CN102075986B - 组合式中继系统及其状态切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种组合式中继系统及其状态切换方法，该系统安装在高速运动载体上随载体同步运动，通过采用多个朝向不同方向的定向天线接收不同方向的信号，在空域上实现对信号的区分；一个中继装置用于完成当前覆盖区间信号覆盖，另一中继装置预跟踪下一覆盖区间信号或在越区前后与前者一道完成相邻两个小区信号的重叠覆盖；每经过一个覆盖区间两个中继装置的角色互换；控制单元根据不同情况选择不同方向的信号通过不同的中继装置，然后切换合并，完成对运动载体内部的准单径覆盖，从而消除人为多径干扰，保证运动载体内的移动台与铁路沿线的不同射频拉远单元或基站之间的可靠通信。本发明所提出的系统具有实现简单、造价低廉、质量可靠等特点。

Description

组合式中继系统及其状态切换方法

【技术领域】

本发明涉及移动通信的无线网络覆盖优化领域，尤其涉及一种组合式中继系统及其状态切换方法。

【背景技术】

在高速铁路移动通信环境中，若采用基站对铁路区域直接进行无线覆盖，为了避免频繁的越区切换，每个基站的覆盖半径需要达到十公里以上，对于线状的铁路区域来说，这种基站直接覆盖方式的效率很低。为了提高覆盖效率，可以采用基站加射频拉远单元的方式实现无线覆盖。一个基站可以配置多个射频拉远单元，沿铁路一字排开。相对于基站的覆盖半径而言，每个射频拉远单元的覆盖半径都不大，因此可以很容易实现对十公里以上的线状铁路区域的有效覆盖。

由于一个基站配置了多个射频拉远单元，因此在两个射频拉远单元的重叠覆盖区中，列车车厢内的移动台将收到来自两个不同方向射频拉远单元发送的同一个基站的信号。如果移动台无法区分这两个方向的信号，那么这两个信号相互之间便构成了人为的多径干扰，使通信质量严重下降。(注：在以基站加射频拉远单元覆盖的高速铁路移动通信环境中，射频拉远单元到列车之间有很强的直达路径，因此自然多径干扰要比人为多径干扰弱得多，故这里主要考虑人为多径干扰。)

假设移动台可以区分这两个方向的人为多径信号，那么就可以使用多径分集合并的方法来利用这些信号。由于在高速移动的环境下，这两个方向的信号都引入了很大的多普勒频移，且频移的方向相反，因此在合并之前需要分别消除这两个方向信号各自的多普勒频移。

综上所述，为了提高高速铁路移动通信环境中通信的质量，需要有效地解决以下问题，即：

1、区分不同方向的信号。

2、消除不同方向信号各自的多普勒频移。

3、合并不同方向的信号，从而消除人为多径干扰。

为了解决上述问题，提高高速移动交通工具中移动台与固定基站或射频拉远单元之间的通信质量，有如下方式可供参考：

其一是在基站中解决，这种方式中，基站需要面对多个不同移动方向和移动速率的移动台，因此需要针对不同移动台区分信号、消除多普勒频移、合并信号，实现起来较为复杂；

其二是在移动台中解决，考虑到移动台的成本、体积、功耗、散热等因素，以及当移动台置于高速移动交通工具中被交通工具屏蔽作用所影响从而影响信号接收质量等，故其可行性相对不高；

再者，作为本发明被提出的基础，可以在交通工具上放置直放站作为中继装置，将固定基站或射频拉远单元的信号直放后对交通工具内部进行覆盖。相对于第一种方式，这种方式只需分别区分两个方向的信号，跟踪两个方向的多普勒频移，故实现起来简单；另外还可以充分利用下行导频信号进行多普勒频移的校正。相对于第二种方式，这种方式不受成本、体积、功耗、散热等因素的严格限制；另外还可以使用置于列车之外的定向天线，减少多径，避免金属车厢的屏蔽作用以及车厢内部的反射作用；还可以使用高稳定度的基准频率源，提高多普勒校正的精度。这种方式还有一个突出的优点就是在解决上述问题时对基站和移动台没有任何影响，是一种透明的方式，因此可以直接应用于任何现有的和计划建造的移动通信网络。

交通工具上放置的直放站相对于交通工具内部的移动台而言是静止或低速移动的，但是相对于基站或射频拉远单元而言却是高速移动的。这种移动直放站与传统的固定直放站的根本区别就在于移动直放站需要具备区分信号、校正多普勒频移及合并信号的功能，为固定基站或射频拉远单元与高速移动交通工具中移动台之间的通信提供一个无多普勒频移的无线覆盖环境。

综而观之，对解决方案提出要求的问题之一在于校正多普勒频移，除此之外，作为本发明的侧重点，也必然对如何有效区分信号和合并信号提出相应的要求。

众所周知的，不同方向信号的区分可以采用空分、频分、时分或码分等方式，信号的合并可以采用选择切换或最大比合并等方式。

以频分、时分或码分等方式区分不同方向的信号要求相邻射频拉远单元的信号也是频分、时分或码分的，而以空分的方式区分不同方向的信号对射频拉远单元的信号没有特殊的要求，可以采用定向跟踪天线，分别跟踪不同方向的信号。然而对于高铁的高速移动通信环境而言，定向跟踪天线实现的难度较大。若考虑到高铁移动通信环境信号覆盖的特殊性，即射频拉远单元沿铁路线一字排列的特征，则可以使问题大大简化。

合并不同方向的信号通常需要保证不同方向信号的相偏、时延和频移的一致性。但是对于具有保护间隔的突发通信信号，例如GSM信号，在保护间隔足够大的情况下，若以选择切换的方式合并不同方向的信号，则只要求这两个方向信号的频移大致相同，即切换时合并信号的频移没有大的突变就可以了。

【发明内容】

针对上述高铁移动通信环境，本发明的首要目的在于提供一种组合式中继系统，以简单且成本低廉的结构组合，对不同方向的信号进行区分和合并，以便在空域上限制多径，为移动台与射频拉远单元之间的信号传输提供准单径的信道，以保证高速运动场景中的移动通信信号的高质量传输。

