城軌列車對列車通信的多天線Rake接收技術研究

李茂青,鄭鋒賀,高云波,陽長瓊

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070； 2.蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室,蘭州 730070)

引言

車輛對車輛通信技術及應用是近年來通信和交通領域新興起的技術，目前，車-車通信在汽車領域是研究熱點，是車載自組網(wǎng)絡、智能交通系統(tǒng)、5G通信網(wǎng)絡的重要組成部分[1]。相比汽車領域的車-車通信，鐵路領域車-車通信的范圍更廣，車輛速度更快。T2T(Train to Train)通信不僅可以保證列車特殊情況的運行安全，提高列車運行效率，且有助于實現(xiàn)軌旁設備最少化和控制系統(tǒng)車載化。在保證通信范圍內兩列車間實時通信的同時，還能降低設備維修的困難度和成本。

鐵路領域的車-車通信研究多集中在物理上的車地鏈路來間接實現(xiàn)，列車對列車直接通信研究較少，直接通信的雙移動端信道較單移動端的車地通信有更多復雜性。列車對列車直接通信主要研究成果如下：德國LEHNER等[2]實現(xiàn)貨物列車間470 MHz的4 km臨時通信；LIU等[3]提出汽車對汽車物理層新型無線通信模型，并對斜坡地形下的4種場景進行了詳細的路徑損耗建模；LI等[4]進行了6 GHz以上的車-車信道的路徑損耗建模；李淑娟等[5]進行了適用于平原和鐵路隧道環(huán)境的8 mm波多頻段列車間直接通信系統(tǒng)設計。

隨著經濟科技實力的增強以及國民對交通多元化需求的增加，我國已步入大規(guī)模建設城軌時代。截至2020年12月31日，中國內地已開通城軌交通線路長度共計7 978.19 km，其中，地鐵占79 %，且2020年新增的1 241.99 km運營線路中，新增地鐵線路1 122.19 km，占當年新增運營線路里程的90.35 %，城軌的運營效率和智能化程度急需提高，對T2T通信需求迫切。

相比鐵路領域車-車通信，盡管城軌領域車-車通信的列車速度相對更低，但沿途隧道更多，為研究帶來了不少困難。對于城軌列車對列車通信，西班牙Briso-Rodríguez等[6]在馬德里地鐵隧道場景中進行了900 MHz和2 400 MHz的列車對列車通信測量活動；ZHAO等[7]研究了毫米波頻段城軌列車轉彎時列車間窄波束的對準問題；上海交通大學SHEN等[8]基于930 MHz射頻技術實現(xiàn)行駛速度80 km/h的列車間直接通信，直線覆蓋1.6 km。

在空間有限的地鐵隧道環(huán)境中，T2T通信存在一個主要難題，那就是無線通信系統(tǒng)設計中最關心的信道特征—多徑傳播。在隧道中，多徑傳播會產生更為嚴重的多徑衰落，直接影響地鐵列車間無線通信的可靠性，使列車運行安全得不到保障，所以一種適用于城軌T2T通信的抗多徑技術研究迫在眉睫。

對于抗多徑衰落技術，有擴頻、RAKE、OFDM、天線分集等，而空間分集中的天線分集和隱分集中的多徑分集(RAKE接收技術)是不消耗信號資源的，如將這兩種接收技術結合起來，勢必提高信號的接收性能。2006年，NISHIDA等[9]提出利用Pre/Post-RAKE來設計發(fā)射機和接收機，以改善復雜度問題并保持高質量的通信；2008年，HIOKI等[10]提出了一種使用Pre-Rake和Post-Rake的兩天線傳輸方案；2013年，林月玲[11]提出將分集技術和均衡技術相結合的RAKE接收機應用于60 GHz脈沖通信系統(tǒng)。以上對RAKE接收技術和分集技術的研究沒有用于城軌通信且未應用合并算法，對Pre/Post-RAKE的接收性能進一步提高。

首先，將選擇隧道環(huán)境下合適的通信頻段；其次，將設計一種使用三天線來抗多徑衰落的毫米波通信機結構；最后，將提出把Pre/Post-RAKE技術和多天線合并算法結合的方案，進一步降低誤碼率以達到鐵路通信標準。

