鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)

前言

　　作為鐵路信息化驅(qū)動(dòng)力的GSM．R（GSM for Railway）系統(tǒng)最早起源于歐洲，當(dāng)前已在鐵路發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色，引導(dǎo)著全球鐵路事業(yè)向著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化的方向邁進(jìn)?！　∥覈?guó)鐵路建設(shè)是國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略的需要。國(guó)家中長(zhǎng)期綜合交通發(fā)展規(guī)劃綱要提出，到2020年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12萬(wàn)km以上，運(yùn)輸能力滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要，主要技術(shù)裝備達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平；國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要已將“高速軌道交通系統(tǒng)”、“高效運(yùn)輸技術(shù)與裝備”、“高速運(yùn)輸安全與應(yīng)急保障”列為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題；鐵路科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃和國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃綱要已將高速列車、高速行車控制技術(shù)、高速鐵路安全監(jiān)控系統(tǒng)列為重點(diǎn)研發(fā)內(nèi)容；2008年科技部、鐵道部啟動(dòng)《中國(guó)高速列車自動(dòng)創(chuàng)新聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃》研制時(shí)速350 km以上的高速動(dòng)車組和基于GSM．R的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS3（ChineseTrain Control System 3）?！　¤F路運(yùn)營(yíng)與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)，鐵路通信系統(tǒng)的可靠性、有效性、可維護(hù)性、安全性（Reliability，Availability，Mmntenance，Safety）一直是鐵路信息化建設(shè)的重點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題，直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全；而GSM-R系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著傳輸列車控制數(shù)據(jù)的重要任務(wù)，其安全可靠的傳輸直接關(guān)系到列車行車安全。當(dāng)前國(guó)內(nèi)GSM—R系統(tǒng)建設(shè)中遇到的部分問(wèn)題，如電波傳播的模型選擇、場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試的統(tǒng)計(jì)區(qū)間及采樣間隔的選取、干擾分析、指標(biāo)建立與評(píng)估等都停留在工程應(yīng)用或較淺的理論研究層面，缺乏系統(tǒng)、深入的理論支撐；而國(guó)外在GSM．R建設(shè)方面所依據(jù)的部分理論對(duì)外采取技術(shù)保密。正是基于這種背景，本書致力于GSM．R系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)理論的闡述，力圖從理論層面分析GSM—R系統(tǒng)建設(shè)中遇到的問(wèn)題，希望能對(duì)我國(guó)鐵路GSM．R系統(tǒng)工程建設(shè)有一定的理論指導(dǎo)意義。

內(nèi)容概要

　　《鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)應(yīng)用基礎(chǔ)理論》以GSM-R系統(tǒng)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)深入地闡述了與GSM-R建設(shè)緊密相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論問(wèn)題，主要包括：無(wú)線電波傳播理論、干擾分析理論、頻率規(guī)劃理論、無(wú)線組網(wǎng)理論、GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量理論；鑒于越區(qū)切換技術(shù)在GSM-R專用模式性能中的重要性，基于對(duì)越區(qū)切換阻塞率的分析，闡述了越區(qū)切換的可靠性問(wèn)題?！　　惰F路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)應(yīng)用基礎(chǔ)理論》是一本有關(guān)GSM-R系統(tǒng)的理論書籍，可作為高等院校相關(guān)專業(yè)本科生、研究生學(xué)習(xí)GSM-R技術(shù)和知識(shí)的教材和教學(xué)參考書，也可作為從事無(wú)線通信、鐵路通信系統(tǒng)工程建設(shè)的科技工程人員的培訓(xùn)教材或自學(xué)參考書。

作者簡(jiǎn)介

　　鐘章隊(duì)，1983年畢業(yè)于北方交通大學(xué)（現(xiàn)北京交通大學(xué)）?，F(xiàn)任北京交通大學(xué)教授。博士生導(dǎo)師，現(xiàn)代通信研究所所長(zhǎng)，軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通信首席教授。是中國(guó)鐵路GSM—R首席專家，中國(guó)電子學(xué)會(huì)通信分會(huì)委員，中國(guó)無(wú)線電協(xié)會(huì)常務(wù)理事。中國(guó)電子學(xué)會(huì)、中國(guó)通信學(xué)會(huì)、中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)等高級(jí)會(huì)員。撰寫《集群移動(dòng)通信信令》、《GPRS通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)》、《鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM—R）》等5本著作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。主持30多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)及國(guó)家重大工程科研項(xiàng)目；獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。省部級(jí)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，主持的“鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM—R）理論、關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”榮獲2007年度中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展獎(jiǎng)。1998年被評(píng)為鐵道部有突出貢獻(xiàn)的中青年科技專家，1999年享受國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼，2004年獲得茅以升科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（鐵道科技獎(jiǎng)），2007年獲得第八屆詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

