CBTC車地通信信道建模及系統(tǒng)優(yōu)化.pdf

1、城市軌道交通基于通信的列車控制(Communication Based Train Control，CBTC)系統(tǒng)通過車地通信實現(xiàn)列車和地面大容量、連續(xù)及雙向的信息交互，從而保障了列車高效、可靠地運行。
　　由于城市軌道交通的特殊性，其線路大部分分布在隧道中、高架橋上和城市中。當在隧道和城市中時，車地通信傳輸媒介采用自由空間或者漏泄電纜;而在高架橋上時，其傳輸媒介大多采用穩(wěn)定性和抗干擾性更好的漏泄波導。當前，車地通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2、基本是基于經(jīng)驗和工程原則，缺乏有效的信道模型的支持，車地通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不夠完善，可能會導致車地通信系統(tǒng)性能的降低，主要包括切換性能和小區(qū)邊緣區(qū)域性能。車地通信系統(tǒng)性能的降低在CBTC系統(tǒng)中表現(xiàn)為控制信息（主要是移動授權(quán)）的延遲。當延遲過大時，列車的正常運行策略就發(fā)生變化，嚴重的甚至會引起緊急制動，從而對CBTC的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)產(chǎn)生影響。
　　本文以基于無線局域網(wǎng)(Wireless Local

3、 Area Network，WLAN)的車地通信系統(tǒng)為研究對象，量化了車地通信系統(tǒng)性能對CBTC QoS的影響。同時，對不同傳輸媒介的傳輸性能進行了系統(tǒng)分析，建立了多矩陣有限狀態(tài)馬爾科夫信道模型。為了減小車地通信系統(tǒng)性能對CBTC QoS的影響，達到優(yōu)化CBTC整體性能的目的，本文引入了認知控制，以多矩陣有限狀態(tài)馬爾科夫為基礎(chǔ)，將通信系統(tǒng)和CBTC運營服務(wù)綜合考慮。利用Q學習在每個通信周期獲取車地通信系統(tǒng)最優(yōu)的切換決策和通信參數(shù)自適應(yīng)決

4、策，在提升車地通信系統(tǒng)性能基礎(chǔ)上提升了CBTCQoS。
　　論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　1.基于城市軌道交通的運營特征，對CBTC QoS進行了總結(jié)和歸納。根據(jù)IEEE802.11協(xié)議簇，計算了車地通信系統(tǒng)的性能參數(shù)，結(jié)合列車控制原理量化了車地通信性能對CBTC QoS的影響。
　　2.建立了針對漏泄波導和隧道的多矩陣有限狀態(tài)馬爾科夫信道模型。依據(jù)CBTC精確的列車定位，將無線覆蓋區(qū)域劃分為多個小區(qū)。在每個小區(qū)利用LL

5、OYD-MAX的非均一量化理論以及赤池信息準則(Akaike Information Crite-rion，AIC)，獲得對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。綜合位置信息，建立能夠精確跟蹤實際信道的多矩陣有限狀態(tài)馬爾科夫信道模型。
　　3.建立了CBTC應(yīng)用場景下漏泄波導近場的信道模型，并給出了衡量近場輻射能力的計算方法。漏泄波導近場的大尺度衰落為線性，斜率近似為傳輸損耗，而小尺度衰落為Log-normal分布。對Log-normal的參數(shù)進行統(tǒng)

6、計分析結(jié)合對應(yīng)的位置信息，證明了漏泄波導的平穩(wěn)性。
　　4.將認知控制應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)中，綜合考慮車地通信和CBTC QoS。以多矩陣有限狀態(tài)馬爾科夫為基礎(chǔ)，計算車地通信系統(tǒng)性能，并獲取信息差。根據(jù)認知控制的原理，建立了包括列車運行效率、列車能耗以及信息差的成本函數(shù)。引入加強學習，在每個通信周期選擇最優(yōu)的通信參數(shù)以及切換決策，優(yōu)化車地通信系統(tǒng)的性能，進一步提升了CBTC QoS。深入的仿真表明，認知控制的應(yīng)用在提升車地通信系統(tǒng)Q