无线通信在智能铁路运输系统

文摘

铁路、地铁、飞机和其他运输系统已经引起了越来越多的使用兴趣无线通信关键和非关键服务提高性能,可靠性和乘客的体验。智能交通系统需要操作和控制的关键通信的使用,使用的非关键通信和宽带服务可以提供。高速列车(HST)是最好的测试用例分析的通信链接和规范的一般要求列车控制和监督,乘客通信和车载和基础设施的无线传感器。在本文中,我们详细分析关键和非关键网络主要使用哈勃太空望远镜作为测试用例。首先,不同类型的链接描述智能铁路运输,指定运输系统的主要需求,沟通,和他们的应用程序在不同的服务。然后,我们提出一个网络的架构和需求为关键和非关键数据通信技术。最后,分析了未来的技术,包括第五代(5克)通信、毫米波(mmWave),太赫兹(太赫兹),并为重要的交通和高容量通信卫星。

1。介绍

无线技术被广泛开发的最后一年,现在已经准备好满足日益增长的通信服务的要求控制,操作和维护的智能交通系统(1]。现有的无线电技术包括wi - fi (IEEE 802.11 xx), WiMAX (IEEE 802.11 xx),长期演进(LTE)、无线传感器网络、无线ad hoc网络,特别是未来的第五代(5克)技术,将高度关注发展智能交通系统的地面和空中汽车。这些新兴技术可以显著改善操作,效率、可靠性和乘客的体验,但是每一个通信网络必须设计和配置来满足每个运输系统的特殊要求。

如今,交通系统通信的一个重要需求有非常严格的质量要求,能力,和可靠性。最好的“测试用例”为分析交通运输系统是高速列车(HST)。HST的通信网络,我们可以区分两种类型的通信:关键和非关键通信。

关键HST和基础设施之间的通信用于控制信号(2)提高速度、效率、安全性和可靠性。这些通信是至关重要的,因为他们是必要的高性能操作运输系统,必须有一个非常高的可靠性和可用性(> 99%)。然而,重要的是通信不负责安全的言论。安全依赖于其他系统安装在船上或在基础设施。例如,如果我们考虑一个HST,全球移动铁路gsm - r)(通信系统现在使用传输遥测(位置)的火车和发送运动授权。这些信息有必要提高火车的速度超过300公里/小时,必须更新每100毫秒。如果没有更新在1秒,将会有一个应急过程减少列车的速度安全价值(2]。保证这种性能有必要实现高质量通信系统冗余,提高可靠性。GSM-R广泛用于HST,但目前,铁路运营商想要提高列车的性能和移动自动驾驶,他们需要一个新的大容量无线通信系统能够从训练包括高质量的视频传输到控制中心。

另一个例子可能是无人机(uav)的使用来提高智能铁路运输的安全性和可靠性。提出了(3),这些平台可以用于启用和改善下一代智能交通系统的通信和操作(3]。对于这些应用,无人机需要也是一个关键的通信链路和有效载荷的链接。关键的通信链路是用来发送位置的无人机从空中到地面,并发送控制命令或路点无人机(4]。也会有拿一个不重要的通信链路,可以用于多个目的视频传输等铁路事故或基础设施监测、或移动应急通信继电器。

因此,在这两种情况下,使用关键的通信是强制性的,而这些通信必须有高质量的服务,因为虽然安全并不取决于他们频繁的失败在通信可以降低可靠性。由于这些原因,一个重要的通信系统有非常特殊的要求,必须依赖一个很好证明技术专门定制的智能交通系统。gsm - r标准,例如,hst仍使用和商业无人机无线电使用主要是早期的跳频技术。

被通信用于负载、辅助服务、客运服务(5]。在这种情况下,我们要求补充宽带通信服务,如高清视频和数据服务的乘客。一些例子可以是视频链接通过无人机或宽带互联网的高速列车的乘客。在这两种情况下的主要要求是能力,所以这些通信的设计是完全不同的。目前,这些通信都在不断发展和面临的主要挑战之一的下一年,5 g技术。

