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Wireless Engineering and Technology, 2013, 4, 28-39 http://dx.doi.org/10.4236/wet.2013.41005 Published Online January 2013 (http://www.scirp.org/journal/wet)

用于铁路应用的时间反转UWB定位信标

Bouna Fall, Fouzia Elbahhar, Marc Heddebaut, Atika Rivenq

Universiteacute; Lille Nord de France, Lille, France; Institut Franccedil;ais des Sciences et Technologies des Transports de Lrsquo;ameacute;nagement et des Reacute;seaux (IFSTTAR), Laboratoire Electronique, Ondes et Signaux Pour les Transports (LEOST), Villeneuve drsquo;Ascq, France; Deacute;partement Opto-Acousto-Electronique (DOAE), Universiteacute; de Valenciennes et du HainautCambreacute;sis (UVHC), Institut Drsquo;eacute;lectronique, de Microeacute;lectronique et de Nanotechnologie (IEMN), Valenciennes, France; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Uniteacute; Mixte de Recherche (UMR), Villeneuve drsquo;Ascq, France.

Email: bouna.fall@ifsttar.fr

摘要

本文研究了一种新的定位信标的铁路运输使用超宽带（UWB）无线和时间反转（TR）技术。超宽带无线电有可能提供一个良好的性能水平，在定位精度。时间反转通道预过滤有利于信号的检测也有助于增加接收的能量区域。在本文中，我们评估TR技术的特点从时间聚焦。对于功率延迟分布的理论分析和仿真结果，等效信道模型，给出了宽带聚焦增益。我们分析了与超宽带技术相关的时间反转的贡献，以提高定位精度。IEEE 802.15.3a信道模型被用来评估该系统的性能。在定位误差，理论分析和仿真结果表明，在超宽带技术提供宽带化的方法改进性能的地方。

关键词：超宽带；时间反转；聚焦增益；信道模型；功率延迟分布；时差；定位误差

1.引言

引导城市自动化运输系统现在进展明显，突出了许多好处。用户的安全性,

可访问性，这些制导运输系统构成一个许多团队需要处理的主要问题。为了获得一种高效、安全的列车控制和指挥系统，它是必不可少的，以确保足够的车辆和基础设施之间的信息交换，并确定准确和不断的列车绝对定位。

轨道列车数据交换通常称为基于通信的列车控制系统。它可以使用许多不同的无线电技术[1]。定位系统是基于本体传感器（音轮、多普勒雷达hellip;）上了火车。这车载系统连接到位于地面信标的使用，在轨道上，轨道之间。这些信标公里标志。他们是用来补偿的定位信息的漂移计算使用单独的本体感受器，当列车运行。信标提供绝对定位信息每当火车经过。他们有足够的间隔沿轨道为了限制定位漂移到可容忍的安全价值。在许多铁路系统，这些信号构成剩余轨道之间的唯一设备[2]。因此，它可能是有趣的，以消除这最后一个设备的轨道，例如，以方便跟踪维护。在我们所研究的情况下，信标将位于轨道的一侧，几米远，因此不干扰跟踪维护操作。

在本文中，我们提出了一种新的解决方案允许在抗皱方面的定位误差和定位性能，减少维修作业的成本，从而构成一个新的信标实现。这个新的解决方案是基于超宽带脉冲无线电（UWB-IR）相关联的时间再谈（TR）技术。

否则，这些技术的组合可以应用在不同领域的本地化，如通过障碍的检测和定位或找到受害者的事故，特别是在山区或矿山[3]。穿墙感应也需要利用TR技术，此应用程序是非常有用的安全和维护和平的应用。

在这样的背景下，该协会之间的UWB和TR的列车精确定位技术，如图1所示。它显示了特定的情况下，铁路隧道。该信标地理。TR-UWB信标安装在轨道的一侧。TR UWB信标公里标志。他们也可以前改变当地的CBTC信息在UWB无线电链路。抵达UWB通信范围时，列车计算其绝对定位使用航班信息时间的灯塔。定位算法如TDOA（到达时间差）和TOA（到达时间）可以用。此外，多个UWB发射机可以位于灯塔，提高重点聚焦和可用性。当地的信道状态信息（CSI）进行任何信标发射机和虚拟最优定位之间的轨道之间是确定初始安装在一个单一的时间。这个信息，然后介绍在不同时间的超宽带发射机预滤波的数据。因此，重点是获得在所需的位置，沿着轨道，有可能即时证明的绝对本地化过程[4]。