本发明的另一目的在于提供一种适于在前述组合式中继系统中执行的状态切换方法，以便进一步丰富该系统的功能，全面考虑越区、非越区情况下信号的无缝切换。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的组合式中继系统，安装在高速运动载体上随载体同步运动由此经过多个覆盖区间，其包括：

前向、侧向、后向施主天线，固定在载体上且分别朝向载体线性运动的前向、侧向、后向以接收覆盖区间信号以提供给中继装置作为信号来源；

受主天线，将中继装置的信号在载体上完成覆盖；

两个中继装置，受天线控制单元控制选择性地与施主天线之一、或与受主天线相连接以用作信号中继；

天线控制单元，用于在各施主天线中检测接收信号功率及变化率并以此决定各中继装置的工作状态，且用于控制施主天线、受主天线、中继装置之间的连接关系，以使一个中继装置工作于本区覆盖状态，另一中继装置工作于非本区覆盖状态，且在相邻两个覆盖区间交界处将两个中继装置的工作状态互换。

所述中继装置为带多普勒频移校正功能的中继装置，用于消除所接收信号的正向多普勒频移，及在所发送信号上加载反向的多普勒频移。

所述受主天线包括至少一条沿载体内部纵长铺设的漏缆。

本发明的一种适用于前述的组合式中继系统的状态切换方法，该系统在载体运动过程中按如下条件控制切换施主天线、受主天线、中继装置之间的连接关系：在覆盖区间中，天线控制单元判定前向施主天线所接收的信号是否存在邻区导频信号，当该邻区导频信号不存在且当天线控制单元检测到在所有的施主天线当中前向施主天线接收的当前覆盖区间信号的功率达到最强时，控制原处于本区覆盖状态的中继装置进入非本区覆盖状态中的预跟踪状态，该状态下，该中继装置仅与前向施主天线相连接以便预跟踪载体运动前方的覆盖区间的信号；控制原处于非本区覆盖状态的中继装置进入本区覆盖状态，该状态下，该中继装置与接收当前覆盖区间信号功率最强的施主天线、受主天线相连接以便将当前覆盖区间的接收信号功率最强的信号在载体上覆盖。

天线控制单元判定前向施主天线所接收的信号是否存在邻区导频信号的具体过程为：

a、当在所有的施主天线当中前向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率达到最强时，若前向施主天线接收到的邻区导频信号的功率大于一预设功率门限，预判存在邻区导频信号；

b、当在所有的施主天线当中侧向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率达到最强时，将处于预跟踪状态的中继装置切换到非本区覆盖状态的前区覆盖状态，该状态下，中继装置与前向施主天线、受主天线相连接；

c、当在所有的施主天线当中后向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率达到最强时，若前向施主天线接收到的邻区导频信号的功率大于另一预设功率门限或大于当前覆盖区间的导频信号功率，判定存在邻区导频信号，继续维持前一步骤的前区覆盖状态；否则判定不存在邻区导频信号，将前一步骤的中继装置切换回到预跟踪状态。

当天线控制单元确认前向施主天线所接收的信号中存在邻区导频信号后，该系统在载体运动过程中按如下条件控制切换施主天线、受主天线、中继装置之间的连接关系：

1)当在所有的施主天线当中前向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率最强时：将处于前区覆盖状态的中继装置切换到本区覆盖状态；将处于本区覆盖状态的中继装置切换到非本区覆盖状态的后区覆盖状态，该状态下，中继装置与后向施主天线、受主天线相连接；

2)当在所有的施主天线当中后向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率最强时：将处于后区覆盖状态的中继装置切换到预跟踪状态。

天线控制单元按预设确定侧向施主天线，继而通过检测另外两个施主天线之一与侧向施主天线的当前覆盖区间的信号功率，在前者大于后者时，计算该前者的施主天线的信号功率变化率，当该变化率为正时，确定其为前向施主天线，为负时，确定其为后向施主天线。

将处于本区覆盖状态的施主前端与前向、侧向及后向施主天线之一切换连接的时间点为任意两个施主天线所接收当前覆盖区间信号功率曲线的交界处。

与现有技术相比，具有如下优点：

首先，本发明实现简单且造价相对低廉，通过将实现起来较为复杂的定向跟踪施主天线简化为实现起来较为简单的多个定向固定施主天线，并提供相应的天线控制单元协调各施主天线与两个中继装置之间的关系，便于以空分的方式实现区分和合并不同方向信号的功能，消除了多径干扰，确保提供准单径信道；

其次，通过在至少两个有向施主天线和两个中继装置之间协作，以其中一个中继装置覆盖当前小区信号，以另一中继装置跟踪下一小区信号，并且为越区预留过渡措施，使得越区时能保证无缝切换；

再者，本发明进一步结合了具有无多普勒频移处理功能的中继装置，其中的中继装置可以使用诸如选频、移频、宽频之类的直放站直接实现，进一步使得本发明不仅可以应用于低速铁路移动通信环境中，而且适用于高速铁路移动通信环境和具有保护间隔的突发通信信号；

此外，尽管作为一种等同替换手段，本发明的天线控制单元所实现的监测下一小区信号的功能可以结合在中继装置中实现，但是本发明优选的实施例中揭示了通过天线控制单元实现下一小区信号监测功能更有利于中继装置的标准化，可以兼容既有的移动直放站之类的中继装置，而不必对这些设备进行改造。

【附图说明】

图1是现有技术中组合式中继系统的应用场景示意图，该应用场景适用于本发明；

图2是本发明组合式中继系统的结构示意图；

图3是本发明组合式中继系统的施主天线的方向图；

图4是本发明组合式中继系统的各个施主天线接收的信号的相对功率示意图；

图5是本发明组合式中继系统的各个施主天线接收的同一射频拉远单元信号的多普勒频移示意图；

图6是本发明组合式中继系统的处于本区覆盖状态的中继装置在非越区覆盖区间中施主前端接收信号的信干比示意图；

图7是本发明组合式中继系统的处于本区覆盖状态的中继装置在越区前覆盖区间中施主前端接收信号的信干比示意图；

图8是本发明组合式中继系统的处于本区覆盖状态的中继装置在越区后覆盖区间中施主前端接收信号的信干比示意图；

图9是本发明组合式中继系统的处于预跟踪状态的中继装置在非越区覆盖区间中施主前端接收信号的信干比示意图；

图10是本发明组合式中继系统的处于预跟踪状态和前区覆盖状态的中继装置在越区前覆盖区间中施主前端接收信号的信干比示意图；

图11是本发明组合式中继系统的处于后区覆盖状态和预跟踪状态的中继装置在越区后覆盖区间中施主前端接收信号的信干比示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的具体实施例和原理作详细的说明：

