一种车地无线通信系统性能仿真方法及系统的制作方法

一种车地无线通信系统性能仿真方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车地无线通信系统技术领域，更具体地说，涉及一种车地无线通信系 统性能仿真方法及系统。
【背景技术】
[0002] 在基于无线通信的城市轨道列车控制系统中，车地无线通信系统用于传输列车控 制信号等关键信息，当车地无线通信系统发生失效将导致列车停驶或者降模式行驶，因此 车地无线通信系统的高可用性和可靠性是城市轨道交通运营效率的重要保障，进而研宄车 地无线通信系统有效的实验室仿真测试方法，预先准确评估和验证设备及系统的性能，对 设计高可用性和可靠性的车地无线通信系统、保障运营效率有突出意义。
[0003] 目前对车地无线通信系统的性能仿真通常有两种方案，分别为：静态通信指标测 试和动态切换测试。其中静态通信指标测试是将车载AP(AccessPoint，无线接入点）和轨 旁AP放置在静态场景中，并且车载AP保持连接到一个轨旁AP。车载AP和轨旁AP的信号 接收强度在大尺度上基本恒定，仅限于小尺度的随机衰减。在此环境下测试车地无线通信 系统的延迟、丢包率、带宽等性能指标。
[0004] 动态切换测试则是将车载AP和轨旁AP放置在运动场景中，车载AP在多个轨旁AP 间漫游切换连接。车载AP和轨旁AP的信号接收强度不仅在大尺度上随设备间距离、角度 以及环境的变化而变化，同时也存在小尺度的随机衰减。在此环境下测试车地无线通信的 性能指标以及车载AP切换连接的成功率，其中漫游切换是车载AP从一个轨旁AP切换至另 一个轨旁AP时通信链路的移交过程。
[0005] 但是在上述静态通信指标测试和动态切换测试过程中，经常使用射频线传输和射 频衰减器来仿真替代无线传输介质，衰减器中用于指示信号强度衰减变化的无线通信信号 模型无法根据仿真环境实时变化，进而降低性能仿真的准确度。

【发明内容】

[0006] 有鉴于此，本发明提供一种车地无线通信系统性能仿真方法及系统，用于提高性 能仿真的准确度。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] 本发明提供一种车地无线通信系统性能仿真方法，应用于无线通信仿真系统中， 所述方法包括：
[0009] 基于车地无线通信系统的运行环境，预先建立无线通信信号模型，其中所述运行 环境至少用于指示车地无线通信系统所在环境的隧道情况、车辆行驶情况和各种通信效应 对所述无线通信信号模型的影响；
[0010] 基于所述无线通信信号模型，计算所述无线通信仿真系统中各个通道衰减器的衰 减值，其中所述衰减值用于指示所述无线通信仿真系统中车载无线接入单元与各路轨旁无 线接入点之间的信号强度；
[0011] 基于所述各个通道衰减器中的衰减值，控制所述车载无线接入单元与各路轨旁无 线接入点之间的测试报文的通信，得到所述车载无线接入单元与各路轨旁无线接入点之间 的通信测试结果，所述通信测试结果用于指示所述车载无线接入单元与各路轨旁无线接入 点之间通信的可用性和可靠性。
[0012] 优选地，所述基于所述无线通信信号模型，计算所述无线通信仿真系统中各个通 道衰减器中的衰减值，包括：
[0013] 获取所述车地无线通信系统的运行环境中每个通信通道中的实际衰减值；
[0014] 分别对每个通信通道中的实际衰减值进行拟合，得到每个通信通道中的大尺度衰 减模型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值；
[0015] 基于每个所述第一衰减值、车载无线接入单元与轨旁无线接入点之间的距离，并 结合所述无线通信信号模型，计算出每个通信通道中的第三衰减值；
[0016] 将每个通信通道中的所述第三衰减值和同一通信通道中的所述第二衰减值相加， 得到每个所述通道衰减器中的衰减值。
[0017] 优选地，对通信通道中的实际衰减值进行拟合，得到通信通道中的大尺度衰减模 型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值，包括：
[0018] 对所述实际衰减值的随距离变化情况进行拟合，得到所述第一衰减值；
[0019] 将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差进行平滑处理，得到所述实际衰减值随 距离变化的第一局部平均值；
[0020] 采用对数正态分布对所述第一局部平均值进行拟合，得到阴影衰减值；
[0021] 将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差与所述第一局部平均值进行相减，得到 第二局部平均值；
[0022] 采用莱斯分布对所述第二局部平均值进行拟合，得到多径衰减值；
[0023] 对所述阴影衰减值和所述多径衰减值进行拟合，得到所述第二衰减值。
