的第一个通信节点13_1与已经开启的当前地面网络节点N+1通信时，当前地面网络节点N+1接收到第一个通信节点13_1发送的第一无线扩频通信信号(PN+列车行驶状态码)，并在验证通过后将该第一无线扩频通信信号、当前地面网络节点N+1的认证信息和区域代码通过地面无源光网络23和铁路专用通信网络22发送至铁路运行控制中心21，使得铁路运行控制中心21生成激活指令，控制开启与当前地面网络节点N+1相邻的且处于列车行进方向上的下一地面网络节点N。
地面网络节点N+1也会将从铁路运行控制中心21下发的列车运行指令码在与第一个通信节点13_1的交互过程中进行发送，使得列车在行进过程中接收到该指令。地面网络节点N+1发送无线扩频通信信号(PN+列车运行指令码)，被第一个通信节点13_1所接收，并上报到车载控制中心11。
并且，在列车上的第一个通信节点13_1与地面网络节点N+1通信的同时，在列车上的最后一个通信节点13_8也与已经开启的地面网络节点N+7通信，通过发送第一无线扩频通信信号中携带的关闭地面网络节点的指令信息(PN+节点关闭指令码)，使列车已经通过路段上的地面网络节点N+7关闭。
当列车向前移动4米(一个步距L/n)时，车载光网络通信节点13_7将与地面网络节点N+6通信，而车载光网络通信节点13_1将于地面网络节点N+1脱离通信；
当列车继续向前移4米，车载光网络通信节点13_6将与地面节点N+5通信，而车载光网络通信节点13_7与地面N+6脱离通信；以此类推，当列车向前行驶28米，也就是L时，车载光网络通信节点13_1将与地面网络节点N相遇并进行通信(同时车载光网络通信节点13_8也与N+6进行通信,使列车已经通过路段上的地面网络节点N+7关闭)，这样，在列车向前运行距离L时，车载节点13_1～13_8与地面节点N～N+6共进行8次通信，大大提升了系统的可靠性。
当步距精度达不到系统要求的精度时，还可细分步距，如在上例中，L＝28，l＝24，n＝7，步距为4米。当测位精度要求1米时，可以在除13_8之外的其他每个车载光网络通信节点后的1米、2米、3米处加装三个扩频通信收发机，使得列车在进行时，每行进一米都有一个通信机与地面网络节点通信。
这样，车载光网络通信节点可以达到28个以上，列车每行进L距离，车上前面的28个通信节点和地面上的7个节点进行28次通信，不仅可以提高测位精度，还可以大大提升通信的可靠性。
本发明实施例提供的用于列车的数字化车载无线扩频通信系统，能够进行用户的认证，用以实现列车信息的准确识别，并能智能化的根据列车行进情况，通过车载无线扩频通信系统智能化控制的开启和关闭地面的沿轨通信节点，防止任何非法信息侵入；该系统与现有列车通信系统兼容，可以互为备份，增加可靠性，能够在任何地理条件、路况条件、以及气候条件下可靠地工作，采用扩频码+明码的数据格式与地面沿轨通信节点进行数据交互并进行信号的传输，实现列车与地面的指令、状态、位置信息的交互，传输速度完全满足高铁列车的行驶速度对于通信速度的要求。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式 的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种用于列车的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述数字化车载无线扩频通信系统包括：车载控制中心、车载无源光网络和多个车载光网络通信节点；所述车载无源光网络包括光线路终端OLT和多个光网络单元ONU；
    每个所述车载光网络通信节点通过一个ONU接入所述车载无源光网络，并通过所述OLT接入所述车载控制中心；每个所述车载光网络通信节点具有一个认证信息；
    所述车载控制中心发出第一控制信号，使得所述车载光网络通信节点发出第一无线扩频通信信号；所述第一无线扩频通信信号包括所述车载光网络通信节点的扩频码；所述扩频码携带有所述车载光网络通信节点的认证信息；
    所述车载光网络通信节点按照列车行驶方向依次设置于所述列车的底部，所述车载光网络通信节点发射的第一无线扩频通信信号的辐射方向向下垂直于所述列车行驶方向，用以地面网络节点中的至少一个接收所述第一无线扩频通信信号。
  2. 根据权利要求1所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述车载光网络通信节点等间距设置，相邻两个所述车载光网络通信节点之间的间距l与相邻两个地面网络节点之间的间距呈函数关系。
  3. 根据权利要求2所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述地面网络节点为多组，各组之间等间距设置，所述相邻两个所述车载光网络通信节点之间的间距l与相邻两组所述地面网络节点之间的间距L满足l＝L×(1-1/n)；其中n为在列车运动L的距离内车载光网络通信节点与地面网络节点组的对齐次数；所述车载光网络通信节点的数量为n+1；每组地面网络节点中至少包括一个地面网络节点。
  4. 根据权利要求1所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，
    所述车载光网络通信节点接收一个所述地面网络节点根据所述车载光网络通信节点发送的第二无线扩频通信信号，并通过所述OLT发送给所述车载控制中心；所述第二无线扩频通信信号包括所述地面网络节点的认证信息和区域代码；
    所述车载控制中心对所述认证信息和区域代码进行解析处理，得到所述列车的实时位置信息和/或行驶速度信息。
  5. 根据权利要求4所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述第二无线扩频通信信号还包括明码，携带有指令信息。
  6. 根据权利要求1所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述车载光网络通信节点具体包括接入所述ONU的扩频通信收发机和天线。
  7. 根据权利要求1所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述第一无线扩频通信信号还包括明码，携带有列车运行状态信息和/或指令信息。
  8. 根据权利要求7所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述第一无线扩频通信信号的编码结构由第一位数的扩频码加第二位数的明码组成。
  9. 根据权利要求7所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，所述车载光网络通信节点中，除设置于最后的一个车载光网络通信节点外的其他车载光网络通信节点发出的第一无线扩频通信信号包括扩频码和列车运行状态信息；
    所述设置于最后的一个车载光网络通信节点发出的第一无线扩频通信信号包括扩频码和指令信息；所述指令信息为用以关闭地面网络节点的指令信息。
  10. 根据权利要求1或6所述的数字化车载无线扩频通信系统，其特征在于，一个所述车载光网络通信节点包括的扩频通信收发机的数量，由所述列车的定位精度参数确定；其中，每个所述车载光网络通信节点包括的多个 扩频通信收发机等间距设置。
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