本发明的组合式中继系统的应用场景同于如图1所示的现有技术的应用场景。

现有技术中，高铁应用场景上存在多个线性排列设置的射频拉远单元和/或基站。在高速移动的载体(以高速铁路的列车之类的交通工具为例)101上，安装两个移动直放站111、112作为中继装置。每个移动直放站各有一个定向跟踪施主天线(即面向射频拉远单元的天线)，分别接收前、后两个最近的射频拉远单元122、121的信号。两个移动直放站111、112通过合路器(未示出)共用一个受主天线(即面向移动台的天线)对车厢实施无线覆盖，这个受主天线采用一条在列车车厢内纵长布置的泄漏电缆(简称漏缆)。

每个射频拉远单元形成空间上的一个覆盖区间，因此，在载体运动过程中，组合式中继系统会经过多个覆盖区间。

本发明适用于与图1相同的高铁应用场景、射频拉远单元沿铁路线一字排列的特性，组合式中继系统采用若干个固定方向的定向施主天线，通过顺序切换的方式来近似实现定向跟踪施主天线的功能，从而在空域实现对不同方向信号的区分。尽管本实施例采用了三个施主天线，但本发明组合式中继系统的有向施主天线的个数可以是两个或两个以上，理论上，所采用的有向施主天线的数量越多，定向跟踪区分信号的能力就越强，但复杂度也越大。

本发明组合式中继系统既可应用在低速运动场景中，也可应用在高速运动场景中。若应用在低速运动场景中，其中继装置可以采用普通移动直放站，而在高速运动场景中，中继装置优选带多普勒频移校正功能的移动直放站(参阅本申请人的在先申请CN201010511680.5)。对于高速运动场景而言，区分开来的信号首先应在移动直放站中消除各自的多普勒频移，然后再以选择切换的方式通过合路器在受主天线上合并；当然，具有多普勒频移校正功能的移动直放站也适用于低速运动场景。

请详细参阅图2。在本发明的优选实施例中，施主天线采用三副朝向固定的定向施主天线201，202，203，三副施主天线安装在列车的同一位置，其中，施主天线201的朝向与铁路线(在水平面上)垂直；施主天线202、203的朝向彼此相反且与铁路线(在水平面上)平行；受主天线204为一条沿载体车厢内部一体纵长布设的泄漏电缆；天线控制单元211负责监测三副施主天线所接收的各个覆盖区间的信号的功率以及邻小区下行导频信号(简称邻区导频信号)，并控制三副施主天线201，202，203和一副受主天线204与两个移动直放站(中继装置)212、213之间的连接关系，这样，三副施主天线成为各移动直放站的信号来源，受主天线则供移动直放站对载体进行信号覆盖；移动直放站212、213具有校正流经自身的信号的多普勒频移的功能和相应信号处理步骤，具体而言，对于从空中接收的信号，消除其正向多普勒频移，对于待发送至空中的信号，预加载反向多普勒频移；移动直放站212、213施主前端与三副施主天线的连接开关221、222既可为物理开关也可为逻辑开关；同理，移动直放站受主前端与受主天线的连接开关223、224既可为物理开关也可为逻辑开关。

为说明的方便，本发明定义若干概念，以下逐一对各概念进行说明：

施主天线的方向(指朝向，下同)与列车行驶的方向之间的关系是施主天线的一种方向属性。朝向与列车行驶方向相同的施主天线称为前向施主天线；朝向与列车行驶方向相反的施主天线称为后向施主天线；朝向与列车行驶方向垂直的施主天线称为侧向施主天线。列车行驶方向是可以改变的，若列车行驶的方向发生改变，则前向和后向施主天线的方向属性也随之变化，即原来的前向施主天线现在变成了后向施主天线；原来的后向施主天线现在变成了前向施主天线。但侧向施主天线的方向属性始终不变。

定向施主天线的方向图可以根据实际应用的需要进行设计。在本发明的实施例中，假设高速铁路由GSM基站通过射频拉远单元实施专网覆盖，高铁沿线每隔2nkm部署一个GSM基站(n为正整数)，每个基站接n个射频拉远单元，每个射频拉远单元之间间隔2km，距铁路100m远。各施主天线均采用图3所示的方向图设计。

列车在行驶过程中，各个施主天线接收信号的强度不断发生变化，施主天线接收的各个射频拉远单元信号的多普勒频移也不断发生变化。假设列车以380km/h的速率向右行驶，下行信号的载频为953.8MHz，在-2km、0km、+2km处分别放置射频拉远单元L、M、R，它们的覆盖区间分别为(-3km～-1km)、(-1km～1km)、(1km～3km)。在列车行驶到不同位置时，前向、侧向和后向施主天线接收信号的相对功率如图4所示。其中，虚线为前向施主天线收到的不同射频拉远单元信号的相对功率；实线为侧向施主天线收到的不同射频拉远单元信号的相对功率；点划线为后向施主天线收到的不同射频拉远单元信号的相对功率。这里为了扩大侧向施主天线的覆盖范围，侧向施主天线的接收信号可预先放大了若干dB。在列车行驶到不同位置时，施主天线接收的各个射频拉远单元信号的多普勒频移如图5所示。其中，虚线为施主天线接收的射频拉远单元L信号的多普勒频移，实线为施主天线接收的射频拉远单元M信号的多普勒频移，点划线为施主天线接收的射频拉远单元R信号的多普勒频移。