最后,无线传感器和ad hoc网络用于安全和监控现在被用于为车辆提供辅助服务(5,6),和使用毫米波(mmWave),太赫兹(太赫兹),和卫星将在未来提供相关vehicle-to-vehicle通信、雷达传感器,为不同的车辆和车载通信的应用程序。

本文的其余部分组织如下。通信包括关键和非关键通信智能铁路运输全面讨论的部分2根据他们的需求,先进的开发、趋势和挑战。部分3分析了需求和关键和非关键通信网络规划的原则。定义的主要技术和网络广播计划突出显示。结论部分4。

2。通信智能铁路运输

随着交通系统变得更加自动化,车辆越来越需求沟通和被配备更多的无线通讯服务和传感器(7]。然而,商业的最大数据率通信系统(例如,4 g)仍然限制在100 Mb / s的高流动性,和,因此,当前技术不足以处理terabyte-per-hour数据速率,可以生成下一代汽车。同样,铁路通信需要提供各种高数据率乘客和列车服务申请。这些应用程序需要实现五个铁路场景(见图1):(我)Train-to-infrastructure(T2I)(高清视频和其他信息实时传输中各种基础设施)(2)Interwagon马车之间(无线网络)(3)Intrawagon(用户设备之间的联系和访问点的车)(iv)站内(接入点(APs)和用户设备之间的联系(问题)在火车/地铁站)(v)Infrastructure-to-infrastructure(I2I)(高清视频和其他信息实时传输各种基础设施)中(注意,这个I2I场景是否属于铁路通信取决于这个链接是由铁路行业管理;在大多数国家,I2I通信网络运营商提供的链接,但在一些国家,如中国,这种联系是由铁路公司拥有和管理。)

场景的“内部站”和“infrastructure-to-infrastructure”,从几百兆赫带宽需求几个GHz,取决于具体情况。场景”intrawagon”和“interwagon”, 1 - 10 GHz带宽需要,分别。网络训练之间的主界面和固定网络的场景“train-to-infrastructure”传递一个聚合流国米/ intrawagon场景。因此,它需要几个GHz容纳超过100 Gbps的带宽数据速率(8]。如此高的数据速率和巨大的带宽需求形成一个强烈的探索动机充分利用mmWave甚至太赫兹波段(8]。从无线通道的角度来看,有许多开放的挑战和机会在研发mmWave和太赫兹陆地和卫星通信使智能铁路运输(9]。在所有上述五个场景,最具挑战性的一个是T2I场景。网络训练之间的主界面和固定网络,T2I通道遭受强大的动力,多普勒扩散和阴影。因此,它引起了极大关注,因此,我们主要讨论剩下的纸,而不是简单谈论所有的五个场景以同样的重量。

2.1。关键通信

与快速变化和创新的商业移动通信,关键通信的发展公共交通更慎重,主要是因为关键任务需求。在所有的关键通信在铁路gsm - r是应用最广泛的标准,其稳定性验证已有超过10年(10,11]。关键通信gsm - r网络的主要规格表进行了总结1。然而,gsm - r已经由于传输能力有限,主要体现为列车控制数据通信。