[0024] 优选地，所述方法还包括：从所述通信测试结果中选取通信延时大于预设通信延 时的通信测试结果；
[0025] 基于所选取的通信测试结果进行漫游切换性能分析。
[0026] 本发明还提供一种车地无线通信系统性能仿真系统，所述系统包括：
[0027] 建立模块，用于基于车地无线通信系统的运行环境，预先建立无线通信信号模型， 其中所述运行环境至少用于指示车地无线通信系统所在环境的隧道情况、车辆行驶情况和 各种通信效应对所述无线通信信号模型的影响；
[0028] 计算模块，用于基于所述无线通信信号模型，计算所述无线通信仿真系统中各个 通道衰减器的衰减值，其中所述衰减值用于指示所述无线通信仿真系统中车载无线接入单 元与各路轨旁无线接入点之间的信号强度；
[0029] 控制模块，用于基于所述各个通道衰减器中的衰减值，控制所述车载无线接入单 元与各路轨旁无线接入点之间的测试报文的通信，得到所述车载无线接入单元与各路轨旁 无线接入点之间的通信测试结果，所述通信测试结果用于指示所述车载无线接入单元与各 路轨旁无线接入点之间通信的可用性和可靠性。
[0030] 优选地，所述计算模块包括：
[0031] 获取单元，用于获取所述车地无线通信系统的运行环境中每个通信通道中的实际 衰减值；
[0032] 拟合单元，用于分别对每个通信通道中的实际衰减值进行拟合，得到每个通信通 道中的大尺度衰减模型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值；
[0033] 第一计算单元，用于基于每个所述第一衰减值、车载无线接入单元与轨旁无线接 入点之间的距离，并结合所述无线通信信号模型，计算出每个通信通道中的第三衰减值；
[0034] 第二计算单元，用于将每个通信通道中的所述第三衰减值和同一通信通道中的所 述第二衰减值相加，得到每个所述通道衰减器中的衰减值。
[0035] 优选地，所述拟合单元包括：
[0036] 第一拟合子单元，用于对所述实际衰减值的随距离变化情况进行拟合，得到所述 第一衰减值；
[0037] 平滑处理子单元，用于将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差进行平滑处理， 得到所述实际衰减值随距离变化的第一局部平均值；
[0038] 第二拟合子单元，用于采用对数正态分布对所述第一局部平均值进行拟合，得到 阴影衰减值；
[0039] 处理子单元，用于将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差与所述第一局部平均 值进行相减，得到第二局部平均值；
[0040] 第三拟合子单元，用于采用莱斯分布对所述第二局部平均值进行拟合，得到多径 衰减值；
[0041] 第四拟合子单元，用于对所述阴影衰减值和所述多径衰减值进行拟合，得到所述 第二衰减值。
[0042] 优选地，所述系统还包括：选取模块，用于从所述通信测试结果中选取通信延时大 于预设通信延时的通信测试结果；
[0043] 切换模块，用于基于所选取的通信测试结果进行漫游切换性能分析。
[0044] 与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0045] 本发明提供的车地无线通信系统性能仿真方法及系统可以基于车地无线通信系 统的运行环境预先建立无线通信信号模型，并基于无线通信信号模型计算无线通信仿真系 统中各个通道衰减器的衰减值来控制车载无线接入单元与各路轨旁AP之间的信号强度， 使得测试过程中的无线通信信号模型和信号强度更接近于实际运行环境中的要求，实现对 实际运行环境的较为真实的重现，从而提高性能仿真的准确度。
【附图说明】
[0046] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0047] 图1为本发明实施例提供的车地无线通信系统性能仿真方法的流程图；
[0048] 图2为图1所示车地无线通信系统性能仿真方法中步骤102的流程图；
[0049] 图3为本发明实施例提供的大尺度衰减值和小尺度衰减值的示意图；
[0050]图4本发明实施例提供的车地无线通信系统性能仿真系统的结构示意图；
[0051] 图5为图4所示车地无线通信系统性能仿真系统中计算模块的结构示意图；
[0052] 图6为图5所示计算模块中拟合单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0053] 为了使本领域技术人员更好的理解本发明实施例，下面将结合本发明实施例中的 附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054] 请参阅图1，其示出了本发明实施例提供的车地无线通信系统性能仿真方法的一 种流程图，其中上述车地无线通信系统性 能仿真方法应用于无线通信仿真系统中，可以包 括以下步骤：