射频拉远单元覆盖区间以其与相邻射频拉远单元覆盖区间的信号来源关系划分为三种类型：非越区覆盖区间、越区前覆盖区间、越区后覆盖区间。若当前射频拉远单元与其后方和前方射频拉远单元属于相同的基站，则称当前射频拉远单元覆盖区间为非越区覆盖区间。若当前射频拉远单元与其后方射频拉远单元属于相同的基站，但与其前方射频拉远单元属于不同的基站，则称当前射频拉远单元覆盖区间为越区前覆盖区间。若当前射频拉远单元与其后方射频拉远单元属于不同的基站，但与其前方射频拉远单元属于相同的基站，则称当前射频拉远单元覆盖区间为越区后覆盖区间。

每个射频拉远单元的覆盖区间按各施主天线所接收信号的强弱细分为三个子区间：前向子区间、侧向子区间、后向子区间，分别对应于图4所示接收信号相对功率曲线中前向施主天线、侧向施主天线、后向施主天线的接收信号相对功率为最大的区间，区间的分界点即为两副施主天线最大接收信号相对功率曲线的交叉点。例如在射频拉远单元M的覆盖区间(-1km～1km)中，(-1km～-0.3km)为前向子区间，(-0.3km～0.3km)为侧向子区间，(0.3km～1km)为后向子区间。

以移动直放站在所处当前射频拉远单元覆盖区间范围内所担任的角色划分，每个移动直放站都有两种相斥的工作状态，即本区覆盖状态和非本区覆盖状态，其中非本区覆盖状态又进一步细分为三种工作状态：预跟踪状态、前区覆盖状态及后区覆盖状态。

处于本区覆盖状态的移动直放站的功能是为载体车厢内的移动台提供当前射频拉远单元(覆盖区间)的信号覆盖，其施主前端根据施主天线的接收信号的功率的强弱选择性地与前向、侧向、后向三副施主天线之一相连，所选施主天线的接收信号是三者中最强的，其受主前端与受主天线相连，以保证任意时刻均以接收信号功率最强的施主天线接收信号，并经受主天线完成覆盖。

处于非本区覆盖状态的移动直放站的功能在不同类型的覆盖区间是不一样的。在非越区覆盖区间，其功能是预跟踪前方属于相同基站的射频拉远单元信号的多普勒频移，为在下一个覆盖区间接替另一个处于本区覆盖状态的移动直放站的工作提前做好准备。在越区前覆盖区间，其功能是预跟踪前方属于新基站的射频拉远单元信号的多普勒频移，并用该前方射频拉远单元的信号对载体车厢内的移动台进行覆盖，从而与另一个处于本区覆盖状态的移动直放站一道为移动台在越区前提供前后两个小区的重叠覆盖。在越区后覆盖区间，其功能是用后方属于老基站的射频拉远单元信号继续对载体车厢内的移动台进行覆盖，从而与另一个处于本区覆盖状态的移动直放站一道为移动台在越区后继续提供一段时间的前后两个小区的重叠覆盖，并在该段时间过后预跟踪前方属于新基站的射频拉远单元信号的多普勒频移，为在下一个覆盖区间接替另一个处于本区覆盖状态的移动直放站的工作提前做好准备。处于非本区覆盖状态的移动直放站在完成不同的功能时会以不同的组合方式在预跟踪状态、前区覆盖状态及后区覆盖状态之间转换，其中：

处于非本区覆盖状态中预跟踪状态的移动直放站的功能是预跟踪属于前方射频拉远单元的信号以便及时跟踪其多普勒频移，但并不对移动台提供覆盖，故其施主前端与前向施主天线相连，其受主前端与受主天线断开。

处于非本区覆盖状态中前区覆盖状态的移动直放站的功能是在越区切换开始前为车厢内的移动台提供前方属于新基站的射频拉远单元的信号覆盖，故其施主前端与前向施主天线相连，其受主前端与受主天线相连。

处于非本区覆盖状态中后区覆盖状态的移动直放站的功能是在越区切换开始后为移动台继续提供后方属于老基站的前射频拉远单元的信号的覆盖，故其施主前端与后向施主天线相连，其受主前端与受主天线相连。

基于应用场景、结构和前述若干概念等的既定，下面阐述本发明组合式中继系统的状态切换方法。

在同一个射频拉远单元的覆盖区间内，两个移动直放站中有一个始终处于本区覆盖状态，而另一个则处于非本区覆盖状态，即处于后区覆盖状态、预跟踪状态、前区覆盖状态中的一种。而具体处于何种状态则需要根据其当前所处的覆盖区间类型以及子区间来确定。请参阅表1、2、3：

表1：在非越区的覆盖区间中，移动直放站所处工作状态

表2在越区前覆盖区间中，移动直放站所处工作状态

表3在越区后覆盖区间中，移动直放站所处工作状态

对于相邻两个射频拉远单元覆盖区间而言，不管是否越区，当本发明的组合式中继系统从一个射频拉远单元覆盖区间进入另一个射频拉远单元覆盖区间时，两个移动直放站的角色互换，即工作状态互换，即原来处于本区覆盖状态的移动直放站，现在则处于非本区覆盖状态；反之，原来处于非本区覆盖状态的移动直放站，现在则处于本区覆盖状态。

由于高速运动列车中，在两个射频拉远单元覆盖区间的交界处，前后两个射频拉远单元信号中的多普勒频移方向相反，差别很大，因此移动直放站在跨越两个射频拉远单元覆盖区间并从非本区覆盖状态转向本区覆盖状态之前需要提前跟踪前方射频拉远单元信号的多普勒频移，为一进入新的覆盖区间并转向本区覆盖状态之后就能够立即为车厢内的移动台提供无多普勒频移的信号覆盖做好准备。

在每一射频拉远单元的覆盖区间中，处于本区覆盖状态的移动直放站通过天线控制单元的控制，其施主前端在行驶到前向子区间、侧向子区间、后向子区间时分别与前向施主天线、侧向施主天线、后向施主天线相连，接收该射频拉远单元的信号，跟踪并校正信号中的多普勒频移。而其受主前端则始终与受主天线相连，以将校正了多普勒频移后的该射频拉远单元的信号对车厢进行覆盖。

