基于移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制的多機(jī)車同步操控?zé)o線通信策略

袁天洋， 吳 昊， 柴金川， 丁建文

(1. 北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044;2. 中國鐵道科學(xué)研究院 國家鐵道試驗(yàn)中心， 北京 100015)

目前重載運(yùn)輸已成為國內(nèi)外貨物運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展趨勢。萬噸以上重載列車須采用多機(jī)車同步操控(LOCOTROL)共同牽引的方式[1]，機(jī)車間通過無線通信進(jìn)行信息傳輸。由于無線通信的質(zhì)量和時(shí)延直接影響到同步操控時(shí)的制動(dòng)和縱向沖動(dòng)，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案和性能成為開行無線同步操控重載組合列車的關(guān)鍵[2]。最簡單的機(jī)車間通信方式是主控機(jī)車通過車頂天線將信息直接發(fā)向從控機(jī)車，從控機(jī)車通過車頂天線接收信號。然而，由于車頂天線發(fā)射功率和車載通信單元信號處理能力的限制，該通信方式不能滿足同步操控系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求。目前國內(nèi)外主要采用鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)傳輸LOCOTROL控制信號數(shù)據(jù)，并在其基礎(chǔ)上開發(fā)了點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)議系統(tǒng)[3]，可以滿足不同運(yùn)輸編組方式的信息傳輸要求。然而，根據(jù)實(shí)際中對鐵路沿線各區(qū)間段通信的監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)今重載線路上部分地區(qū)依舊存在GSM-R弱場覆蓋或通信不穩(wěn)定的情況。另外，在該系統(tǒng)環(huán)境下每個(gè)機(jī)車都需要建立與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的專用電路交換數(shù)據(jù)傳輸信道[1]，從而造成通信鏈路環(huán)節(jié)較多，流程較為復(fù)雜，進(jìn)而提升了同步操控系統(tǒng)出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。

移動(dòng)中繼技術(shù)是近年來鐵路通信中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前針對該技術(shù)的研究主要面向普通汽車和客運(yùn)列車[4-5]，本文將該技術(shù)引入到重載鐵路中，用于提高同步操控系統(tǒng)的可靠性。與普通的車載通信設(shè)備相比，移動(dòng)中繼具有強(qiáng)大的信號收發(fā)和信息處理能力，能夠在一定條件下滿足同步操控系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求。因此，為提高同步操控系統(tǒng)的可靠性，考慮給主控機(jī)車安裝小型的移動(dòng)中繼站，移動(dòng)中繼在發(fā)送控制命令前比較其與GSM-R網(wǎng)絡(luò)之間和與從控機(jī)車之間的信道質(zhì)量，并據(jù)此選取通信鏈路與從控機(jī)車通信。這相當(dāng)于在原有的GSM-R通信機(jī)制基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制，提升同步操控系統(tǒng)的可靠性。本文進(jìn)一步描述在同步操控系統(tǒng)中采用移動(dòng)中繼技術(shù)的通信機(jī)制的原理，并分析該機(jī)制的可行性，然后通過Petri網(wǎng)建模仿真驗(yàn)證移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制的通信可靠性，并與目前的GSM-R通信機(jī)制作比較。

1 重載鐵路中的移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制

1.1 傳統(tǒng)通信機(jī)制

傳統(tǒng)的車載通信設(shè)備由通信輸入/輸出模塊(CIOM)和車載通信單元(OCU)組成；GSM-R網(wǎng)絡(luò)由地面基站設(shè)備、中心控制單元等組成。當(dāng)主控機(jī)車給從控機(jī)車發(fā)送指令時(shí)，主控機(jī)車首先將信息通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)(AN)，AN再通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給從控機(jī)車[1]。以雙機(jī)車頭共同牽引模式為例，傳統(tǒng)GSM-R通信機(jī)制架構(gòu)見圖1。

1.2 移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制

目前的重載鐵路列車有2×10 000 t、4×5 000 t等組合方式[6]。以雙機(jī)車頭共同牽引模式為例，移動(dòng)中繼通信機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

