高速铁路无线数据传输高可靠化和高实时化研究与实现

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1、高速铁路无线数据传输高可靠化和高实时化研究与实现1引言1.1课题研究背景我国在清代末期就开始铁路建设，目前通过一百多年多个时期的努力和建设，我国已经成为拥有庞大铁路网的世界大国，仅次于美俄，同时我国也拥有全球规模最大的高速铁路网。在我国，铁路是国家的重要基础设施和普及化的交通工具，也是我国的骨干交通运输方式。由于我国特有的环境现状，如地域广阔、人口密集、各种资源分布不均，使得经济、便捷的铁路交通方式占有很大的优势，曰渐成为一种受我国民众欢迎的交通方式。随着国民经济的快速发展，我国铁路运输量有了不断翻倍式的发展，使得铁路运输在我国经济发展中

2、的地位越来越重要，同时也是国家能源、矿物运输的主要方式。截至目前，我国长途货物的运输以及中长途旅客的运输中，铁路占有不可或缺重要地位。据统计，到2010年底，我国铁路运输的客运年总周转量已经达到9812亿人千米，货运的年总周转量（其中包含行包周转量）达到29187亿吨千米，铁路货物的年总发送量己经达到39亿吨（其中包含行包运量)，各项运输量达到世界第一的水平，是其他国家的几倍。虽然我国铁路的运输量具世界第一的总量，但是铁路运输环境仍然十分紧张。这是由于我国人口众多，人口与铁路里程的比例严重失衡。据统计，我国在2012年底每人平均拥有的铁路

3、长度不足8厘米，铁路的发展已经成为关乎国民经济和社会发展关键因素。当前，我国政府正在进行大规模的铁路建设。预计到2013年年底，我国铁路的营业里程将会达到10万公里。目前我国铁路事业的发展已经步入信息化不断深入的阶段，通过大量的信息产业的技术来代替人工的干预，这样不仅降低了铁路运维的成本，同时铁路运行的安全性也大大提高。1.2本文的主要内容及论文结构本文研究的内容是车地无线通信在基于公网的无线传输环境下，改进车载应用软件的无线通信策略以及提供一些软件层面的可靠性保障。实验研宄的载体是实验室研发的车载无线传输系统（ON发送过来的车载运维数据

4、，然后通过无线公网向地面系统发送数据的车载系统，该系统是基于当前GPRS的无线公网环境进行数据传输的。本文研究的主要对象是车载运维数据的无线数据传输，同时为运维数据可靠和实时落地做出分析和提出解决方案。首先为了保证车载运维数据传输的可靠性，本文提出使用优化的状态机设计理念，使得在软件层更易于维护，使用看门狗的机制，用来在高速列车的无线通信系统无人值守的情况下应对软件自恢复缺陷。其次为了保证数据传输的实时性，本文提出了数据分类传输、数据压缩以及优化的数据发送策略。对于实时性，在文章最后做出仿真实验，对优化内容与优化之前的情况做出对比，得出实

5、验结论[6]。当然本文提出的一些解决方案也可适用于新一代的网络环境，以及任何可能的无线数据通信系统，本文的解决方案具有广泛适用性。2高速铁路车地无线数据传输的相关知识2.1高速列车的数据通信环境高速列车的数据通信环境与地面普通环境的数据通信相比，运行环境较为恶劣，主要成因为以下几个方面：第一、在高速列车上，以16编组的列车为例，满员人数约为1200人，若列车乘客的持有率为90%，则该列车的数量为1080部，同时由于通信优先的原则，车地无线数据通信信道变得十分拥堵。第二、以CRH380A高速列车为例，列车的正常运行速度为350km/h，快衰

6、落现象和多普勒频移对高速列车影响严重。我国建设的高速铁路，其快衰落速率接近518Hz,最大衰落深度可达2040dB[7]。第三、车体密封性较好，信号穿透车体损耗加大，车内场强较弱。据相关统计，CRH型高速列车的穿透损耗一般在20-30dB之间，经典数值为24dB[7]。第四、列车经常经过一些特殊地区，如險道、山谷地区，这些地区经常由于障碍物的遮挡，形成信号的真空地段，这些行车区域的通信成功率为零。第五、基于公网的无线网络提供商，由于其具有的商业形态，决定了无线基站分布的不均勾性。在人口密集的地方，由于对无线信号的需求量较大，此处往往有较强

7、、较稳定的无线信号，无线基站分布也较为密集。对于人口稀疏的地区，由于对于无线通信的需求量很小，无线基站分布很稀疏，因此无线信号很弱。对于高速列车上的数据传输，网络运营商的无线基站在列车运行的路段往往覆盖率不高。基于以上分析，我们可以看出在高速列车上无线数据通信比地面普通无线数据通信难度加大，可靠性和实时性将变差。这对基于公网的无线数据通信的软件通信层有较高的要求，我们必须设计更为合理和灵活性更高的通信策略，用来满足高速列车的是通信需求。2.2高速列车在运行状态下无线数据传输特点由于无线信号的强度大小与距无线基站的距离大小的平方成反比，因此

8、距离无线基站的距离越远，无线信号越差（如图2-1，同心圆的密集程度反应信号的弓虽弱程度）。对于在高速运行的列车也同样符合这个规律，我们在高速列车上可以测I得的信号强度数据结果显示，信号强度值的