对应于表1，在一个射频拉远单元的覆盖区间中，若天线控制单元在其前向子区间中预判当前覆盖区间为非越区覆盖区间，则处于非本区覆盖状态的移动直放站始终处于预跟踪状态。处于预跟踪状态的移动直放站通过天线控制单元的控制，其施主前端始终与前向施主天线相连，接收前方射频拉远单元的信号，预先捕获并跟踪信号中的多普勒频移。而其受主前端始终与受主天线断开，此时车厢内只有属于当前射频拉远单元(即当前基站)的信号覆盖。在这类覆盖区间中，中继装置只有两种具体工作状态，即本区覆盖状态和预跟踪状态。

对应于表2，在一个射频拉远单元的覆盖区间中，若天线控制单元在其前向子区间中预判当前覆盖区间为越区前覆盖区间，并在其后向子区间确认当前覆盖区间为越区前覆盖区间，则处于非本区覆盖状态的移动直放站在前向子区间处于预跟踪状态，在侧向和后向子区间处于前区覆盖状态。在前向子区间，通过天线控制单元的控制，其施主前端与前向施主天线相连，接收前方属于新基站的射频拉远单元的信号，预先捕获并跟踪信号中的多普勒频移；其受主前端则与受主天线断开，此时车厢内只有当前属于老基站的射频拉远单元的信号覆盖。在侧向和后向子区间，通过天线控制单元的控制，其施主前端与前向施主天线相连，接收前方属于新基站的射频拉远单元的信号，跟踪并校正信号中的多普勒频移；其受主前端与受主天线连接，此时车厢内既有当前属于老基站的射频拉远单元的信号覆盖，也有前方属于新基站的射频拉远单元的信号覆盖。

在一个射频拉远单元的覆盖区间中，若天线控制单元在其前向子区间中预判当前覆盖区间为越区前覆盖区间，但在其后向子区间否认当前覆盖区间为越区前覆盖区间，则处于非本区覆盖状态的移动直放站在前向子区间处于预跟踪状态，在侧向子区间处于前区覆盖状态，但在后向子区间又回到预跟踪状态。在前向子区间，通过天线控制单元的控制，其施主前端与前向施主天线相连，接收前方属于新基站的射频拉远单元的信号，预先捕获并跟踪信号中的多普勒频移；其受主前端则与受主天线断开，此时车厢内只有当前属于老基站的射频拉远单元的信号覆盖。在侧向子区间，通过天线控制单元的控制，其施主前端与前向施主天线相连，接收前方属于新基站的射频拉远单元的信号，跟踪并校正信号中的多普勒频移；其受主前端与受主天线连接，此时车厢内既有当前属于老基站的射频拉远单元的信号覆盖，也有前方属于新基站的射频拉远单元的信号覆盖。在后向子区间，通过天线控制单元的控制，其施主前端与前向施主天线相连，接收前方属于新基站的射频拉远单元的信号，预先捕获并跟踪信号中的多普勒频移；其受主前端则与受主天线断开，此时车厢内只有当前属于老基站的射频拉远单元的信号覆盖。

对应于表3，在一个射频拉远单元的覆盖区间中，若天线控制单元先前已判定当前覆盖区间为越区后覆盖区间，则处于非本区覆盖状态的移动直放站在前向和侧向子区间处于后区覆盖状态，在后向子区间处于预跟踪状态。在前向和侧向子区间，通过天线控制单元的控制，其施主前端与后向施主天线相连，接收后方属于老基站的射频拉远单元的信号，跟踪并校正信号中的多普勒频移；其受主前端与受主天线连接，此时车厢内既有当前属于新基站的射频拉远单元的信号覆盖，也有后方属于老基站的射频拉远单元的信号覆盖。在后向子区间，通过天线控制单元的控制，该移动直放站的施主前端与前向施主天线相连，接收前方属于新基站的射频拉远单元的信号，预先捕获并跟踪信号中的多普勒频移；而其受主前端与受主天线断开，此时车厢内只有越区后的当前属于新基站的射频拉远单元的信号覆盖。

本发明中，天线控制单元起着控制核心的作用。当组合式中继系统经过射频拉远单元覆盖区间的子区间分界点时，天线控制单元将根据当前施主天线方向属性、所处的覆盖区间类型、所处的子区间、以及处于本区覆盖状态的移动直放站是哪一个(也即各移动直放站的工作状态)等信息来切换移动直放站与各个施主天线和受主天线的连接关系，由此实现对两个移动直放站的工作状态的切换工作(过程如前所述)。而上述信息的获取既可以由天线控制器自行完成，也可以通过其它本领域技术人员所熟知的途径获得。

以下继续以本发明优选实施例为主说明由天线控制单元获取上述信息的工作过程。

天线控制单元与各施主天线均存在连接关系，接收来自各施主天线的信号。对于来自前向施主天线的接收信号，天线控制单元还要在不同小区的导频频点上依次扫描。故天线控制单元通过监测各施主天线接收信号相对功率以及邻区导频信号强度等方式，可以获得施主天线方向属性、本发明系统所处覆盖区间类型、所处子区间以及天线切换处等信息，而当前处于本区覆盖状态的移动直放站是哪一个则可以由一个状态寄存器来决定。

由于与铁路线垂直的施主天线的方向属性始终是侧向，因此可以将其视为已知量予以预设以作为后续判断其它施主天线方向属性的参照。与铁路线平行的两个施主天线方向属性可以根据监测到的各施主天线接收的信号的功率及其变化率由天线控制单元做出判定：当有一个平行于铁路线的施主天线接收信号功率大于垂直于铁路线的侧向施主天线接收信号功率时，若平行于铁路线的施主天线接收信号功率的变化率为正，则该施主天线为前向施主天线；反之为后向施主天线。

施主天线所处射频拉远单元覆盖区间的子区间可以根据监测到的各施主天线接收信号功率由天线控制单元判定：在三个施主天线所接收的当前覆盖区间的信号的功率中，若前向施主天线接收信号功率达到最大，则施主天线当前处于前向子区间；若侧向施主天线接收信号功率最大，则施主天线当前处于侧向子区间；若后向施主天线接收信号功率最大，则施主天线当前处于后向子区间。