图1 . TR-UWB所提出的定位系统。

这项研究评估时间聚焦性能的时间反转（TR）使用IEEE 802.15.3a信道模型的方法。对于这些评价，使用理论和仿真方法。由于铁路的定位问题，可以考虑为一维（1D）的问题，我们分析了TR对定位在一维质量的贡献。

这项工作的目的也是为了验证UWB和TR技术相结合可以获得所需的分米定位精度水平的必要的铁路中的应用。

本文组织如下：第二部分介绍了UWB和TR技术。第三部分，传播信道建模使用IEEE 802.15.3a信道模型。第四部分为对TR-UWB系统分析结果从时间聚焦包括聚焦增益和功率延迟分布。第五部分提供了理论分析和仿真结果对TR-UWB系统从时间聚焦的比较研究。第六部分提出了TR-UWB定位原则和建议的解决方案的定位误差方面的性能。最后，结论总结了研究结果，并提出今后的工作。

2. UWB和TR技术在铁路的应用

2.1超宽带（UWB）技术

超宽带无线电通常被定义为无线传输带宽超过500 MHz的结论与方案，或占20%或更多的载波频率。有不同的方法不同的UWB。在我们的研究中，我们使用一个脉冲无线电UWB-IR系统。该模型涉及跨度任务非常短的脉冲占用很宽的光谱图（图2）高斯波形及其导数型通常用。图3显示了我们将使用的第二导数的高斯函数。

图2 超宽带频谱与其他无线系统的比较

图3 透射脉冲（高斯函数的二阶导数）

一个超宽带的直接好处是使用低成本，小尺寸的无线接口电路[5]。

超宽带无线电技术还提供了一些潜在的铁路应用[6]：

它提供了潜在的高传输数据速率，使用了非常大的带宽；

它提供了高分辨率的火车位置，因为传输脉冲的精细时间分辨率；

它增加了能力，检测障碍（雷达），由于信号的脉冲性质。这种能力是必不可少的检测在火车前面的障碍；

可用性和鲁棒性的多径固有的大带宽。

在室内环境中的定位，如隧道是2个主要来源的错误，首先是缺乏一个线的发射器和接收器之间的视线和二是多路径的过度存在。随着超宽带无线通信通信的介绍，似乎这种技术可以提供的改进。然而，研究也提出了一些主要的问题，如在接收信号处理的复杂性。UWB信号的采集是至关重要的，它的基本限制[7,8]。

为了解决超宽带技术所面临的所有问题，已经进行了一些研究，并将超宽带技术和时间反转技术相结合。

2.2 时间反转（TR）技术的原理和特点

通常，时间反转已应用于声学和水下系统[10,11]。它是在光学微波[12,13]和相位共轭方向回溯阵列密切相关。最近，它还研究了超宽带通信[14]的宽带特别是，在2.45兆赫波段的电磁波的第一次反转实验报告在[ 15]。这方面的贡献，表明开发的超声技术也可用于电子-案例。这是一个有趣的挑战，因为在许多真实的环境（建筑或城市），微波，使用波长在5和30厘米之间，分散的对象，如墙壁，桌子，车辆等，产生大量的路径从发射机到接收机。在这种情况下，时间反转系统不仅应该补偿多径效应，同时也提高了无线通信参数，由于多次反射/混响发生。