[0055] 101 :基于车地无线通信系统的运行环境，预先建立无线通信信号模型。在本发明 实施例中，运行环境至少用于指示车地无线通信系统所在环境的隧道情况、车辆行驶情况 和各种通信效应对无线通信信号模型的影响。
[0056] 例如在预先建立无线通信信号模型时考虑多种因素对无线通信信号模型的影响， 其中多种因素可以包括：
[0057] 考虑隧道情况，诸如不同隧道洞壁材质、隧道形状、转弯半径、洞内杂物或设备等 对信号衰减情况的影响；考虑各种通信效应，如由通信距离、转弯半径等引起的大尺度衰减 效应、阴影效应和多径效应等引起的小尺度衰减效应对无线通信信号模型的影响；考虑车 辆行驶情况（本发明中仿真的实际场景）对无线通信信号模型的影响。
[0058] 其中车辆行驶情况对无线通信信号模型造成影响的参数包括：列车起始位置、行 驶速度、停止位置以及列车位置随着真实时间流逝而变化，根据这些参数可以模拟出虚拟 列车的运行情况。并且列车位置随着真实时间流逝而变化可以是：起始位置加上行驶速度 与行驶时间的乘积。在虚拟列车行驶过程中，虚拟列车所处位置与各个轨旁AP布点位置之 差即为TRU(TrainRadioUnit，车载无线接入单元）与各个轨旁AP的距离，该距离、大尺度 衰减模型和小尺度衰减模型可以决定TRU与各个轨旁AP之间的信号强度。
[0059] 在本发明实施例中，无线通信信号模型可以使用基于统计的随机信号模型，因此 在本发明实施例中可以基于车地无线通信系统的运行环境，结合现有对基于统计的随机信 号模型的建立方法得到本发明实施例提供的无线通信信号模型。
[0060] 102:基于无线通信信号模型，计算无线通信仿真系统中各个通道衰减器的衰减 值，其中衰减值用于指示无线通信仿真系统中TRU与各路轨旁AP之间的信号强度。
[0061] 在本发明实施例中，通道衰减器是指位于某个通信通道内的衰减器，用于控制TRU 与各路轨旁AP在该通信通道的通信，且某个通道衰减器的衰减值可以是该通道内的大尺 度衰减值和小尺度衰减值两部分的叠加。发明人经过理论和实测研宄表明，在列车运行环 境中，无线信号的大尺度衰减值符合线性或log型衰减，小尺度衰减值可由阴影衰减值和 多径衰减值两部分组成，且阴影衰减值和多径衰减值均可以视为随机变量，其中阴影衰减 值用对数正态分布拟合，多径衰减值用莱斯分布拟合。基于此本发明实施例中计算各个通 道衰减器的衰减值的过程可以如图2所示，包括以下步骤：
[0062] 201 :获取车地无线通信系统的运行环境中每个通信通道中的实际衰减值。在车地 无线通信系统的运行环境中可以使用现有的信号测试工具采集每个通信通道中的实际衰 减值，其实际衰减值可以包括：采集位置的衰减值、采集位置与轨旁AP的距离。采集实际衰 减值时需要详细记录其采集的环境和条件，因为在不同环境和条件下采集多组数据有助于 在实验室中实现对更多类型场景的仿真。
[0063] 202:分别对每个通信通道中的实际衰减值进行拟合，得到每个通信通道中的大尺 度衰减模型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值。在本发明实施例中对实际衰减 值进行线性或log型拟合，得到大尺度衰减模型的第一衰减值，然后再通过对第一衰减值 的处理得到小尺度衰减模型的第二衰减值，其过程可以如下：
[0064] 首先，对实际衰减值的随距离变化情况进行拟合，得到第一衰减值。由于大尺度衰 减值符合线性或log型衰减，所以在对实际衰减值的随距离变化情况进行拟合时可以采用 线性拟合或log型拟合中的一种方式得到第一衰减值。
[0065] 其次，将实际衰减值和第一衰减值之差进行平滑处理，得到实际衰减值随距离变 化的第一局部平均值，再基于第一局部平均值和第一衰减值得到阴影衰减值和多径衰减 值。在本发明实施例中得到阴影衰减值和多径衰减值的过程为：采用对数正态分布对第一 局部平均值进行拟合，得到阴影衰减值；将实际衰减值和第一衰减值之差与第一局部平均 值进行相减，得到第二局部平均值，再采用莱斯分布对第二局部平均值进行拟合，得到多径 衰减值。
[0066] 最后，对阴影衰减值和多径衰减值进行拟合，得到第二衰减值。由于阴影衰减值和 多径衰减值是随机变量，基于拟合的对数正态分布参数和莱斯分布参数，可以生成第二衰 减值。
[0067] 在本发明实施例中，基于拟合的对数正态分布参数和莱斯分布参数，可以同时生 成多个第二衰减值。当生成多个第二衰减值时，可以随机从多个第二衰减值中随机选取一 个。
[0068] 203 :基于每个第一衰减值、TRU与轨旁AP之间的距离，并结合无线通信信号模型， 计算出每个通信通道中的第三衰减值。其可行方式可以是将第一衰减值和TRU与轨旁AP 之间的距离代入到无线通信信号模型中进行计算，无线通信信号模型的计算结果则是第三 衰减值。
[0069] 204:将每个通信通道中的第三衰减值和同一通信通道中的第二衰减值相加，得到 每个通道衰减器中的衰减值。在这里需要注意的一点是：在计算任意一个通道衰减器中的 衰减值时，需要将位于同一个通信通道中的第三衰减值和第二衰减值相加，以得到该通信 通道中的通道衰减器的衰减值。