为了提供新铁路服务,如视频监督和实时监控,研究成果现在面向LTE作为下一代技术(12- - - - - -14]。特别是,LTE的功能而言,未来铁路未来作战需求目前正在审查铁路移动通信系统(FRMCS)项目,这是由UIC 2013年。最近,作者在15)提出了LTE铁路(LTE-R)作为一个集成的无线铁路通信系统通过验证试验台的LTE-R部署。此外,“信号质量和内部培训,”“链型网络部署,”和“保证服务质量(QoS)安全服务”是主要的关键问题,需要进一步和更深层次的技术考虑:(我)上的信号质量和内部培训:当使用直接访问模式的车载终端(通常在火车或汽车)和移动终端在火车或汽车,在电池优化最关键的问题是实现一个目标水平的机载和移动终端接收信号强度。这主要是因为基站的信号,直接渗透到汽车遭受渗透损失24分贝(12]。这样两个渠道的不同,一方面,提出了更高要求的传动功率基站,另一方面,需要精心设计的天线的参数的两种类型的接收器,以确保一定程度的信号质量的同时对机载和移动终端。当使用两跳访问模式一T2I跳和一个intrawagon hop-such挑战来自火车身体的巨大的渗透损失是可以避免的。(2)链型网络部署:而不是六角型细胞结构在商业网络,铁路(或车辆)专用通信网络使用顺序链的细胞结构类型。因为这种独特性的专用网络,通信方案有机会进一步优化最优的低复杂度和不损失(16]。(3)保证QoS ultrareliable低延迟应用:安全至上的车辆应用程序可以大致归类为车辆检测、道路检测、车道检测、行人检测,睡意检测、避碰等(17]。所有这些应用程序帮助司机和减少潜在的事故风险,因此需要ultrareliability和低延迟(例如,允许的延迟对违反交通信号警告(V2I)是100毫秒,而允许延迟车辆碰撞预警(V2V) 20 ms)。对于铁路,通常所有基于服务需要最高的安全级别(SIL4 [18]),低带宽(小于1 kb / s /火车),显著延迟约束(不到500 - 800 ms在最坏的情况下,通常更少),和交通模式通常是实时可变比特率(RT-VBR)。语音通话需要更高的数据传输速率(即。根据编解码器,64 kb / s)。一个好的参考最大抖动可能是30 ms (19]。因此,为了支持这些服务,重要的是要保持在最高优先级的数据连接。为此,公共交通的关键通信网络设计必须利用复杂的网络管理方案来处理交通堵塞等异常情况。

2.2。被、宽带通信

高容量通信网络负载服务和交通上的乘客开始发展了。乘客hst,地铁,飞机,船等使用的通信需求的他们已经在他们的私人车辆或家园。同时,交通系统运营商补充服务的需求如下:(我)车上,路旁高清晰度(HD)视频监控为安全问题是至关重要的(例如,汽车困在铁路道口,恐怖袭击)。(2)机载实时数据率高连通性对于web浏览、视频会议、视频广播,等等。(3)列车调度实时高清视频火车和列车控制中心(太极拳)所需的列车调度和未来无人驾驶系统以及为所有乘客旅行信息动态更新。

然而,这些通信的实现智能交通系统的一个重要的复杂性,因为每个运输系统都有自己的特色:用户数量,最大速度、车辆结构、汽车基础设施等等。由于这些原因,有必要设计和调整为每个特定的运输系统,通信网络,因此,我们可以使用公共网络通信至关重要。一般要求为例,我们可以使用一个现代HST的主要特征归纳如表2。

根据交通系统的规格,必须有效地使用公共地面基础设施结合其他技术来增加容量和性能。因此,4 g LTE网络的使用必须结合移动中继方案上火车(20.),然后结合卫星网络和其他5 g地面网络提高产能,降低成本。因此,需要为用户提供宽带服务的特点考虑这个运输工具及其特点,总结了HST的数据容量接近1 - 10 Gbps 1500用户提供宽带服务,谁要维护一个强烈的连接。为此,HST的问题,很难使用地面网络甜点或新HST频繁交叉的居住区。另一方面,频繁的隧道很难使用卫星,所以必须使用混合解决方案21]。这种网络的体系结构的一个例子是图所示2。

这个网络必须能够提供宽带通信列车乘客;为此目的,它将有一个多余的陆地链接连接到第一个和最后一个马车的火车。这个链接将使用一个移动中继方案为了实现可靠通信,减少固定的基础设施需求。这个网络允许用户访问一个高容量地面通信网络,它是分布式列车内使用无线网络基于新的高容量802.11 802.11 ac /广告等标准。

卫星链接用作地面备份链接网络。这个链接目前允许多达100 Mbps使用天线方位自动控制和低调高程可以简单地安装在火车的顶部(22),而在未来,将会增加到1 Gbps的能力。

整个通信系统需要使用IP网络的列车,最低10 Gbps的能力。这将允许管理交通不同的链接:train-land train-satellite, intratrain。Interwagon通信也可以使用短距离10 Gbps mmWave或太赫兹无线链接,允许列车组装和最小化有线连接在火车上马车。表3总结了通信网络的需求在HST的非关键通信