主控機(jī)車頂部的移動(dòng)中繼和從控機(jī)車的車頂天線均應(yīng)具備多模通信能力。在列車行進(jìn)過程中，主控機(jī)車頂部的移動(dòng)中繼實(shí)時(shí)測量其與GSM-R網(wǎng)絡(luò)間和與從控機(jī)車間的信道質(zhì)量。GSM-R網(wǎng)絡(luò)在郊區(qū)、山區(qū)等地區(qū)的小區(qū)覆蓋半徑通常為若干公里，因此在GSM-R網(wǎng)絡(luò)小區(qū)邊緣等地區(qū)，GSM-R信號強(qiáng)度較低，移動(dòng)中繼與從控機(jī)車間的信道條件相對較好。當(dāng)發(fā)送控制命令時(shí)，若移動(dòng)中繼與從控機(jī)車間的信道條件較好，則主控機(jī)車將與從控機(jī)車直接通信，發(fā)送的信息不再通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱為直傳模式)；若移動(dòng)中繼與從控機(jī)車間的信道條件和與GSM-R網(wǎng)絡(luò)間的信道條件相似，考慮到直傳模式可以使通信流程相對簡化，通信節(jié)點(diǎn)較少，進(jìn)而數(shù)據(jù)傳輸成功率較高，依然選擇使用該模式通信；若移動(dòng)中繼與GSM-R網(wǎng)絡(luò)間信道條件較好，則采用傳統(tǒng)的GSM-R數(shù)據(jù)會(huì)議系統(tǒng)通信。在此，移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制包含了直傳模式和傳統(tǒng)的GSM-R傳輸模式，相當(dāng)于在二者間做選擇，也是對GSM-R機(jī)制的補(bǔ)充與改進(jìn)。移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制既在一定程度上避免了傳統(tǒng)GSM-R機(jī)制中由于弱場而導(dǎo)致的控制信息傳輸失敗情況，又在一定條件下簡化了通信流程，進(jìn)一步提高同步操控系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)車前列車需要向控制中心通報(bào)車載移動(dòng)中繼與從控機(jī)車通信時(shí)所要使用的頻段。在行進(jìn)過程中，沿途經(jīng)過的基站設(shè)備應(yīng)避免使用該頻段通信。移動(dòng)中繼需要具備較大的發(fā)射功率，以及較強(qiáng)信號糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力，以便于與距離1 300 m外的從控機(jī)車進(jìn)行有效通信。同時(shí)，在設(shè)計(jì)移動(dòng)中繼時(shí)，可為其安裝有向天線，并令其具備根據(jù)從控機(jī)車位置調(diào)整信號發(fā)射方向的能力，以削弱因上下坡等情況帶來的信道質(zhì)量下降的影響，更好地發(fā)揮它的作用。

在此，主控機(jī)車車頂移動(dòng)中繼在必要時(shí)也可將來自調(diào)度中心的信息轉(zhuǎn)發(fā)給從控機(jī)車。目前，車載中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式有放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)、編碼協(xié)作等。其中，放大轉(zhuǎn)發(fā)方式較為簡單，對中繼的性能要求較低，但可靠性較差，而另外兩種方式需要較高性能的中繼才能取得較好的轉(zhuǎn)發(fā)效果。在實(shí)際中，可針對具體環(huán)境和中繼器的性能選取合適的轉(zhuǎn)發(fā)方式。

2 移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制通信質(zhì)量驗(yàn)證

考慮到行車安全，車載移動(dòng)中繼距地面高度不應(yīng)超過3 m。因此，需要采用適用于低天線高度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯νㄐ刨|(zhì)量進(jìn)行仿真。K.Konstantinou于2007年提出了針對低高度天線的2.1 GHz室外中繼傳播模型[7]。2.1 GHz與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的工作頻段并不沖突，因此本文中移動(dòng)中繼使用2.1 GHz頻段與從控機(jī)車直接通信，而車頂天線在經(jīng)過調(diào)整后也可以使用該頻段進(jìn)行通信。該模型適用于密集城市和郊區(qū)場景，其中視距可見模型適用于郊區(qū)場景。大秦線等主要重載鐵路線路的分布區(qū)域集中在郊區(qū)和山區(qū)，且彎道較少，多數(shù)情況下主控機(jī)車與從控機(jī)車間視距可見，因此可以采用該模型中的視距可見模型近似對本文提出的機(jī)制的通信質(zhì)量進(jìn)行仿真驗(yàn)證。由此，本文僅給出視距下的路徑損耗計(jì)算公式

LLOS=26.6-20lg(λ)-2.24ht-4.9hr+

29.6lgd+C

( 1 )