[0070] 上述计算第三衰减值和第二衰减值所使用的参数并不是唯一的，而是因采集的运 行环境不同而不同，比如不同隧道洞壁材质、隧道形状、转弯半径、洞内杂物或设备等，因此 可以采集多组参数，分别用于模拟不同的实际运行环境。
[0071] 例如：在虚拟列车行驶中，假设列车当前位置为X，最邻近的3个轨旁AP的位置分 别为yl、y2、y3,TRU与轨旁AP的距离即为|x-yl|、|x_y2 |、|x_y3 | (卜|表示取绝对值）， 使用采集的多种参数，根据线性或log型拟合可以计算TRU与轨旁AP的第三衰减值分别为 Ll、L2、L3 ;TRU与各个轨旁AP之间的第二衰减值是相互独立的，印Ctrl从输入的小尺度 衰减值样本文件中获取3个随机样本作为各个通信通道的第二衰减值，分别为Sl、S2、S3， 将第三衰减值和对应的第二衰减值相加，得到每个通道衰减器的衰减值分别为（Ll+Sl)、 (L2+S2)、（L3+S3)，其中每个通道衰减器的衰减值用于控制TRU与对应的轨旁AP之间的通 信，如L1+S1是用于控制TRU与位于位置yl的轨旁AP之间的通信。
[0072] 在虚拟列车持续行驶过程中，可以重复使用上述计算衰减值的方法，实时更新每 个通道衰减器的衰减值，这样虚拟列车可以根据实时的实际运行环境得到用于控制TRU与 各个轨旁AP之间通信的衰减值，使虚拟列车的行驶更加真实化。
[0073] 在这里需要说明一点：大尺度衰减是无线信号在传输过程中信号强度随距离增大 而减小，一般将信号衰减幅度大于无线信号的载波的波长的几百倍以上的衰减可以看做是 大尺度衰减。小尺度衰减产生原因有两部分，一是障碍物或地形对无线信号有遮挡（即阴 影效应），信号衰减幅度大约是载波波长的几十或几百倍，因此将信号衰减幅度是载波波长 的几十或几百倍的衰减可以看做是小尺度衰减；产生小尺度衰减的另一个原因是周边各种 物体对无线信号反射后，多个反射信号叠加在一起相互增强或相互抵消（即多径效应），信 号衰减幅度是几个载波波长或者以秒级的衰减速度进行衰减，因此可以将信号衰减幅度是 几个载波波长的衰减或者以秒级的衰减速度进行的衰减同样看做是小尺度衰减。
[0074] 103 :基于各个通道衰减器中的衰减值，控制TRU与各路轨旁AP之间的测试报文的 通信，得到TRU与各路轨旁AP之间的通信测试结果，通信测试结果用于指示TRU与各路轨 旁AP之间通信的可用性和可靠性。
[0075] 在本发明实施例中，TRU与各路轨旁AP可以分别配置发送间隔和包长等控制参数 向通信对方发送测试报文，其中测试报文中添加有包序号和发送时间戳，进一步还可以获 取设备当前状态信息并填入测试报文中。在TRU与各路轨旁AP向通信对方发送测试报文 时，其发送测试报文的信号强度受其对应的通道衰减器的衰减值控制。
[0076] 通信对方在接收到测试报文后，在测试报文中的相关信息上添加时间戳后进行存 储，所存储的信息包括：测试报文内携带的包序号、发送时间戳、设备状态信息以及根据前 后两次收包得到的信息，其中根据前后两次收包得到的信息包括：本次收包距离前一次收 包的延时、对比前一个包序号的丢包数。
[0077] 在本发明实施例中上述存储的信息可以存储在TRU或者轨旁AP中，当然其也可以 存储在其他外设设备中。测试人员可以从信息的存储设备中获取当前测试数据或者查询历 史测试数据，并获得统计的通信测试结果，如：双向发包总数、丢包总数和通信延时分布等。
[0078] 从上述技术方案可以看出，本发明提供的车地无线通信系统性能仿真方法可以基 于车地无线通信系统的运行环境预先建立无线通信信号模型，并基于无线通信信号模型计 算无线通信仿真系统中各个通道衰减器的衰减值来控制TRU与各路轨旁AP之间的信号强 度，使得测试过程中的无线通信信号模型和信号强度更接近于实际运行环境中的要求，实 现对实际运行环境的较为真实的重现，从而提高性能仿真的准确度。
[0079] 通常情况下，漫游切换是出现较大通信延时甚至通信中断的主要原因，本发明实 施例提供的车地无线通信系统性能仿真方法还可以用于进行漫游切换性能分析，其过程可 以是：从通信测试结果中选取通信延时大于预设通信延时的通信测试结果，然后基于所选 取的通信测试结果进行漫游切换性能分析。
[0080] 在本发明实施例中，基于所选取的通信测试结果进行漫游切换性能分析是指对所 选取的通信测试结果进行分析得到漫游切换性能，其中漫游切换性能包括：漫游切换最大 通信延时及发生的时间、漫游切换通信延时分布情况、漫游切换通信延时高于预设通信延 时的概率（通信 延时高于预设通信延时的次数除以总漫游切换次数）等。漫游切换通信延 时总体分布越偏小、高于门限的概率越低，代表漫游切换性能越好。
[0081] 在这里需要说明的一点是：预设通信延时的设置可以基于实际的运行环境进行设 置，本发明实施例中并不限定其具体取值。