1 通信距離和頻段確定

1.1 通信距離確定

為追蹤行駛的兩列車的運行安全，通信距離應該首先同時滿足3個基本條件：

(1)通信距離<自由空間視距通信距離；

(2)通信距離>追蹤間隔距離；

(3)通信距離>旅行距離。

自由空間視距通信距離的計算公式[5]如下

(1)

式中，hT，hR分別為地鐵列車高度、天線高度。地鐵列車高3.8 m，天線長度0.3 m，故天線高度為4.1 m，則d為16.68 km。

地鐵的追蹤間隔距離L由列車長度LT、地鐵總制動距離S、安全距離LA組成[12]。地鐵列車一般不超過8節(jié)，每節(jié)車廂的長度一般為22.1 m或19 m，這里取較大值22.1 m，安全距離LA為30 m，地鐵列車的總制動距離S分為空走距離和有效制動距離[13]?？兆呔嚯xSK可按勻速運動來計算，即

(2)

式中，v為初速度；tk為空走時間，一般空走時間為1.5 s。

有效制動距離Sy為

(3)

式中，v為初速度；ty為勻減速時間。

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》最高運行速度一般不超過100 km/h[14]，故經上式計算，在列車以最高速度運行時的最大制動距離S=SK+Sy=363.2 m，則追蹤間隔距離L=LT+S+LA=570 m。

當車輛以最高運行速度100 km/h運行時，其最大旅行速度為55 km/h，如果地鐵的運行時間間隔為2 min，經計算可得，該時間內列車的旅行距離為1 833.33 m。

綜合經計算得出的視距通信距離、追蹤間隔距離、走行距離和通信范圍的3個基本條件，初步將通信范圍確定為2 km。

1.2 通信頻段確定

對于通信頻段的確定，隧道環(huán)境不同于開闊環(huán)境，需從多方面來考慮：

(1)當?shù)谝环颇鶢枀^(qū)遮擋<20%時，電磁波相當于在自由空間傳播[15]；

(2)符合《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》[16]；

(3)隧道的波導效應

第一菲涅爾區(qū)同心圓半徑計算公式如下

(4)

式中，d1和d2分別為菲涅爾區(qū)到發(fā)射機和接收機的距離；λ為波長。地鐵隧道寬5.3 m，高5.13 m，經計算當滿足第一菲涅爾區(qū)遮擋<20%時，電磁波所處頻率在30 GHz以上。30～300 GHz頻段是毫米波頻段，毫米波具有頻帶寬、抗干擾能力強、煙塵穿透性強等優(yōu)點，較適合用于地鐵隧道環(huán)境的無線通信。

既然將其應用于無線通信，那么傳播的介質就是空氣，大氣衰減的影響不可忽視。對于大氣衰減，毫米波有5個大氣窗口：35，45，94，140，220 GHz，在這些特殊頻段附近，毫米波受到的衰減較小，經計算，其菲涅爾區(qū)遮擋如表1所示，其中，菲涅爾區(qū)圓心高度為天線高度，即為4.1 m，最小菲涅爾區(qū)半徑F0=0.577F1，遮擋率為隧道頂所遮擋的菲涅爾區(qū)面積與菲涅爾區(qū)面積之比。

表1 大氣窗口菲涅爾區(qū)遮擋比較

由表1可知，毫米波的5個大氣窗口都符合遮擋<20%的條件，而且45，94，140，220 GHz的最小遮擋幾乎為0，所以4個頻段的通信質量相近，均納入選頻范圍。

根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，5個大氣窗口的應用領域劃分如表2所示。

表2 大氣窗口無線應用領域劃分

由表2所知，可用于移動通信的頻段為45 GHz、220 GHz.