式中:LLOS為視距下路徑損耗；ht和hr分別是發(fā)射和接收天線距地面高度；d是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離；λ為波長；C為陰影衰落因子，近似服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為6～11 dB的對數(shù)正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差與傳輸距離、障礙物分布等因素有關(guān)。

當(dāng)前開行的重載列車總長度約為2 600 m。以雙機(jī)車共同牽引模式為例，每個(gè)萬噸列車長度(即機(jī)車間距)約為1 300 m[1]，因此機(jī)車間信號傳輸距離基本介于1 200 m至1 400 m之間。設(shè)車載移動(dòng)中繼電路域模塊發(fā)射功率為8 W，移動(dòng)中繼與從控機(jī)車車頂天線均有12 dBi增益[8]，通信頻率為2.1 GHz，移動(dòng)中繼和車頂天線頂部距地面2.8 m(其中，機(jī)車高度為2.5 m，中繼高度為0.3 m)，陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差為11 dB(即最大標(biāo)準(zhǔn)差)，得到的信號傳輸距離與從控機(jī)車天線接收電平的關(guān)系見圖3。

圖3(a)為不考慮陰影衰落情況下信號傳輸距離與從控機(jī)車天線接收電平的關(guān)系。其中，當(dāng)信號傳輸距離為1 300 m時(shí)，從控機(jī)車接收電平為-52.65 dbm。圖3(b)為標(biāo)準(zhǔn)差為11 dB的陰影衰落概率密度分布，其中陰影衰落以極大概率不超過40 dB。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，機(jī)車車頂天線處的最小接收電平不低于-92 dBm。根據(jù)圖3中的仿真結(jié)果，采用移動(dòng)中繼通信后從控機(jī)車最小電平以高于99.99%的概率滿足規(guī)范要求。因此使用移動(dòng)中繼與從控機(jī)車直接通信可基本滿足同步操控系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上提高通信可靠性。

3 通信流程有色Petri網(wǎng)建模

有色Petri網(wǎng)(CPN)作為一種高級Petri網(wǎng)，被認(rèn)為是基于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜系統(tǒng)建模和分析的最佳工具。CPN不僅具有普通Petri網(wǎng)描述并發(fā)、同步、異步、資源競爭、協(xié)調(diào)等離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為的功能，而且結(jié)合高級編程語言和建模的層次結(jié)構(gòu)，能夠完成包含復(fù)雜數(shù)據(jù)類型定義和數(shù)據(jù)處理的大型系統(tǒng)建模[10-11]。因此，可以使用CPN為通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸流程搭建一個(gè)模型，并在模型中設(shè)置各節(jié)點(diǎn)處的傳輸參數(shù)(如丟包率、傳輸時(shí)延)，然后通過多次模擬數(shù)據(jù)傳輸過程得到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸成功率，并以傳輸成功率判定通信可靠性。本文將采用無線傳輸丟包率和傳輸時(shí)延反映無線傳輸?shù)男诺罈l件，丟包率越高、傳輸時(shí)延越長，則表示無線信道條件越差。

移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制包含3種情況：直傳模式信道條件優(yōu)于GSM-R傳輸模式；直傳模式信道條件與GSM-R傳輸模式相似；直傳模式信道條件劣于GSM-R傳輸模式。本文將重點(diǎn)證明第2種情況下直傳模式的信息傳輸成功率明顯高于GSM-R傳輸模式，并由此推斷出第1種情況下該結(jié)論也成立，以證明采用移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制可以在部分情況下提高數(shù)據(jù)傳輸成功率，即提升同步操控系統(tǒng)的可靠性。因此，本文將對GSM-R傳輸模式和直傳模式分別建立有色Petri網(wǎng)，對比其在相似信道條件下的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

GSM-R傳輸模式的詳細(xì)通信流程為：主控機(jī)車將控制命令通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給AN，AN在收到命令后給主控機(jī)車發(fā)送應(yīng)答(Ack)信息，同時(shí)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給從控機(jī)車。主控機(jī)車在收到AN的Ack信息前，每隔300 ms向AN重新發(fā)送控制命令，直到收到AN的Ack信息。從控機(jī)車在收到AN轉(zhuǎn)發(fā)的控制信息后，向AN發(fā)送Ack信息。AN在收到從控機(jī)車的Ack信息前，每隔300 ms向從控機(jī)車重新發(fā)送控制命令，直到收到從控機(jī)車的Ack信息。在信息傳輸時(shí)延上限內(nèi)(如1 s)，若主控機(jī)車沒有收到AN的Ack信息，或AN沒有收到從控機(jī)車的Ack信息，則判定傳輸失敗。另外，若傳輸過程中地面設(shè)備有某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，則直接判定為傳輸失敗。