[0082] 此外，为了使本领域技术人员更好的理解上述通道衰减器中衰减值的计算过程， 下面以基于统计的随机信号模型建立的无线通信信号模型为例对衰减值的计算过程进行 说明，其中衰减值由大尺度衰减值（第三衰减值）和小尺度衰减值（第二衰减值）构成，如 图3所示，其中图3中直线表示大尺度衰减，曲率较小的曲线表示阴影衰减、曲率较多的曲 线表示多径衰减，图3中纵坐标信号接收强度的单位为dB，横坐标距离的单位为米。
[0083] 大尺度衰减也称为路径损耗（PathLoss)，可以用线性或log型拟合，并根据TRU 与轨旁AP之间的距离计算出当前的大尺度衰减值。以线性拟合为例，假设某个轨旁AP正 向/反向大尺度衰减斜率为k，当前列车位置为xtrain，AP位置为xAP，则大尺度衰减值为：
[0084] Xd (x) =k* (xtrain_xAP) (dB)
[0085] 小尺度衰减包括阴影衰减（Shadowing)和多径衰减（Fastfading)两部分，且这 两部分均可以视为随机变量，其中阴影衰减值可以用对数正态分布拟合，多径衰减值可以 用莱斯分布拟合。
[0086] 为了简便起见，在分析实测数据时近似认为小尺度衰减在不同时刻、不同地点基 本符合同一分布。
[0087] 阴影衰减值XshadOT满足对数正态分布时，其概率密度函数为：
[0088]
[0089] 多径衰减值Xmultipath满足莱斯分布时，其概率密度函数为：
[0090]
[0091] 其中，1。(）为零阶第一类修正贝塞尔函数。
[0092] 小尺度衰减值乂,可表示为：
[0093] Xf -Xshadow ?Xmultipath
[0094] 根据此式以及XshadOT和Xmultipath的概率密度函数可计算Xf的累积分布函数为：
[0095]
[0096] 此外，若将上述小尺度衰减值Xf的计算公式的两边转换为用分贝数（dB)作为单 位来表示，还可以写为
[0097] Xf(dB) =Xshad0W(dB)+Xmultipath(dB)
[0098] 大尺度衰减值和小尺度衰减值之和（dB)即为通道衰减器的衰减值。
[0099] X(dB) =Xd(dB)+Xf(dB) 〇
[0100] 与上述方法实施例相对应，本发明实施例还提供一种车地无线通信系统性能仿真 系统，其结构示意图如图4所示，可以包括：建立模块11、计算模块12和控制模块13。
[0101] 建立模块11，用于基于车地无线通信系统的运行环境，预先建立无线通信信号模 型，其中运行环境至少用于指示车地无线通信系统所在环境的隧道情况、车辆行驶情况和 各种通信效应对无线通信信号模型的影响。例如在预先建立无线通信信号模型时考虑多种 因素对无线通信信号模型的影响，其中多种因素可以包括：
[0102] 考虑隧道情况，诸如不同隧道洞壁材质、隧道形状、转弯半径、洞内杂物或设备等 对信号衰减情况的影响；考虑各种通信效应，如由通信距离、转弯半径等引起的大尺度衰减 效应、阴影效应和多径效应等引起的小尺度衰减效应对无线通信信号模型的影响；考虑车 辆行驶情况（本发明中仿真的实际场景）对无线通信信号模型的影响。
[0103] 其中车辆行驶情况对无线通信信号模型造成影响的参数包括：列车起始位置、行 驶速度、停止位置以及列车位置随着真实时间流逝而变化，根据这些参数可以模拟出虚拟 列车的运行情况。并且列车位置随着真实时间流逝而变化可以是：起始位置加上行驶速度 与行驶时间的乘积。在虚拟列车行驶过程中，虚拟列车所处位置与各个轨旁AP布点位置之 差即为TRU(TrainRadioUnit，TRU)与各个轨旁AP的距离，该距离、大尺度衰减模型和小 尺度衰减模型可以决定TRU与各个轨旁AP之间的信号强度。
[0104] 在本发明实施例中，无线通信信号模型可以使用基于统计的随机信号模型，因此 在本发明实施例中可以基于车地无线通信系统的运行环境，结合现有对基于统计的随机信 号模型的建立方法得到本发明实施例提供的无线通信信号模型。
[0105] 计算模块12,用于基于无线通信信号模型，计算无线通信仿真系统中各个通道衰 减器的衰减值，其中衰减值用于指示无线通信仿真系统中TRU与各路轨旁AP之间的信号强 度。
[0106] 在本发明实施例中，通道衰减器是指位于某个通信通道内的衰减器，用于控制TRU 与各路轨旁AP在该通信通道的通信，且某个通道衰减器的衰减值可以是该通道内的大尺 度衰减值和小尺度衰减值两部分的叠加。发明人经过理论和实测研宄表明，在列车运行环 境中，无线信号的大尺度衰减值符合线性或log型衰减，小尺度衰减值可由阴影衰减值和 多径衰减值两部分组成，且阴影衰减值和多径衰减值均可以视为随机变量，其中阴影衰减 值用对数正态分布拟合，多径衰减值用莱斯分布拟合。基于此本发明实施例中计算模块12 的结构示意图如图6所示，可以包括：获取单元121、拟合单元122、第一计算单元123和第 二计算单元124。其中，