施主天线所处覆盖区间位置信息中的射频拉远单元覆盖区间类型可以根据天线控制单元监测到的邻区导频信号强度由天线控制单元做出判定：若当前覆盖区间的前向子区间中，监测到前向施主天线接收信号中有较强(超过一定的功率门限)的邻区导频信号，则可以预判当前覆盖区间为越区前覆盖区间，并在当前覆盖区间的后向子区间中进行确认；否则判决当前覆盖区间为非越区覆盖区间。若在前向子区间中预判当前覆盖区间为越区前覆盖区间并在后向子区间中监测到前向施主天线接收信号中邻区导频信号强于本区导频信号，则确认当前覆盖区间为越区前覆盖区间，而前方的覆盖区间为越区后覆盖区间；否则确认当前覆盖区间为非越区覆盖区间。

天线切换处，即工作状态切换的地点或时刻，为射频拉远单元覆盖区间中各子区间的交界处，确定此类交界也即确定不同的子区间，可由天线控制单元根据监测到的各施主天线接收信号功率曲线的交叉点决定。具体而言，在前向子区间，若监测到的前向施主天线的接收信号功率低于侧向施主天线的接收信号功率时，则该时刻即为前向子区间与侧向子区间的交界处。在侧向子区间，若监测到的侧向施主天线的接收信号功率低于后向施主天线的接收信号功率时，则该时刻即为侧向子区间与后向子区间的交界处。在后向子区间，若监测到的后向施主天线的接收信号功率低于前向施主天线的接收信号功率时，则该时刻即为后向子区间与前向子区间的交界处。需要指出的是在实际应用环境中，监测到的各施主天线的接收功率存在起伏和衰落，通常需要加以平滑后才能用于判决各子区间的交界处。另外为避免判决时出现“乒乓”效应，通常还需要采取“回滞”措施。

下面分析本发明组合式中继系统的抗人为多径干扰的能力，即在经过不同的施主天线到达移动直放站施主前端的信号中，作为有用信号的主径信号与作为干扰信号的不可分离的人为次径信号之间的信干比。

处于不同工作状态的移动直放站在不同类型的覆盖区间的不同子区间中其施主前端接收信号的信干比有所不同，需要分别分析。以下均以射频拉远单元M为当前射频拉远单元，L、R分别为其后方和前方射频拉远单元，L之前和R之后的射频拉远单元对当前射频拉远单元信号的信干比影响很小，在此忽略。

首先分析处于本区覆盖状态的移动直放站在射频拉远单元M的各种类型覆盖区间的各个子区间中其施主前端接收信号的信干比。

在非越区覆盖区间的前向子区间(-1km～-0.3km)中，处于本区覆盖状态的移动直放站的施主前端与前向施主天线相连，收到来自射频拉远单元L、M、R的多径信号的相对功率如图4中的虚线所示。其中，从上到下依次分别为来自于射频拉远单元M、R、L的信号的相对功率。这些多径信号中的多普勒频移各不相同，分别对应于图5中的实线、虚线和点划线。若将来自于射频拉远单元M的主径信号当作是期望接收的有用信号，将来自于其它射频拉远单元的次径信号当作是干扰信号，则从图4中可见，最小的信干比约为10γ/2dB，其中γ为信号随距离衰减的幂律(在自由空间中γ为2，在移动通信环境中，γ为3～4之间)。然而实际上前向子区间中的最小的信干比要比10γ/2dB大得多。这是因为最大的次径信号为来自于射频拉远单元R的信号，它与主径信号的多普勒频移相差很小，且在到达时间上相差较大，可以分离，因此可以不把它看作是干扰信号，而把它看作是可以被移动台用于多径分集的有用信号。而次最大的次径信号为来自于射频拉远单元L的信号，它与主径信号的多普勒频移相差很大，因此它才是对信号解调有害的干扰信号。不过它与主径信号的相对功率相差至少23γ/2dB，因此处于本区覆盖状态的移动直放站在非越区覆盖区间的前向子区间中施主前端接收信号的实际最小信干比为23γ/2dB。图6中横线条纹的阴影区代表了处于本区覆盖状态的移动直放站在非越区覆盖区间的前向子区间中施主前端接收信号的信干比。

在非越区覆盖区间的侧向子区间(-0.3km～0.3km)中，处于本区覆盖状态的移动直放站施主前端与侧向施主天线相连，收到来自射频拉远单元L、M、R的多径信号的相对功率如图4中的实线所示。其中，最上面的是来自于射频拉远单元M的信号的相对功率，下面的分别是来自于射频拉远单元R、L的信号的相对功率。这些多径信号中的多普勒频移各不相同，分别对应于图5中的实线、虚线和点划线。如果将来自于射频拉远单元M的主径信号当作是期望接收的有用信号，将来自于其它射频拉远单元的次径信号当作是干扰信号，那么从图4中可见，最小的信干比约为18γ/2dB。由于次径信号与主径信号的多普勒频移相差都很大，因此它们都是对信号解调有害的干扰信号。故处于本区覆盖状态的移动直放站在非越区覆盖区间的侧向子区间中施主前端接收信号的最小信干比为18γ/2dB。图6中斜线条纹的阴影区代表了处于本区覆盖状态的移动直放站在非越区覆盖区间的侧向子区间中施主前端接收信号的信干比。

在非越区覆盖区间的后向子区间(0.3km～1km)中，处于本区覆盖状态的移动直放站施主前端与后向施主天线相连，收到来自射频拉远单元L、M、R的多径信号的相对功率如图4中的点划线所示。其中，从上到下依次分别为来自于射频拉远单元M、L、R的信号的相对功率。这些多径信号中的多普勒频移各不相同，分别对应于图5中的实线、虚线和点划线。如果将来自于射频拉远单元M的主径信号当作是期望接收的有用信号，将来自于其它射频拉远单元的次径信号当作是干扰信号，那么从图4中可见，最小的信干比约为10γ/2dB。而实际上后向子区间中的最小的信干比要比10γ/2dB大得多。这是因为最大的次径信号为来自于射频拉远单元L的信号，它与主径信号的多普勒频移相差很小，且在到达时间上相差较大，可以分离，因此可以不把它看作是干扰信号，而把它看作是可以用于多径分集的有用信号。而次最大的次径信号为来自于射频拉远单元R的信号，它与主径信号的多普勒频移相差很大，因此它才是对信号解调有害的干扰信号。不过它与主径信号的相对功率相差至少23γ/2dB，因此处于本区覆盖状态的移动直放站在非越区覆盖区间的后向子区间中施主前端接收信号的实际最小信干比为23γ/2dB。图6中竖线条纹的阴影区代表了处于本区覆盖状态的移动直放站在非越区覆盖区间的后向子区间中施主前端接收信号的信干比。

