[发明专利]一种采用分布式喷泉码的CBTC数据发送与接收方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种采用分布式喷泉码的CBTC数据发送与接收方法及系统。

背景技术

在现代轨道交通系统中，基于通信列车控制系统(Communication-Based Train Control,CBTC)成为车-地通信领域研究的热点。CBTC能够在高速行驶的列车和地面之间进行双向、连续、大容量数据传输。

CBTC通过移动闭塞技术缩短运行间隔，提高列车的运行效率和系统的灵活性。在CBTC系统中，车载控制器(Vehicle Onboard Controller，VOBC)主动地进行列车测速和定位，将位置信息通过无线信道发送到轨旁区域控制器(Zone Controller，ZC)。ZC负责追踪线路所有的列车并为列车计算移动授权(Movement Authority，MA)，形成列车的移动闭塞区间(Moving B1ock)，并防止任何其他列车进入。车载控制器通过接收到ZC的MA命令来控制列车的当前状态，并确保在任何最不利情况下，列车不会超越目标距离和目标速度。

如图1所示，CBTC系统主要包括车载控制器、区域控制器、计算机联锁（Computer Interlocking，CI）、列车自动监控系统(Automatic Train Supervision，ATS)、数据存储单元(Database Storage Unit，DSU)和数据传输系统(Data Communication System，DCS)。

在无线传播环境下，多径衰落、多普勒效应以及由于雨雪天气所产生的干扰都将影响接收端的电场强度，带来误码，因此，车-地无线通信中的误码保护至关重要。

在CBTC系统中，车-地通信工作由数据传输系统完成。数据传输系统实现CBTC系统地面设备和车地设备之间的双向信息交互，是CBTC系统的核心。数据传输系统主要包括:地面骨干网、无线轨旁接入点、车载无线设备。

为了解决由于越区切换造成的通信中断，CBTC数据通信系统使用整套冗余结构，独立并行工作。增加冗余之后的系统结构如图2所示，其中AP11和AP12安装于轨道旁的同一个位置，AP21和AP22安装于轨道旁的同一个位置，同一位置上的两个AP对应的天线分别朝两个不同方向，分别与前后两列车尾部和头部的无线设备关联，两个AP转发完全相同的通信报文，AP11和AP21数据通过第一交换机和第一光纤主干网连接，AP12和AP22数据通过第二交换机和第二光纤主干网连接，在地面控制中心或者列车上的控制设备只要收到任何一个AP发送来的完整报文，就能实现正常的传输。

通过采用冗余结构可以提高CBTC系统的可靠性，但冗余结构导致高昂的采购与运营成本。同时这一方法也存在局限性，当单个网络传输出现差错时，采用冗余结构可以保证CBTC系统可用；但当两个网络传输同时出现差错时，采用冗余结构的CBTC系统同样不可用。

数字喷泉码的概念最早由Luby于1998年提出，所谓数字喷泉码的概念就是指将不断编码发送码字的过程可以看成一个喷泉，无穷无尽地向外喷水滴。接收端则类似一个接水的水杯。由于各码字的独立随机性，每块码字均包含信源信息，接收端并不关心接收到的是“哪滴水”。所以经过删除信道时，删除编码信息的任意部分，不会影响其他符号信息参与译码。喷泉码最初为删除信道而设计的。随着喷泉码理论研究的不断深入，发现喷泉码几乎可以在各种信道下提升系统的通信性能。

Luby于2002年提出了第一种高效可行的喷泉码——LT码。其后，为了解决LT码译码时空不固定等缺点，Shokrollahi等人在LT码编译码时间方面做了进一步改进，经过改进的新型喷泉码被命名为Raptor码，实现了近乎理想的编译码性能。

香港中文大学的Ahlswede等人于2000年首次提出了网络编码（Network Coding，NC）这一概念。网络编码的中继节点不仅用于路由中继，同时对来自不同链路的信息进行编码组合，从而提高传输效率。网络编码可以有效增加网络吞吐量并改善网络性能，但是因为没有强有力的编码机制，导致通常情况下译码非常困难。而喷泉码因为有其度分布的存在，所以译码复杂度比较低。网络编码和喷泉码都是随机线性码，在数学本质上是相通的。其中网络编码在中继节点对数据包求取线性结合，喷泉码在编码过程中，通过对信源符号求取异或来得到编码符号。将网络编码与喷泉码相融合可以增加喷泉码的有效码长，从而提高喷码的传输性能。不仅可以极大增加网络吞吐量，同时也使译码端的计算复杂度大大降低。

分布式喷泉码主要有以下两种实现思路：