隧道的波導效應是影響通信質量的又一問題，隧道內電磁波借隧道自身波導傳播，且頻率越高衰減越小，如單從信號衰減考慮，頻率最高的220 GHz最好，但過高的頻率同時會出現(xiàn)對器件的精度要求過高、技術不成熟、造價昂貴等問題。

經過對第一菲涅爾區(qū)遮擋、無線頻率劃分和波導效應三方面比較，利弊權衡，最終確定選擇45 GHz作為通信頻段。

2 共用三天線一體化通信機設計

對于隧道內多徑效應的分析及多徑時延分布，課題組前期已經完成[17]?？紤]到電磁波在地鐵隧道內多條反射路徑造成的多徑效應會致使無線通信質量下降明顯，需在接收端根據(jù)能量分布，對不同延遲位置的多徑信號進行有選擇的合并，將多徑信號變?yōu)橛欣盘柛纳菩旁氡?，所以在設計收發(fā)系統(tǒng)時選擇利用Rake接收技術抗多徑衰落。但僅單一的Rake接收技術對接收誤碼率的改善有限，其可靠性不足以支撐列車間的直接通信。需將Rake接收技術和多天線技術相結合，去進一步降低接收的誤碼率，以達到提高列車對列車直接通信的可靠性，保障地鐵列車運行安全。

經設計的毫米波收發(fā)系統(tǒng)將主要分為3部分：本振源、三天線發(fā)射機、三通道接收機。各部分的詳細結構如圖1所示，此毫米波通信機結構的實用新型專利“城軌列車對列車通信的毫米波一體化通信機”已授權[18]；發(fā)明專利正在等待實質審查。

3 基于LMS算法的多天線Pre/Post-Rake接收機

3.1 基于LMS算法的Pre/Post-Rake基本結構

毫米波在地鐵環(huán)境中傳播相比自由空間衰減更加嚴重，所以為達到更好的通信效果，將LMS算法、多天線技術和Pre/Post-Rake接收技術進行了充分結合，如圖2所示，亦為毫米波三天線通信機結構圖中的Pre-Rake結構和Post-Rake結構。

圖1 毫米波三天線通信機結構

3.2 脈沖選擇

對于脈沖的選擇，此通信機選擇脈沖發(fā)生器可直接產生且應用較多的高斯脈沖，至于選擇普通高斯脈沖還是高階高斯脈沖需通過頻譜利用率來進一步確定。

高頻脈沖信號可通過將低頻信號進行頻譜搬移來產生，頻譜搬移在時域上表現(xiàn)為給低頻脈沖乘以一定頻率的正弦信號[11]，高斯脈沖可表示為

P(t)=-e-2πt2/a2cos(2πfct)，t∈[0，T]

(5)

式中，fc為中心頻率；T為脈沖持續(xù)時間；a為脈沖成形因子，a=4πσ2。

高斯一階高斯脈沖可表示為

(6)

45 GHz高斯脈沖和高斯一階脈沖的時域波形，如圖3所示。

圖2 基于LMS算法的Pre/Post-Rake結構

圖3 45 GHz高斯脈沖和高斯一階脈沖的時域波形

從圖3可知，45 GHz的信號脈沖周期比較窄，對于多徑接收信號而言，Rake接收機需分辨數(shù)量龐大的多徑信號，最終造成Rake接收機在物理實現(xiàn)方面面臨較大的難度。但對于納秒級RAKE接收技術已有多人開始研究，如60 GHz系統(tǒng)中RAKE接收研究[19]和采用最小均方誤差進行均衡的Rake接收方法[11]等，同時對于解決這一問題的主要物理層技術—OFDM技術，課題組已在前期工作中完成了對此技術的研究[17]。

高斯脈沖的功率譜密度ψ(f)為

(7)

(8)

式中，K為求導階數(shù)。

45 GHz高斯脈沖和一階高斯脈沖的功率譜分別如圖4、圖5所示。

圖4 45 GHz高斯脈沖功率譜

圖5 45 GHz一階高斯脈沖功率譜

圖4、圖5中，45 GHz一階高斯脈沖功率譜與高斯脈沖功率譜相比有部分主瓣能量溢出了FCC頻譜掩模，同時頻譜是不連續(xù)的，存在一個凹陷，此凹陷致使頻譜利用率更低，所以此通信機選用高斯脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 基于LMS算法的Pre/Post-Rake基本原理

高斯脈沖經過Pre-Rake結構之后，每個結構的輸出為[10]