書籍目錄

第1章 概述1．1 GSM．R系統(tǒng)1．1．1 GSM．R系統(tǒng)簡(jiǎn)介1．1．2 GSM．R系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范1．1．3 國(guó)內(nèi)外GSM—R發(fā)展?fàn)顩r1．2 GSM．R系統(tǒng)中的理論問(wèn)題1．2．1 應(yīng)用基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)1．2．2 相關(guān)研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀1．2．3 GSM．R基礎(chǔ)研究受國(guó)家資助狀況1．3 GSM．R系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展1．3．1 GSM．R系統(tǒng)發(fā)展展望1．3．2 高可信無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)GSMRC1．3．3 GSMR．c理論研究發(fā)展方向第2章 GSM-R應(yīng)用基礎(chǔ)理論相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2．1 概率論2．1．1 概率分布和概率密度2．1．2 期望、矩和方差2．1．3 不相關(guān)性和獨(dú)立性2．2 隨機(jī)過(guò)程2．2．1 隨機(jī)過(guò)程基本概念2．2．2 平穩(wěn)性、均值和自相關(guān)函數(shù)2．2．3 寬平穩(wěn)過(guò)程、時(shí)間平均和遍歷性2．2．4 功率譜2．2．5 概率論與隨機(jī)過(guò)程在GSM-R應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用2．3 排隊(duì)論2．3．1 排隊(duì)論基本概念及模型2．3．2 排隊(duì)模型的Markov過(guò)程分析方法2．3．3 排隊(duì)論在GSM．R應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用2．4 粗糙集理論2．4．1 知識(shí)與知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)2．4．2 不精確范疇，近似與粗糙集2．4．3 知識(shí)約簡(jiǎn)及依賴性2．4．4 粗糙集理論在GSM．R應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用2．5 著色Perri網(wǎng)基本理論2．5．1 著色Petri網(wǎng)基本概念2．5．2 著色Petri網(wǎng)的基本特性和分析方法2．5．3 著色Petri網(wǎng)理論在GSM-R應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用2．6 灰色聚類理論2．6．1 灰數(shù)、灰數(shù)白化與灰度2．6．2 灰色序列生成2．6．3 灰色關(guān)聯(lián)、變權(quán)與定權(quán)聚類2．6．4 灰色聚類理論在GSM．R理論研究中的應(yīng)用2．7 本章小結(jié)第3章 無(wú)線電波傳播理論3．1 引言3．2 無(wú)線電波傳播機(jī)制3．2．1 直射3．2．2 反射3．2．3 繞射3．2．4 散射3．3 無(wú)線電波衰落特性3．3．1 平均路徑損耗3．3．2 陰影衰落3．3．3 dJ尺度衰落3．4 電波傳播模型3．4．1 電波傳播模型的建立3．4．2 宏小區(qū)模型3．4．3 微小區(qū)傳播模型3．4．4 微微小區(qū)傳播模型3．4．5 室內(nèi)傳播模型3．5 傳播模型環(huán)境參數(shù)及模型校正3．5．1 傳播模型環(huán)境參數(shù)3．5．2 鐵路環(huán)境下傳播模型的校正3．5．3 無(wú)線鏈路預(yù)算3．6 陰影衰落的測(cè)量3．6．1 場(chǎng)強(qiáng)與電平的關(guān)系3．6．2 IJee氏定律3．6．3 統(tǒng)計(jì)區(qū)間的確立依據(jù)3．6．4 采樣數(shù)目的確立依據(jù)3．6．5 置信度的確立依據(jù)3．6．6 測(cè)量次數(shù)的確立依據(jù)3．6．7 統(tǒng)計(jì)處理方法3．7 小尺度衰落特性的測(cè)量3．7．1 影響小尺度衰落的因素3．7．2 多徑隨時(shí)間變化規(guī)律3．7．3 多徑徑數(shù)的變化規(guī)律3．7．4 多徑徑數(shù)的時(shí)間間隔變化規(guī)律3．7．5 小尺度衰落測(cè)量方法3．8 電波傳播理論在高速鐵路中的應(yīng)用3．8．1 高速鐵路電波傳播特點(diǎn)3．8．2 與電波傳播相關(guān)的高速鐵路工程設(shè)計(jì)3．8．3 與電波傳播相關(guān)的高速鐵路工程驗(yàn)收3．9 本章小結(jié)第4章 GSM-R系統(tǒng)中的干擾分析理論4．1 基本概念4．1．1 干擾的分類4．1．2 載干比與信噪比4．1．3 同頻、鄰頻及交調(diào)／互調(diào)干擾4．1．4 頻率復(fù)用距離及復(fù)用模式4．1．5 通信質(zhì)量4．1．6 接收靈敏度與接收系統(tǒng)靈敏度4．2 噪聲干擾4．