列车将会有一个内部10交换容量网络多媒体应用的乘客,与外部连接1 Gbps的互联网连接。同时,在车站,将会有100 Gbps网络为所有火车被服务。本站为附加服务网络可以有许多infrastructure-to-infrastructure通信乘客转移,视频监控,广告屏幕,数字电视等新服务。

作为地面网络的一个例子,我们可以描述当前的LTE网络能力可以达到100 - 300 Mbps使用载波聚合在1 - 6 GHz频段。这种性能可以有效地用于HST登上火车上使用继电器移动解决方案。这些链接允许可靠通信的速度350公里/小时速度与吞吐量的问题是减少通道是退化,如[23]。获得更高的吞吐量,需要使用低频率和高频率网络在一起。在表4,我们包括四个无线电技术的关键参数的比较,两个适合通信和两个非关键通信至关重要。在这个表中,我们可以看出关键网络已经配置为高质量的服务,低延迟和高可靠性,而被网络开发高容量,因此,有一个高带宽的需求。出于这个原因,非关键通信正在考虑在28-34 GHz乐队mmWave技术的使用,因为它适用于移动通信。

使用毫米波高移动环境下的移动通信需要使用高增益天线相控阵技术,这项技术非常适用于大容量的通信环境类似哈勃太空望远镜的覆盖率是线性的。它将使高带宽的可用性,数据速率Gbps的范围(24]。总之,宽带通信在哈勃太空望远镜等交通系统需要一个复杂的项目,有必要安装一个网络在训练和一些外部网络结合陆地链接在微波和mmWave乐队与卫星连接。

3所示。关键和非关键通信网络设计

关键和非关键的设计从传统的网络通信是完全不同的。在第一种情况下,有必要进行特殊设计的网络关注QoS和可靠性。在其他情况下,非关键通信的重点是能力。在这两种情况下,模型和通信网络的设计是完全不同的,考虑节点体系结构,回归模式,继电器配置、多输入多输出(MIMO)天线,和多样性。然后,有必要准确地设计每个特殊环境的物理接口,车辆动态,乘客或负载需求。它包括传播建模、波形选择和当前通信天线设计乐队(1 - 6 GHz),主要用于关键通信和未来mmWave乐队(24到34 GHz)乘客和有效载荷(25,26]。

高质量的服务网络是基于冗余通信的使用提高可靠性和可维护性。为此,铁路通信同时使用两个平等的地面网络至关重要。这个解决方案保证优秀的无线覆盖率和可靠性。

被通讯还可以使用两个或两个以上的网络在同一时间,但是,在这种情况下,网络的设计主要是增加产能,所以两个或两个以上的网络并行工作,同时保证最小覆盖在复杂地区。通常,高容量地面网络可以补充一个卫星链接提供无线电覆盖在偏远地区和与其他地面网络提高能力等特殊部位的跟踪站或人口稠密的地区。

图3显示双层的测量网络gsm - r通信(HST27]。我们可以看到,两层很好交错在整个跟踪除了隧道哪里有双隧道中间中继器。有了这个设计,火车不断连接到两个网络,提高QoS和可用性为98%,与之相比,一个网络为86%。在失败的情况下的基站或一个完整的层,另一个可以支持关键通信的通信没有退化。