在越区前覆盖区间中，处于本区覆盖状态的移动直放站施主前端接收信号信干比的分析与在非越区覆盖区间中的唯一区别在于此时当前射频拉远单元M与其后方射频拉远单元L属于相同的基站，但与其前方射频拉远单元R属于不同的基站。由于不同基站信号的信道不同，处于本区覆盖状态的移动直放站只接收来自射频拉远单元L、M的信号，不接收来自射频拉远单元R的信号，因此射频拉远单元R的信号对其施主前端接收信号的信干比没有影响。只要对非越区覆盖区间中信干比的分析稍加修改，就可以得到越区前覆盖区间中信干比的分析结论：处于本区覆盖状态的移动直放站，在越区前覆盖区间的前向子区间(-1km～-0.3km)中，其施主前端接收信号的最小信干比仍为23γ/2dB；在越区前覆盖区间的侧向子区间(-0.3km～0.3km)中，其施主前端接收信号的最小信干比仍为18γ/2dB；在越区前覆盖区间的后向子区间(0.3km～1km)中，其施主前端接收信号的最小信干比变为无穷大。图7中横线、斜线和竖线(下无界)条纹的阴影区分别代表了处于本区覆盖状态的移动直放站在越区前覆盖区间的前向、侧向和后向子区间中施主前端接收信号的信干比。

在越区后覆盖区间中，处于本区覆盖状态的移动直放站施主前端接收信号信干比的分析与在非越区覆盖区间中的唯一区别在于此时当前射频拉远单元M与其前方射频拉远单元R属于相同的基站，但与其后方射频拉远单元L属于不同的基站。由于不同基站信号的信道不同，处于本区覆盖状态的移动直放站只接收来自射频拉远单元M、R的信号，不接收来自射频拉远单元L的信号，因此射频拉远单元L的信号对其施主前端接收信号的信干比没有影响。只要对非越区覆盖区间中信干比的分析稍加修改，就可以得到越区后覆盖区间中信干比的分析结论：处于本区覆盖状态的移动直放站，在越区前覆盖区间的前向子区间(-1km～-0.3km)中，其施主前端接收信号的最小信干比变为无穷大；在越区前覆盖区间的侧向子区间(-0.3km～0.3km)中，其施主前端接收信号的最小信干比仍为18γ/2dB；在越区前覆盖区间的后向子区间(0.3km～1km)中，其施主前端接收信号的最小信干比仍为23γ/2dB。图8中横线(下无界)、斜线和竖线条纹的阴影区分别代表了处于本区覆盖状态的移动直放站在越区后覆盖区间的前向、侧向和后向子区间中施主前端接收信号的信干比。

接下来分析处于非本区覆盖状态的移动直放站在射频拉远单元M的各种类型覆盖区间的各个子区间中施主前端接收信号的信干比。

在非越区覆盖区间中，处于预跟踪状态的移动直放站施主前端始终与前向施主天线相连，收到来自射频拉远单元L、M、R的多径信号的相对功率如图4中的虚线所示。在前向子区间(-1km～-0.3km)中，直放站施主前端接收信号的信干比与处于本区覆盖状态的移动直放站的相同，最小为23γ/2dB；在侧向子区间(-0.3km～0.3km)中，直放站施主前端接收信号的信干比变化剧烈，尤其在0.1km处附近，迅速变为最小的0dB，且有用信号与干扰信号出现反转，多普勒频移出现突变；在后向子区间(0.3km～1km)中，直放站施主前端接收信号的信干比逐渐增大，从10γ/2dB增大到23γ/2dB。由此可见，直放站在前向子区间虽然信干比足够大，能够经过捕捉跟踪上信号的多普勒频移，但是在侧向子区间却由于信干比的急剧减小而失去跟踪。直到进入后向子区间后，直放站才随着信干比的逐渐增大重新经过捕捉进入跟踪。因此前向子区间和侧向子区间中的预跟踪并无实际意义，只有后向子区间的预跟踪才有实际意义。所以即使在侧向子区间没有处于预跟踪状态，例如因在前向子区间错误预判当前覆盖区间为越区前覆盖区间而处于了前区覆盖状态，在后向子区间否认了预判之后仍然能够及时回到预跟踪状态。图9中横线条纹的阴影区代表了处于预跟踪状态的移动直放站在非越区覆盖区间中施主前端接收信号的信干比。

在越区前覆盖区间中，处于前区覆盖状态的移动直放站施主前端始终与前向施主天线相连。由于当前及后方射频拉远单元与前方射频拉远单元分属不同的基站，因此直放站只接收前方射频拉远单元的信号，当前及后方射频拉远单元的信号对其不构成干扰，故接收信号的信干比无穷大。图10中横线条纹(无下界)的阴影区代表了处于前区覆盖状态的移动直放站在越区覆盖区间中施主前端接收信号的信干比。

在越区后覆盖区间中，处于后区覆盖状态的移动直放站施主前端在前向子区间及侧向子区间始终与后向施主天线相连。由于当前及前方射频拉远单元与后方射频拉远单元分属不同的基站，因此直放站只接收后方射频拉远单元的信号，当前及前方射频拉远单元的信号对其不构成干扰，故接收信号的信干比无穷大。进入后向子区间之后，直放站状态从后区覆盖状态转为预跟踪状态，其施主前端与前向施主天线相连，接收信号的信干比与在非越区覆盖区间中处于预跟踪状态的移动直放站施主前端接收信号的信干比相同。图11中竖线条纹(无下界)的阴影区代表了处于后区覆盖状态的移动直放站在越区后覆盖区间的前向子区间及侧向子区间中施主前端接收信号的信干比；图11中横线条纹的阴影区代表了处于预跟踪状态的移动直放站在越区后覆盖区间的后向子区间中施主前端接收信号的信干比。