2．1 自然噪聲4．2．2 人為噪聲4．2．3 內(nèi)部噪聲4．2．4 噪聲干擾分析4．3 同頻干擾4．3．1 同頻干擾的生成機(jī)理及計(jì)算4．3．2 大尺度路徑損耗同頻載干比4．3．3 陰影衰落下的同頻載干比4．3．4 小尺度衰落下的載干比4．4 鄰頻干擾4．4．1 鄰頻干擾的生成機(jī)理4．4．2 鄰頻干擾載干比計(jì)算4．5 同鄰頻干擾綜合模型4．5．1 單干擾源情況4．5．2 多干擾源情況4．6 交調(diào)／互調(diào)干擾機(jī)理及計(jì)算4．6．1 互調(diào)干擾機(jī)理4．6．2 互調(diào)干擾載干比的計(jì)算與三階無(wú)互調(diào)信道組4．7 大信號(hào)阻塞干擾4．8 系統(tǒng)間干擾問(wèn)題分析4．8．1 CDMA系統(tǒng)對(duì)GSM—R系統(tǒng)的干擾途徑4．8．2 CDMA系統(tǒng)對(duì)GSM—R系統(tǒng)的雜散干擾分析4．8．3 CDMA系統(tǒng)對(duì)GSM—R系統(tǒng)的阻塞干擾分析4．9 本章小結(jié)第5章 頻率規(guī)劃理論5．1 基本概念5．1．1 頻率復(fù)用距離5．1．2 鏈狀網(wǎng)5．1．3 面狀網(wǎng)5．2 GSM—R系統(tǒng)中的頻率規(guī)劃概述5．2．1 基站站型的確定5．2．2 頻率規(guī)劃方法的確定5．2．3 GSM-R頻率規(guī)劃目標(biāo)5．3 線狀鐵路頻率規(guī)劃分析5．3．1 粗糙集灰色聚類理論基本概念5．3．2 基于粗糙集灰色聚類理論的頻率規(guī)劃理論5．3．3 舉例分析5．4 面狀頻率規(guī)劃算法5．4．1 禁忌搜索法5．4．2 遺傳算法5．4．3 爬山算法5．4．4 窮舉搜索法5．4．5 順序分配法5．5 面狀鐵路頻率規(guī)劃分析5．5．1 采用3×3頻率復(fù)用的頻率規(guī)劃方案5．5．2 采用2×3頻率復(fù)用的頻率規(guī)劃方案5．5．3 采用3×2頻率復(fù)用的頻率規(guī)劃方案5．5．4 采用4×3頻率復(fù)用的頻率規(guī)劃方案5．5．5 不規(guī)則頻率復(fù)用的頻率規(guī)劃方案5．5．6 幾種頻率規(guī)劃方案的比較5．6 本章小結(jié)第6章 GSM-R無(wú)線組網(wǎng)理論第7章 GSM-R系統(tǒng)QoS理論附錄A Lee氏定律推導(dǎo)附錄B 符號(hào)表附錄C 縮略語(yǔ)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　概述　　1.1　GSM.R系統(tǒng)　　作為鐵路信息化驅(qū)動(dòng)力的鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communi.cation Railway，GSM—R）技術(shù)，是國(guó)際鐵路聯(lián)盟（Union International des Chemins de fer，UIC）為滿足歐洲21世紀(jì)鐵路一體化進(jìn)程而推薦的歐洲鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)，最早在歐洲發(fā)展起來(lái)。該系統(tǒng)能滿足國(guó)際鐵路聯(lián)盟提出的鐵路專用調(diào)度通信的要求，具有功能完善、傳輸可靠、交換靈活、容量大等特點(diǎn)，已在許多國(guó)家取得了良好的發(fā)展，并在鐵路發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色，引導(dǎo)著全球鐵路事業(yè)向著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化的方向邁進(jìn)。它與全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）既有相通之處，但也存在諸多不同?！　?.1.1　GSM—R系統(tǒng)簡(jiǎn)介　　GSM.R是鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了調(diào)度通信功能（語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播、增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆等）、鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù)（功能尋址、接人矩陣、基于位置的尋址等）來(lái)滿足鐵路專用調(diào)度通信的要求，并以此作為信息化平臺(tái)，使用戶可以在此平臺(tái)上開(kāi)發(fā)各種鐵路應(yīng)用。GSM—R的業(yè)務(wù)模型可以概括為：GSM—R業(yè)務(wù)=GSM業(yè)務(wù)+語(yǔ)音調(diào)度業(yè)務(wù)+鐵路基本業(yè)務(wù)+鐵路應(yīng)用。未來(lái)的GSM—R還將引入更多新的特性和服務(wù)，如貨物跟蹤、旅客信息服務(wù)等，這些都將確保鐵路運(yùn)營(yíng)方能夠盡可能以低廉的價(jià)格為鐵路乘客提供持續(xù)的高水平服務(wù)。

圖書封面

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