直傳模式的詳細(xì)通信流程為：主控機(jī)車通過無線信道向從控機(jī)車發(fā)送控制命令，從控機(jī)車在收到控制命令后向主控機(jī)車發(fā)送Ack信息。主控機(jī)車在收到從控機(jī)車的Ack信息前，每隔300 ms向從控機(jī)車重新發(fā)送控制命令，直到收到從控機(jī)車的Ack信息。在信息傳輸時(shí)延上限內(nèi)(如1 s)，若主控機(jī)車沒有收到從控機(jī)車的Ack信息，則判定傳輸失敗。

本文以雙機(jī)車頭共同牽引模式為例，應(yīng)用CPN Tools 4.0對GSM-R傳輸模式和直傳模式分別建立帶有時(shí)間戳的CPN模型。

圖4為GSM-R傳輸模式的CPN模型。圖4(a)為頂層模型，圖4(b)為復(fù)合變遷Transmission 1的子模型。鐵路電路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(CSD)中各節(jié)點(diǎn)間以數(shù)據(jù)包的形式傳遞信息，因此可以將CPN模型中的Token看作通信網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包，將其在模型中傳遞，以達(dá)到模擬實(shí)際通信網(wǎng)的效果。該模型所傳輸?shù)腡oken帶有時(shí)間戳，Token每進(jìn)行一次無線傳輸或有線傳輸操作其時(shí)間戳數(shù)值均要有一定的增長，增長的數(shù)值相當(dāng)于每次傳輸耗費(fèi)的時(shí)間，耗費(fèi)時(shí)間根據(jù)傳輸類型服從不同的隨機(jī)分布。

在頂層模型中，復(fù)合變遷Arrival用于生成Token，并將其發(fā)送；復(fù)合變遷Calculation用于計(jì)算完成總傳輸流程的Token的傳輸時(shí)延并判別該Token是否傳輸成功；復(fù)合變遷Transmission1為主控機(jī)車與AN間的通信網(wǎng)；復(fù)合變遷Transmission2為AN與從控機(jī)車間的通信網(wǎng)；復(fù)合變遷AN Packet Deal用于判定AN處理數(shù)據(jù)時(shí)是否有丟包現(xiàn)象發(fā)生，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

Token進(jìn)入Transmission1后首先通過復(fù)合變遷Air Transmission Up來判別無線上行傳輸部分是否傳輸成功，并在時(shí)間戳中加上一個(gè)隨機(jī)的傳輸時(shí)延。若判定傳輸成功則被送到庫所GSM-R Network Up中；若判定傳輸失敗則被送到庫所Transmission Fail 1中，進(jìn)而被送回入口庫所Packet to Send。函數(shù)ResendTime1可以通過Token所攜帶的信息將其時(shí)間戳設(shè)定為上次進(jìn)入Air Transmission Up后的300 ms。雖然本模型中的機(jī)制是Token被送回Packet to Send然后被定時(shí)重新發(fā)送，但與主控機(jī)車在300 ms內(nèi)沒有收到來自AN的Ack信息則重新發(fā)送數(shù)據(jù)是等效的。當(dāng)無線上行傳輸成功后，Token被發(fā)送到復(fù)合變遷Packet Transmission 1中被判定有線上行傳輸是否成功。與無線傳輸不同，有線傳輸無論成功與否Token均被復(fù)制為2個(gè)發(fā)往庫所An Ack(用于應(yīng)答主控機(jī)車)和庫所An Receive(用于發(fā)送給AN)。若判定傳輸成功則在時(shí)間戳中加上一個(gè)隨機(jī)的傳輸時(shí)延；若判定為傳輸失敗則在Token攜帶的信息中標(biāo)記該Token傳輸失敗，并將其直接送往終點(diǎn)，中間不再做任何操作。Packet Transmission 2為判定有線下行傳輸是否成功的變遷，其原理與Packet Transmission 1相似。當(dāng)有線下行傳輸成功后Token進(jìn)入復(fù)合變遷Air Transmission Down判定無線下行傳輸是否成功，并在時(shí)間戳中加上一個(gè)隨機(jī)的傳輸時(shí)延。若傳輸成功則被發(fā)送到庫所Ack Receive中，這樣該Token就不會(huì)再被重傳，等效于主控機(jī)車收到了Ack信息；若傳輸失敗則被送回入口庫所Packet to Send經(jīng)定時(shí)后重傳。在此，無論無線上行傳輸失敗還是下行傳輸失敗均相當(dāng)于主控機(jī)車沒有收到來自An的Ack信息，進(jìn)而主控機(jī)車將定時(shí)重傳信息，因此無線上行和下行傳輸失敗的Token可被以通過同樣的方式送還到入口庫所Packet to Send中，并經(jīng)定時(shí)后重傳。Token被送到Ack Receive后會(huì)在頂層模型中被送到Calculation中，在計(jì)算時(shí)延后用于判斷總體傳輸流程是否成功。