总之，在本发明实施例中，处于本区覆盖状态的移动直放站在射频拉远单元各种类型的覆盖区间中为车厢内的移动台提供当前射频拉远单元(即当前基站)的信号覆盖，其施主前端接收信号的信干比都优于18γ/2dB。处于预跟踪状态的移动直放站在非越区覆盖区间的后向子区间、越区前覆盖区间的前向子区间和越区后覆盖区间的后向子区间中开始对多普勒频移实施有效的捕获和跟踪，其间其施主前端接收信号的信干比从10γ/2dB逐渐增大到23γ/2dB，可供捕获和跟踪的距离约0.7km，时间约6.6s。处于前区覆盖状态的移动直放站在越区前覆盖区间的侧向和后向子区间中为车厢中移动台的越区切换提供前方射频拉远单元(即前方基站)的信号覆盖，处于后区覆盖状态的移动直放站在越区后覆盖区间的前向和侧向子区间中为车厢内移动台的越区切换提供后方射频拉远单元(即后方基站)的信号覆盖，处于这两种状态的移动直放站施主前端接收信号的信干比都无穷大，它们与处于本区覆盖状态的移动直放站一道，为越区切换提供距离长达2.6km以上、时间长达25s以上的重叠信号覆盖。

综上所述，本发明能有效地对多个方向的信号进行区分，借助带多普勒频移校正功能的中继装置，还能消除高速运动载体中的移动台与基站或射频拉远单元通信时的多普勒频移，最终合并这些信号为单径信号，起到保证通话质量的作用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种组合式中继系统，安装在运动载体上随载体同步运动由此经过多个覆盖区间，其特征在于，其包括：

前向、侧向、后向施主天线，固定在载体上且分别朝向载体线性运动的前向、侧向、后向以接收覆盖区间信号以提供给中继装置作为信号来源；

受主天线，将中继装置的信号在载体上完成覆盖；

两个中继装置，受天线控制单元控制选择性地与施主天线之一、和/或与受主天线相连接以用作信号中继；

天线控制单元，用于在各施主天线中检测接收信号功率及变化率并以此决定各中继装置的工作状态，且用于控制施主天线、受主天线、中继装置之间的连接关系，以使一个中继装置工作于本区覆盖状态，另一中继装置工作于非本区覆盖状态，且在相邻两个覆盖区间交界处将两个中继装置的工作状态互换。

2.根据权利要求1所述的组合式中继系统，其特征在于，所述中继装置为带多普勒频移校正功能的中继装置，用于消除所接收信号的正向多普勒频移，及在所发送信号上加载反向的多普勒频移。

3.根据权利要求1或2所述的组合式中继系统，其特征在于，所述受主天线包括至少一条沿载体内部纵长铺设的漏缆。

4.一种如权利要求1或2所述的组合式中继系统的状态切换方法，其特征在于，该系统在载体运动过程中按如下条件控制切换施主天线、受主天线、中继装置之间的连接关系：在覆盖区间中，天线控制单元判定前向施主天线所接收的信号是否存在邻区导频信号，当该邻区导频信号不存在且当天线控制单元检测到在所有的施主天线当中前向施主天线接收的当前覆盖区间信号的功率达到最强时，控制原处于本区覆盖状态的中继装置进入非本区覆盖状态中的预跟踪状态，该状态下，该中继装置仅与前向施主天线相连接以便预跟踪载体运动前方的覆盖区间的信号；控制原处于非本区覆盖状态的中继装置进入本区覆盖状态，该状态下，该中继装置与接收当前覆盖区间信号功率最强的施主天线相连接并通过受主天线将当前覆盖区间的接收信号功率最强的信号在载体上覆盖。

5.根据权利要求4所述的组合式中继系统状态切换方法，其特征在于，天线控制单元判定前向施主天线所接收的信号是否存在邻区导频信号的具体过程为：

a、当在所有的施主天线当中前向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率达到最强时，若前向施主天线接收到的邻区导频信号的功率大于一预设功率门限，预判存在邻区导频信号；

b、当在所有的施主天线当中侧向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率达到最强时，将处于预跟踪状态的中继装置切换到非本区覆盖状态的前区覆盖状态，该状态下，中继装置与前向施主天线、受主天线相连接；

c、当在所有的施主天线当中后向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率达到最强时，若前向施主天线接收到的邻区导频信号的功率大于另一预设功率门限或大于当前覆盖区间的导频信号功率，判定存在邻区导频信号，继续维持前一步骤的前区覆盖状态；否则判定不存在邻区导频信号，将前一步骤的中继装置切换回到预跟踪状态。

6.根据权利要求5所述的组合式中继系统状态切换方法，其特征在于，当天线控制单元确认前向施主天线所接收的信号中存在邻区导频信号后，该系统在载体运动过程中按如下条件控制切换施主天线、受主天线、中继装置之间的连接关系：

1)当在所有的施主天线当中前向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率最强时：将处于前区覆盖状态的中继装置切换到本区覆盖状态；将处于本区覆盖状态的中继装置切换到非本区覆盖状态的后区覆盖状态，该状态下，中继装置与后向施主天线、受主天线相连接；

2)当在所有的施主天线当中后向施主天线所接收的当前覆盖区间信号功率最强时：将处于后区覆盖状态的中继装置切换到预跟踪状态。

7.根据权利要求4所述的组合式中继系统状态切换方法，其特征在于，天线控制单元按预设确定侧向施主天线，继而通过检测另外两个施主天线之一与侧向施主天线的当前覆盖区间的信号功率，在前者大于后者时，计算该前者的施主天线的信号功率变化率，当该变化率为正时，确定其为前向施主天线，为负时，确定其为后向施主天线。

8.根据权利要求4所述的组合式中继系统切换方法，其特征在于，将处于本区覆盖状态的施主前端与前向、侧向及后向施主天线之一切换连接的时间点为任意两个施主天线所接收当前覆盖区间信号功率曲线的交界处。

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