(9)

式中，nt，nr分別為發(fā)射和接收天線的數(shù)量；L為Pre-Rake的分枝數(shù)；bi為數(shù)據(jù)符號；P(t)為高斯脈沖；Tf為脈沖重復間隔；Cl，nt，nr和Tl，nt，nr分別表示第l個分枝的權重和相對延遲。

從每個發(fā)射天線發(fā)送出的信號為

(10)

傳輸信道的沖擊響應為

(11)

式中，k為可分辨多徑數(shù)；hnt，nt，k為第nr個天線上第k條多徑分量的增益；Tk表示延遲。

每個接收天線接收到的信號為

(12)

式中，nnr(t) 是平均值和方差分別為0和N0/2的高斯隨機變量。

Post-Rake結構第m個分枝的輸出為

(13)

每個Post-Rake結構的輸出為

(14)

式中，Wm，nr，bnr為每個Post-Rake結構第m個分枝的權重，權重的確定因路徑合并方法的不同而不同，路徑合并方法一般有：最大比合并、等增益合并、選擇式合并。然后，通過仿真對這3種分集合并方式的性能進行了比較，如圖6所示。經對比可以得出，3種合并方式中最大比合并的誤碼率最低，性能最好。所以，此處權重通過最大比合并的方式來確定，通過此方式確定的權重為

(15)

式中，hm，nr，bnr表示信道特性。

圖6 3種主要分集合并方式性能比較

對于Post-Rake結構的輸出，需通過LMS算法進一步合并，其中，S為需要合并的Post-Rake結構輸出的數(shù)目，Ws為LMS算法分配的權重。

(16)

LMS算法的基礎公式為

(17)

(18)

已知當μ滿足公式(19)條件時，LMS算法會趨于更加穩(wěn)定[20]。

(19)

同時輸入信號相關矩陣R的最大特征值λmax應滿足如下公式[21]

λmax≤tr[R]<

(20)

式中，Nc為每比特的單脈沖數(shù)；Ec為每個脈沖的能量。將式(20)代入式(19)可得

(21)

每個Pre/Post-Rake結構的誤碼率公式為

(22)

其中，b為信號幅度衰減因子。

3.4 結果分析

以上對Pre/Post-Rake和LMS算法的原理進行了分析，同時將Pre/Post-Rake技術和LMS算法進行了結合，然后將其與改進的路徑損耗模型進行聯(lián)合仿真，仿真結果如圖7所示。從圖7可以得出如下結論。

(1)隨著天線數(shù)的增加，Pre/Post-Rake接收機的誤碼率逐漸降低。

(2)改進的Rake接收機相比傳統(tǒng)Rake接收機的誤碼性能有極為明顯提升。

(3)改進的Rake接收機由于在Pre/Post-Rake的基礎上加入了LMS算法，相比普通的三天線Pre/Post-Rake接收機和LMS算法接收機(性能與Pre/Post-Rake接收機相近)，誤碼特性有了較為明顯的改善。

(4)改進的Rake接收機因為將Pre/Post-Rake、分集、LMS算法3種技術進行了結合，即使在地鐵隧道環(huán)境中，也能在信噪比為9dB時達到鐵路通信誤碼標準10-6[22]。

圖7 改進Rake與其他接收機誤碼性能對比

4 結論

本文提出了一種城軌列車對列車直接通信中可以抗多徑衰落的技術，并對改進Rake接收機進行分析與仿真，結論如下。

(1)將城軌環(huán)境列車對列車通信作為研究背景，選擇出其合適的通信頻段-毫米波和通信距離。

(2)設計了通過共用三天線來抗多徑衰落的毫米波通信機，同時加入了Pre/Post-Rake結構，適應了城軌列車對列車通信的車載環(huán)境。

(3)提出了將三天線Pre/Post-Rake接收技術和LMS算法結合的方案，并將RAKE接收技術引入車車通信領域，可有效改善列車對列車通信系統(tǒng)的誤碼特性，即使在地鐵隧道環(huán)境中也能達到鐵路通信標準10-6，提高了地鐵通信的可靠性和安全性。