Token進(jìn)入復(fù)合變遷Transmission2后，經(jīng)由相似的流程進(jìn)行傳輸。Token被發(fā)送到Transmission2的出口庫所相當(dāng)于AN接收到了從控機(jī)車的Ack信息。此時(shí)，Token將被送到Calculation中，在計(jì)算時(shí)延后用于判斷總體傳輸流程是否成功。

復(fù)合變遷Calculation判斷Transmission1中出口庫所Ack Receive發(fā)送來的Token和Transmission2中出口庫所發(fā)送來的Token的傳輸時(shí)延是否滿足要求，只有當(dāng)2個(gè)Token的傳輸時(shí)延均在規(guī)定的時(shí)延內(nèi)才判定該次數(shù)據(jù)傳輸成功。

由于受仿真軟件限制，無法使用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。CPN Tools 4.0支持從均勻分布、正態(tài)分布、瑞利分布等分布函數(shù)中隨機(jī)抽樣，其中瑞利分布最能滿足對選取耗費(fèi)時(shí)間、傳輸成功率的要求。取耗費(fèi)時(shí)間、數(shù)據(jù)包傳輸成功率根據(jù)傳輸類型服從不同尺度的瑞利分布。由于各節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延、傳輸成功率為隨機(jī)函數(shù)，每次傳輸成功與否均帶有隨機(jī)性。該模型每執(zhí)行一個(gè)流程相當(dāng)于主控機(jī)車給從控機(jī)車傳輸一條數(shù)據(jù)，限定系統(tǒng)參數(shù)后進(jìn)行多次重復(fù)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)即可測得該參數(shù)下的傳輸成功/失敗率。例如，假設(shè)無線傳輸丟包率為0.01%，傳輸時(shí)延服從尺度為100 ms的瑞利分布，有線傳輸丟包率為0.001%，傳輸時(shí)延服從尺度為20 ms的瑞利分布，傳輸時(shí)延上限限定為1 s，在該條件下進(jìn)行500 000次重復(fù)獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，所得的傳輸成功/失敗次數(shù)即可反應(yīng)該條件下的傳輸成功/失敗率。進(jìn)行多次這種500 000次重復(fù)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，將結(jié)果取均值，即可得出更準(zhǔn)確的傳輸成功/失敗率。

圖5為直傳模式的CPN模型。其中，圖5(a)為頂層模型，圖5(b)為復(fù)合變遷Transmission的子模型。該模型的中各變遷的作用與GSM-R傳輸模式中的相似，在此不再做詳細(xì)描述。顯然，直傳模式的通信流程比GSM-R傳輸模式簡化了很多，其中無線傳輸鏈路數(shù)量為GSM-R傳輸模式的一半，且省去了所有地面設(shè)備傳輸與操作流程。

4 仿真結(jié)果對比

根據(jù)實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)中由非切換引起的電路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(CSD)誤包率通常不超過0.04%[12]。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，從主控機(jī)車發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)刻開始，到從控機(jī)車接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)刻為止，其時(shí)間間隔不應(yīng)大于1 s；AN的可用性應(yīng)大于99.999%。根據(jù)上述參數(shù)，假設(shè)數(shù)據(jù)包大小為30字節(jié)，傳輸速率為9.6 kbit/s，GSM-R與移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制在無線傳輸部分取相同參數(shù)(即二者信道條件相似)，CPN模型的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 CPN模型參數(shù)設(shè)置