我们建议使用的属性的时间反转[16]定位系统。

该系统的工作原理采用三步TR-UWB。首先，我们选择我们要发送的信号。在我们的例子中，它是高斯函数的二阶导数，它是一个超短脉冲。其次，信道脉冲响应测量之间的发射机（TX）和接收机（RX）和信道状态信息，加载到得克萨斯州。再次，选择信号和脉冲响应反向时间和TX在传输信道传输，到接收。这个符号的原则，图4所示，可以在数学上描述的是S（t）的发射脉冲，h（t）的复杂的脉冲响应的信道和H *（–T）的共轭复数时H倒版（T）。我们注意到y（t）的接收信号没有TR和YRT（T），TR在接收机接收到的信号。其表达形式给出的：

(1)

(2)

这里表示卷积运算和N（t）是高斯噪声。

从方程（2），推导了等效脉冲响应HEQ（T）对应的通道[17]自相关函数：

(3)

图4 时间反转技术原理

自相关函数是用来评估的时间反转，即，时间聚焦和空间聚焦的主要特征。这些特点是UWB系统[ 17,18] 非常有利。研究时间聚焦，我们评估的重点聚焦增益（FG），它被定义为在TR的最强峰收到的最强峰重新接收到传统的UWB系统[19]。它可以写成：

(4)

3.IEEE 802.15.3a信道模型

在这一部分中，我们描述了IEEE 802.15.3a信道模型。采用这种渠道模式的目的是性格化的信道冲激响应[20,21]。雷弗-撒尔将从传播环境的复杂性，利益的时间。如果环境变得越来越复杂，最好的将是能量的焦点[ 22 ]。

IEEE 802.15.3a模型从10左右的贡献，都涉及到不同的实验测量，室内居住或办公环境[ 23,24 ]进行。

为了反映射线聚类是在几个测量活动中观察到的现象，该模型是基于萨利赫巴伦苏埃拉形式主义。PA参数提供了集群的特点和射线到达率（Lambda;和lambda;），以及跨度和光泽的指数衰减常数（Г和gamma;）。四组的参数提供给模型的四个以下的通道类型：

CM1信道模型对应的距离为0 - 4米，在一个视线的情况；

CM2信道模型对应的距离为0 - 4米的非视距情况；

CM3信道模型对应的距离4 - 10米的非视距情况；

CM4信道模型对应于一个大的传播延迟TRMS = 25 ns的NLOS情况。

我们的研究，我们使用三个场景CM1，CM2和CM3。CM4，生成适合大25 ns的RMS时延扩展是我们的应用不相关。一些重要的特点，这些情况下，根据一个167皮秒采样时间如表1所示。

表1 IEEE 802.15.3a UWB信道模型的特点。

这一综合模型对超宽带系统的研究具有借鉴和参考。它可以应用在室内环境和短距离条件。我们使用这些模型的性能评估的时间聚焦和错误定位。图5给出了信道的脉冲响应模型CM1，CM2和CM3。CM1至CM3脉冲响应的复杂性增加。

4. 时间反转特性的分析研究

在这一部分中，我们开发了一个分析研究的TEM的世俗聚焦时间反转。时间聚焦的研究是基于对传播渠道的特性计算。每个考虑信道模型（CM1，CM2，CM3），我们确定的等效脉冲重新计算，功率延迟分布和聚焦增益。

在整个研究中，我们表示：

：传输脉冲（衍生高斯脉冲）；

：信道冲激响应；

：共轭和反相电路

图5 信道脉冲响应为：（a）CM1;（b）CM2；（c）CM3。

在IEEE 802.15.3a模型案例分析研究了利用干扰影响了TR-UWB接收机[ 25 ]的性能差异的统计矩。

这种渠道模式，我们可以定义CIR的：

(5)

等效电路的预期值是：[ 10]

(6)

利用自相关函数（ACF）为原型脉冲由方程（7）：

(7)

方程（6）变成：

(8)

给定CIR的平均能量，WAB[a,b]计算在一个通用的时间窗口:

(9)

在无线网络的多径分量在W随机参照设定的平均功率延迟分布（APDP）。

在一个连续时间的电路的能量函数[ 26 ]一个方差：

（10）

把公式（9）带入公式（8），我们得到：

（11）

平均功率延迟分布的PG（t）是由一个指数衰减的特点是接收能量EG和RMS时延扩展TRMS的平均信道模型描述。

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