IEEE 802.11协议在CBTC系统中的应用研究

论文摘要

高速铁路和地铁是推动国民经济发展的重要保障,在国家和城市建设中占有重要地位,世界各国都在大力发展高速铁路及地铁。现有的基于轨道电路的列车控制系统（Track-circuit Based Train Control,TBTC）已不能满足现代铁路发展的需要。随着通信技术的发展,基于通信的列车控制（Communication-Based Train Control,CBTC）系统逐渐发展和成熟起来,它能够大幅度提高铁路运营效率。而IEEE 802.11无线局域网以其易建立、易扩展、频段免费等特点,近几年得到了迅速发展。将802.11协议应用于城市轨道交通是当前CBTC研究领域的热点。本文首先针对IEEE 802.11协议和CBTC系统各自特点,对该系统在城市轨道交通应用特点和可行性进行了分析。随后对轨道交通环境中的网络特点和信道特性进行分析,建立仿真模型。接着对802.11的漫游机制进行分析,提出在轨道交通环境中单信道、快速扫描和预先认证相结合的快速漫游机制,并对频繁发生越区切换的轨道交通场景进行仿真。仿真结果表明:快速漫游机制可以缩短列车越区切换时间,满足列车控制信令以及音视频信号的最小时延要求,减小切换时数据包错误率,为802.11协议在CBTC中的应用提供了可能。仅仅使用快速漫游机制,虽然可以满足最小时延要求,但是列车在频繁越区切换时,通信质量还是会发生频繁的抖动。在列车这种高可靠性要求场景中,增加冗余度是一种有效的方法。本文根据地铁环境及802.11协议特点,增加列车上及轨道沿线的收发装置,合理的布置AP,将多天线分集接收技术应用于列车控制系统,增加系统稳定性。仿真结果表明,使用多天线技术可以在不影响数据时延和网络带宽的前提下有效的稳定通信质量,改善系统性能。最后,论文对所做工作进行了总结,并阐明了与本文相关的进一步研究内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.1.1 CBTC 的提出
• 1.1.2 CBTC 的特点
• 1.2 CBTC 的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 CBTC 中的专用通信系统
• 1.3.1 CBTC 专用通信系统的发展
• 1.3.2 802.11 协议在 CBTC 中的应用
• 1.4 背景和研究意义
• 1.5 论文研究内容和结构
• 第二章 802.11 体系结构
• 2.1 无线局域网简介
• 2.1.1 无线局域网的优势
• 2.1.2 802.11 协议族
• 2.1.3 无线局域网的网络拓扑结构
• 2.2 802.11 协议中的媒介访问控制机制
• 2.2.1 分布式协调功能（DCF）
• 2.2.2 点协调功能（PCF）
• 2.3 802.11 协议对漫游的支持
• 2.3.1 扫描
• 2.3.2 认证与安全
• 2.3.3 关联
• 2.4 本章小结
• 第三章 CBTC 中的802.11 仿真模型
• 3.1 CBTC 对无线传输的要求
• 3.1.1 可靠性要求
• 3.1.2 可用性要求
• 3.2 CBTC 中的网络结构
• 3.2.1 GSM-R 的网络结构
• 3.2.2 基于802.11 的 CBTC 系统结构
• 3.3 大尺度衰落
• 3.3.1 自由空间传播模型
• 3.3.2 对数距离路径损耗模型
• 3.4 小尺度衰落
• 3.4.1 描述小尺度衰落的参数
• 3.4.2 小尺度衰落的类型
• 3.5 信道模型
• 3.5.1 瑞利模型
• 3.5.2 莱斯模型
• 3.6 CBTC 中的802.11 仿真模型
• 3.6.1 仿真模型概述
• 3.6.2 仿真模型的实现
• 3.7 本章小结
• 第四章 快速漫游机制研究
• 4.1 802.11 漫游机制分析
• 4.1.1 漫游的逻辑步骤
• 4.1.2 切换时延分析
• 4.2 CBTC 中的快速漫游算法设计
• 4.2.1 AP 的布置
• 4.2.2 动态速率切换机制与漫游的启动
• 4.2.3 CBTC 中的快速漫游
• 4.3 快速漫游机制的仿真和分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 CBTC 中的多天线分集技术研究
• 5.1 多天线技术的发展与应用
• 5.1.1 多天线技术的产生
• 5.1.2 多天线技术的特点
• 5.1.3 多天线技术在802.11 协议中的应用
• 5.2 多天线系统中的分集技术
• 5.2.1 分集的基本原理
• 5.2.2 合并准则
• 5.3 使用多天线技术改进 CBTC 的通信质量
• 5.3.1 改变现有的网络架构
• 5.3.2 对 CBTC 中多天线技术的仿真验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 缩略语
• 致谢
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