需要說明的是，在無線傳輸過程中，若丟包事件發(fā)生，則表明該時(shí)刻信道條件不佳。根據(jù)實(shí)測的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，多數(shù)情況下數(shù)據(jù)包重傳情況事件的發(fā)生會(huì)伴隨信道質(zhì)量降級，且重傳次數(shù)越多信道質(zhì)量降級程度越高。因此本文中設(shè)置數(shù)據(jù)包每被重傳一次后再經(jīng)歷無線傳輸時(shí)，傳輸時(shí)延分布尺度遞增100 ms，丟包率分布尺度遞增10%。另外，多數(shù)情況下上行鏈路質(zhì)量比下行鏈路要差，因此在仿真過程中取上行鏈路的初始傳輸丟包率和傳輸時(shí)延均為下行鏈路的2倍。

分別取無線下行傳輸初始丟包率為0.01%、0.02%，所得信息傳輸時(shí)延上限和傳輸失敗率的關(guān)系見圖6(a),由于直傳模式的通信流程比GSM-R模式相對簡單，當(dāng)二者之間無線傳輸丟包率、傳輸時(shí)延分別相同，即無線信道條件相似的情況下，移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制中直傳模式的傳輸失敗率明顯低于GSM-R傳輸模式。其中，當(dāng)無線下行傳輸丟包率為0.01%時(shí)，若傳輸時(shí)延上限為500 ms，則直傳模式的傳輸失敗率是GSM-R傳輸模式的23.2%；若傳輸時(shí)延上限為1 000 ms，則直傳模式的傳輸失敗率是GSM-R傳輸模式的19.5%。另外，即使直傳模式丟包率為GSM-R傳輸模式的2倍時(shí)，前者傳輸失敗率也低于后者。

由圖6(a)可知，各傳輸機(jī)制下單次傳輸成功率均在99.8%以上。然而，在列車行駛途中可能會(huì)有上千次的信息傳輸過程，任意一次控制命令傳輸失敗均可能導(dǎo)致車廂間脫鉤、制動(dòng)失效等危險(xiǎn)事件發(fā)生。以圖6(a)的傳輸單次失敗率為基礎(chǔ)，計(jì)算1 000次數(shù)據(jù)傳輸全部成功的概率，所得傳輸時(shí)延上限與其關(guān)系見圖6(b)。由圖6(b)可知，在單次傳輸成功率較高的情況下，1 000次傳輸全部成功的概率會(huì)明顯降級。其中，對于GSM-R傳輸模式，當(dāng)丟包率為0.02%，傳輸時(shí)延上限為500 ms時(shí)，雖然單次傳輸成功率高達(dá)99.85%，但1 000次傳輸全部成功概率僅為22.6%。另外，圖6(b)中GSM-R傳輸模式所能達(dá)到的最高成功率為81.84%，移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制所能達(dá)到的最高成功率為96.22%。

綜上，當(dāng)直傳模式的丟包率和傳輸延遲與GSM-R傳輸模式相似或低于GSM-R時(shí)，由于直傳模式通信流程相對簡單，其信息傳輸成功率明顯高于GSM-R傳輸模式。另外，當(dāng)直傳模式丟包率一定程度高于GSM-R傳輸模式時(shí)，其信息傳輸成功率也有可能高于GSM-R傳輸模式。因此，采用移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制可以更有效地避免因機(jī)車間不同步而導(dǎo)致脫鉤、剎車失效等危險(xiǎn)事件的發(fā)生，明顯提高同步操控系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

本文針對重載列車同步操控系統(tǒng)提出了移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制。對該機(jī)制與傳統(tǒng)GSM-R機(jī)制在原理上進(jìn)行了分析與比較，并通過使用室外中繼傳播經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯σ苿?dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行Matlab仿真，驗(yàn)證該機(jī)制中直傳模式在多數(shù)情況下可滿足同步操控系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求；針對移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制直傳模式與GSM-R傳輸模式分別建立了CPN模型，并通過模型對2種傳輸模式的可靠性進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，相比于GSM-R機(jī)制，采用移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制可以明顯提高同步操控系統(tǒng)的通信可靠性。

本文中設(shè)計(jì)的移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制暫時(shí)僅適用于雙機(jī)共同牽引模式，且僅從理論上定性分析了該機(jī)制的優(yōu)勢，另外尚未給出主控機(jī)車選擇傳輸模式時(shí)的具體門限參數(shù)。下一步將研究針對4臺機(jī)車牽引模式的移動(dòng)中繼增強(qiáng)機(jī)制，并在實(shí)際中對該機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)根據(jù)實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)細(xì)化選擇流程。

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