[0107] 获取单元121，用于获取车地无线通信系统的运行环境中每个通信通道中的实际 衰减值。在车地无线通信系统的运行环境中可以使用现有的信号测试工具采集每个通信通 道中的实际衰减值，其实际衰减值可以包括：采集位置的衰减值、采集位置与轨旁AP的距 离。采集实际衰减值时需要详细记录其采集的环境和条件，因为在不同环境和条件下采集 多组数据有助于在实验室中实现对更多类型场景的仿真。
[0108] 拟合单元122,用于分别对每个通信通道中的实际衰减值进行拟合，得到每个通信 通道中的大尺度衰减模型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值。在本发明实施例 中对实际衰减值进行线性或log型拟合，得到大尺度衰减模型的第一衰减值，然后再通过 对第一衰减值的处理得到小尺度衰减模型的第二衰减值，相应的拟合单元122可以包括： 第一拟合子单元1221、平滑处理子单元1222、第二拟合子单元1223、处理子单元1224、第三 拟合子单元1225和第四拟合子单元1226。其中，
[0109] 第一拟合子单元1221，用于对实际衰减值的随距离变化情况进行拟合，得到第一 衰减值。由于大尺度衰减值符合线性或log型衰减，所以在对实际衰减值的随距离变化情 况进行拟合时可以采用线性拟合或log型拟合中的一种方式得到第一衰减值。
[0110] 平滑处理子单元1222,用于将实际衰减值和第一衰减值之差进行平滑处理，得到 实际衰减值随距离变化的第一局部平均值。
[0111] 第二拟合子单元1223,用于采用对数正态分布对第一局部平均值进行拟合，得到 阴影衰减值。
[0112] 处理子单元1224,用于将实际衰减值和第一衰减值之差与第一局部平均值进行相 减，得到第二局部平均值。
[0113] 第三拟合子单元1225,用于采用莱斯分布对第二局部平均值进行拟合，得到多径 衰减值。
[0114] 第四拟合子单元1226,用于对阴影衰减值和多径衰减值进行拟合，得到第二衰减 值。
[0115] 在本发明实施例中，基于拟合的对数正态分布参数和莱斯分布参数，可以同时生 成多个第二衰减值。当生成多个第二衰减值时，可以随机从多个第二衰减值中随机选取一 个。
[0116] 第一计算单元123,用于基于每个第一衰减值、TRU与轨旁AP之间的距离，并结合 无线通信信号模型，计算出每个通信通道中的第三衰减值。其可行方式可以是将第一衰减 值和TRU与轨旁AP之间的距离代入到无线通信信号模型中进行计算，无线通信信号模型的 计算结果则是第三衰减值。
[0117] 第二计算单元124,用于将每个通信通道中的第三衰减值和同一通信通道中的第 二衰减值相加，得到每个通道衰减器中的衰减值。
[0118] 在这里需要注意的一点是：在计算任意一个通道衰减器中的衰减值时，需要将位 于同一个通信通道中的第三衰减值和第二衰减值相加，以得到该通信通道中的通道衰减器 的衰减值。
[0119] 上述计算第三衰减值和第二衰减值所使用的参数并不是唯一的，而是因采集的运 行环境不同而不同，比如不同隧道洞壁材质、隧道形状、转弯半径、洞内杂物或设备等，因此 可以采集多组参数，分别用于模拟不同的实际运行环境。
[0120] 例如：在虚拟列车行驶中，假设列车当前位置为X，最邻近的3个轨旁AP的位置分 别为yl、y2、y3,TRU与轨旁AP的距离即为|x-yl|、|x_y2 |、|x_y3 | (卜|表示取绝对值）， 使用采集的多种参数，根据线性或log型拟合可以计算TRU与轨旁AP的第三衰减值分别为 Ll、L2、L3 ;TRU与各个轨旁AP之间的第二衰减值是相互独立的，印Ctrl从输入的小尺度 衰减值样本文件中获取3个随机样本作为各个通信通道的第二衰减值，分别为Sl、S2、S3， 将第三衰减值和对应的第二衰减值相加，得到每个通道衰减器的衰减值分别为（L1+S1)、 (L2+S2)、（L3+S3)，其中每个通道衰减器的衰减值用于控制TRU与对应的轨旁AP之间的通 信，如L1+S1是用于控制TRU与位于位置yl的轨旁AP之间的通信。
[0121] 在虚拟列车持续行驶过程中，可以重复使用上述计算衰减值的方法，实时更新每 个通道衰减器的衰减值，这样虚拟列车可以根据实时的实际运行环境得到用于控制TRU与 各个轨旁AP之间通信的衰减值，使虚拟列车的行驶更加真实化。
[012 2] 控制模块13,用于基于各个通道衰减器中的衰减值，控制TRU与各路轨旁AP之间 的测试报文的通信，得到TRU与各路轨旁AP之间的通信测试结果，通信测试结果用于指示 TRU与各路轨旁AP之间通信的可用性和可靠性。
[0123] 在本发明实施例中，TRU与各路轨旁AP可以分别配置发送间隔和包长等控制参数 向通信对方发送测试报文，其中测试报文中添加有包序号和发送时间戳，进一步还可以获 取设备当前状态信息并填入测试报文中。在TRU与各路轨旁AP向通信对方发送测试报文 时，其发送测试报文的信号强度受其对应的通道衰减器的衰减值控制。