被通信的设计需要一个不同的解决方案。在这种情况下,两个网络将重叠使用相同的无线电覆盖能力的用户,而不是最大化QoS和可靠性。的无线网络中使用的关键或非关键通信,需要做一个详细的网络规划使用确定性信道的建模方法。新的无线电技术规划,如射线追踪和算法为铁路传播提出了(29日),可以作为首选实现预算准确链接。图4说明了实现的一个例子HST通信网络规划基于射线跟踪通道。定义的主要技术和网络广播计划可以概括如下:(我)包括公路/铁路特点在信道模型:这是一个开放的挑战主要是由于缺乏标准的信道模型和参考方案专门为公路/铁路。北京交通大学已经定义并构建一套参考场景模块mmWave和太赫兹陆地和卫星铁路通道(30.]。这些模块包括所有主要的对象,例如,电台,穿越桥梁、隧道、岩屑、壁垒、塔、建筑物、植被、交通标志、广告牌、火车、等,与他们的现实的典型几何形状和材料。他们可以独立的用于特定站点验证或以各种方式组合进行统计分析。一些快照这些HST的射线追踪模拟场景图所示5。3 d环境模型是公开和免费下载链接http://raytracer.cloud。(2)mmWave设计和太赫兹固定和移动网络:这些需要准确和高效的无线电频率规划,文中模拟非常有用但准确模拟是非常具有挑战性的,因为大量的对象会影响通道属性,因此,他们应该被包括在场景(31日,32]。为了应对这一挑战,发展的部署RT模拟器从个人电脑到高性能计算(HPC)平台上是一种很有前途的解决方案。的作者(9]目前最先进的高性能RT发展平台。做RT模拟的案例研究的三个铁路场景30兆赫,高性能RT平台比laptop-based RT快100倍,没有“内存不足”的问题。(3)在当前公路/铁路网络部署、快速自适应波束形成所需的高机动汽车/火车。然而,有可能避免这种具有挑战性的波束形成的要求,部署的传输(Tx)天线向同一个方向沿着公路/铁路和移动两个基站的从中间交接(BSs)附近的地区当火车很废话。这一创新,RT模拟(见图6这是图在[9])和测量在首尔地铁8号线由电子和电信研究院(电子)(见图7这是图在[28])暗示甚至固定定向天线(或波束形成)可以支持链接长度超过1公里视距(LOS)条件下和周围几百米下non-LOS 30 GHz(仿真结果)条件。(iv)与部署专用的高成本mmWave和太赫兹地面通信,卫星是一个很好的解决方案,因为不需要地面网络(尽管需要备份技术在汽车/火车隧道)。许多研究项目探讨提供互联网接入机上乘客的可能性(33),但他们中的大多数人都失败了,由于技术复杂性或缺乏足够的商业计划(33]。最近,一个新的电信解决方案基于多个无线电持有者使用蜂窝和卫星公共网络代替专用的部署基础设施提出了(21]。300公里的铁路线上一个测试活动(约10000公里的测试)的性能进行了评价铁路环境中细胞和卫星网络。结果的可实现的连接可靠性和端到端延迟(E2E)鼓励采用的公共陆地移动网络(PLMN) /卫星出口ERTMS / ETCS程序[方法22]。

4所示。结论

在这篇文章中,最先进的无线通信智能铁路运输全面系统调查和讨论。首先,通信需求和场景/链接定义了智能铁路运输train-to-infrastructure而言,interwagon, intrawagon,站内,infrastructure-to-infrastructure场景。关于关键通信,gsm - r和当前形势的趋势未来LTE-R进行了综述,主要关键发出信号质量和内部培训,链型网络部署和安全保证QoS服务强调深造。此外,提供非关键的多个可能的解决方案,分析了宽带通信。一个复杂项目非常需要安装一个网络在训练和一些外部网络结合陆地链接在微波和mmWave乐队与卫星连接。网络规划,使用冗余通信保障的关键解决方案是一个优秀的无线电覆盖和关键通信的可靠性,而部署两个或两个以上的不同的网络,可以并行工作的提供非关键的重要性,宽带通信的车载用户。最后但并非最不重要,一些主要技术强调网络无线电智能铁路运输系统规划,包括准确的链路预算使用高性能的射线追踪方法,新的交接方案避免快速自适应波束形成和新电信解决方案基于多个电台持有者使用蜂窝和卫星公共网络。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是使5 g的框架下开发tec2014 - 55735 c3 - 2 r资助和西班牙经济的竞争力和国家自然科学基金委资助下61771036和61771036,北京自然科学基金在格兰特L161009,亚历山大•冯•洪堡基金会,以及轨道交通控制与安全国家重点实验室项目赠款RCS2017ZZ004 RCS2017ZT008。

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