[0124] 通信对方在接收到测试报文后，在测试报文中的相关信息上添加时间戳后进行存 储，所存储的信息包括：测试报文内携带的包序号、发送时间戳、设备状态信息以及根据前 后两次收包得到的信息，其中根据前后两次收包得到的信息包括：本次收包距离前一次收 包的延时、对比前一个包序号的丢包数。
[0125] 在本发明实施例中上述存储的信息可以存储在TRU或者轨旁AP中，当然其也可以 存储在其他外设设备中。测试人员可以从信息的存储设备中获取当前测试数据或者查询历 史测试数据，并获得统计的通信测试结果，如：双向发包总数、丢包总数和通信延时分布等。
[0126] 从上述技术方案可以看出，本发明提供的车地无线通信系统性能仿真系统可以基 于车地无线通信系统的运行环境预先建立无线通信信号模型，并基于无线通信信号模型计 算无线通信仿真系统中各个通道衰减器的衰减值来控制TRU与各路轨旁AP之间的信号强 度，使得测试过程中的无线通信信号模型和信号强度更接近于实际运行环境中的要求，实 现对实际运行环境的较为真实的重现，从而提高性能仿真的准确度。
[0127] 此外，本发明实施例提供的车地无线通信系统性能仿真系统还可以包括：选取模 块和切换模块。其中选取模块，用于从通信测试结果中选取通信延时大于预设通信延时的 通信测试结果；切换模块，用于基于所选取的通信测试结果进行漫游切换性能分析。其中漫 游切换性能包括：漫游切换最大通信延时及发生的时间、漫游切换通信延时分布情况、漫游 切换通信延时高于预设通信延时的概率（通信延时高于预设通信延时的次数除以总漫游 切换次数）等。漫游切换通信延时总体分布越偏小、高于门限的概率越低，代表漫游切换性 能越好。
[0128] 需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重 点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。 对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参 见方法实施例的部分说明即可。
[0129] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个 实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间 存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排 除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0130] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这 些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可 以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限 制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。
【主权项】
1. 一种车地无线通信系统性能仿真方法，应用于无线通信仿真系统中，其特征在于，所 述方法包括： 基于车地无线通信系统的运行环境，预先建立无线通信信号模型，其中所述运行环境 至少用于指示车地无线通信系统所在环境的隧道情况、车辆行驶情况和各种通信效应对所 述无线通信信号模型的影响； 基于所述无线通信信号模型，计算所述无线通信仿真系统中各个通道衰减器的衰减 值，其中所述衰减值用于指示所述无线通信仿真系统中车载无线接入单元与各路轨旁无线 接入点之间的信号强度； 基于所述各个通道衰减器中的衰减值，控制所述车载无线接入单元与各路轨旁无线接 入点之间的测试报文的通信，得到所述车载无线接入单元与各路轨旁无线接入点之间的通 信测试结果，所述通信测试结果用于指示所述车载无线接入单元与各路轨旁无线接入点之 间通信的可用性和可靠性。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述无线通信信号模型，计算所 述无线通信仿真系统中各个通道衰减器中的衰减值，包括： 获取所述车地无线通信系统的运行环境中每个通信通道中的实际衰减值； 分别对每个通信通道中的实际衰减值进行拟合，得到每个通信通道中的大尺度衰减模 型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值； 基于每个所述第一衰减值、车载无线接入单元与轨旁无线接入点之间的距离，并结合 所述无线通信信号模型，计算出每个通信通道中的第三衰减值； 将每个通信通道中的所述第三衰减值和同一通信通道中的所述第二衰减值相加，得到 每个所述通道衰减器中的衰减值。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对通信通道中的实际衰减值进行拟合，得 到通信通道中的大尺度衰减模型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值，包括： 对所述实际衰减值的随距离变化情况进行拟合，得到所述第一衰减值； 将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差进行平滑处理，得到所述实际衰减值随距离 变化的第一局部平均值； 采用对数正态分布对所述第一局部平均值进行拟合，得到阴影衰减值； 将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差与所述第一局部平均值进行相减，得到第二 局部平均值； 采用莱斯分布对所述第二局部平均值进行拟合，得到多径衰减值； 对所述阴影衰减值和所述多径衰减值进行拟合，得到所述第二衰减值。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：从所述通信测试结果中 选取通信延时大于预设通信延时的通信测试结果； 基于所选取的通信测试结果进行漫游切换性能分析。5. -种车地无线通信系统性能仿真系统，其特征在于，所述系统包括： 建立模块，用于基于车地无线通信系统的运行环境，预先建立无线通信信号模型，其中 所述运行环境至少用于指示车地无线通信系统所在环境的隧道情况、车辆行驶情况和各种 通信效应对所述无线通信信号模型的影响； 计算模块，用于基于所述无线通信信号模型，计算所述无线通信仿真系统中各个通道 衰减器的衰减值，其中所述衰减值用于指示所述无线通信仿真系统中车载无线接入单元与 各路轨旁无线接入点之间的信号强度； 控制模块，用于基于所述各个通道衰减器中的衰减值，控制所述车载无线接入单元与 各路轨旁无线接入点之间的测试报文的通信，得到所述车载无线接入单元与各路轨旁无线 接入点之间的通信测试结果，所述通信测试结果用于指示所述车载无线接入单元与各路轨 旁无线接入点之间通信的可用性和可靠性。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算模块包括： 获取单元，用于获取所述车地无线通信系统的运行环境中每个通信通道中的实际衰减 值； 拟合单元，用于分别对每个通信通道中的实际衰减值进行拟合，得到每个通信通道中 的大尺度衰减模型的第一衰减值和小尺度衰减模型的第二衰减值； 第一计算单元，用于基于每个所述第一衰减值、车载无线接入单元与轨旁无线接入点 之间的距离，并结合所述无线通信信号模型，计算出每个通信通道中的第三衰减值； 第二计算单元，用于将每个通信通道中的所述第三衰减值和同一通信通道中的所述第 二衰减值相加，得到每个所述通道衰减器中的衰减值。7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述拟合单元包括： 第一拟合子单元，用于对所述实际衰减值的随距离变化情况进行拟合，得到所述第一 衰减值； 平滑处理子单元，用于将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差进行平滑处理，得到 所述实际衰减值随距离变化的第一局部平均值； 第二拟合子单元，用于采用对数正态分布对所述第一局部平均值进行拟合，得到阴影 衰减值； 处理子单元，用于将所述实际衰减值和所述第一衰减值之差与所述第一局部平均值进 行相减，得到第二局部平均值； 第三拟合子单元，用于采用莱斯分布对所述第二局部平均值进行拟合，得到多径衰减 值； 第四拟合子单元，用于对所述阴影衰减值和所述多径衰减值进行拟合，得到所述第二 衰减值。8. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：选取模块，用于从所述 通信测试结果中选取通信延时大于预设通信延时的通信测试结果； 切换模块，用于基于所选取的通信测试结果进行漫游切换性能分析。
【专利摘要】本发明提供一种车地无线通信系统性能仿真方法及系统，包括：基于车地无线通信系统的运行环境，预先建立无线通信信号模型；基于无线通信信号模型，计算无线通信仿真系统中各个通道衰减器的衰减值；基于各个通道衰减器中的衰减值，控制车载无线接入单元与各路轨旁无线接入点之间的测试报文的通信，得到车载无线接入单元与各路轨旁无线接入点之间的通信测试结果。由于所基于的运行环境至少用于指示车地无线通信系统所在环境的隧道情况、车辆行驶情况和各种通信效应对无线通信信号模型的影响，使测试过程中的无线通信信号模型和信号强度更接近于实际运行环境中的要求，实现对实际运行环境的较为真实的重现，从而提高性能仿真的准确度。
【IPC分类】H04W16/22, H04W24/06
【公开号】CN104883697
【申请号】CN201510186184
【发明人】师进, 韦文, 吴丽
【申请人】北京全路通信信号研究设计院有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月20日