CN102104410A - 高速铁路微波通信网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高速铁路微波通信网络，用于实现高速铁路上运动载体内部通信网络与载体外部通信网络之间的信号中继，其包括：多个轨基中继装置，沿高速铁路轨道布设，且均装设在轨道建筑限界内，用于在外部通信网络与车载中继装置之间实现信号中继，每个轨基中继装置形成一个覆盖区间；至少一个车载中继装置，固定于载体上，在与当前覆盖区间相应的轨基中继装置与载体内部通信网络之间实现信号中继；所述信号的频段被限定在4GHz～42GHz的一个或多个子频段内。本发明由于采用了微波频段进行内网和外网的信号中继，具有信道稳定、通信容量大的优点；由于将系统封闭在高速铁路之建筑限界内实现，具有可靠性高、通用性好、造价低廉等优点。

Description

高速铁路微波通信网络
【技术领域】
本发明主要涉及高速铁路的宽带通信技术，尤其是实现高速列车上宽带信号的接入与回传的解决方案。
【技术背景】
近年来，随着高速铁路建设和信息化建设的迅猛发展，需要在高速列车与路面之间构建一套稳定的宽带通信系统，以满足移动电话、上网，新闻直播、综合信息服务系统等业务的需要。
现有接入和回传的通信方法是利用TD-LTE技术在移动通信频段，采用沿铁道线建塔布基站的方式实现列车与路面的业务传输。但该技术存在以下缺点：
首先，该方法采用移动通信覆盖技术进行宽带传输，使用的频率和带宽都受到一定限制，因为移动通信频段频谱资源稀缺和昂贵，靠细化小区得到复用，用很大的频带作为数据传输很不经济。
其次，采用沿铁道线建塔布基站的方式实现列车与路面的业务传输，需要沿线协调土地、电力等资源，隧道和场站还是需协调铁道部门内部资源，不可控因素大；由于信号中继采用移动通信频段，车载天线体积大，很难与车体共形，造成一定行车安全隐患。
另外，由于需要大量非通信系统自身需求的其他保障，构建一套完整的通信系统需投入的运营成本巨大，赢利风险高。
最为关键的是，由于构建这套系统涉及到复杂的环境资源，很难将系统标准化、通用化并加以推广。
【发明内容】
本发明的目的是为了克服上述不足，提供一种高速铁路微波通信网络，其采用微波作为媒介，在高速铁路建筑限界内构建一套列车与路面之间的通信系统。
为实现该目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的高速铁路微波通信网络，用于实现高速铁路上运动载体内部通信网络与载体外部通信网络之间的信号中继，其包括：
多个轨基中继装置，沿高速铁路轨道布设，且均装设在铁路建筑限界内，用于在通信网络与车载中继装置之间实现信号中继，每个轨基中继装置形成一个覆盖区间；
至少一个车载中继装置，固定于载体上，在与当前覆盖区间相应的轨基中继装置与载体内部通信网络之间实现信号中继；
所述信号的频段被限定在4GHz～42GHz的一个或多个子频段内。
具体的，所述信号的频段被限定在6GHz～40GHz的一个或多个子频段内。
所述多个轨基中继装置沿高速铁路轨道等距布设。
所述的高速铁路微波通信网络可采用单一频点通信，或采用多个频点以实现频率分集和/或频率复用通信。
所述的高速铁路微波通信网络，其车载中继装置可置于载体上一个位置或者多个位置以实现空间分集和/或空间复用通信。
所述的高速铁路微波通信网络可采用时间分集通信以提高通信质量。
所述轨基中继装置包括：
一个信号处理单元，用于对被中继信号进行处理；
多个射频前端，沿高速铁路轨道布设以进行信号覆盖；
一组布线单元，用于对各覆盖装置进行组网以与信号处理单元实现连接。
所述多个射频前端沿高速铁路轨道等距离布设。所述布线单元将多个覆盖单元与该信号处理单元组建成菊花链形、星形或环形拓扑网络。所述多个射频前端均布设于高速铁路轨道的同一侧。
所述的高速铁路微波通信网络，其射频前端包括至少一个微波辐射单元和至少一个射频单元。
所述的高速铁路微波通信网络，其微波辐射单元包括至少一段沿高速铁路轨道泄露电磁能量进而实现轨道沿线信号覆盖的微波传输线。
所述的高速铁路微波通信网络，其微波传输线为微波波导或射频同轴电缆。
所述的高速铁路微波通信网络，其微波辐射单元由一个或多个沿轨道方向辐射进而实现轨道沿线信号覆盖的定向性微波天线组成。
所述车载中继装置包括用于完成载体内部与轨基中继装置之间进行信号传输的天线，该天线与载体共形。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、在既有建筑限界内采用较高的频段进行通信，通信频带宽，信息容量大，占地空间与所采用频段之间的匹配非常合理，既规避了高成本的问题，又能满足信号中继需求；
2、由于采用较高的频段，结合本发明中合理的架设，容易使车载中继装置与轨基中继装置之间实现主径信号的通信，信号质量好，相应的信号处理方法简单；
3、整个通信网络的建设限定于高速铁路的建筑限界内，所需协调的非铁道部门的资源，如土地、电力等较少，建设成本低；
4、整个通信网络中的信号覆盖集中于沿铁路轨道的狭长区域内，对铁路外部的电磁干扰小；
5、所述通信网络采用与载体共形的微波天线，安全、美观、高效；
6、所述通信网络的车载中继装置和轨基中继装置易于通用化和标准化、易于推广应用。
【附图说明】
图1为本发明高速铁路微波通信网络的原理框图；
图2为本发明高速铁路微波通信网络实施实例之一；
图3为本发明高速铁路微波通信网络实施实例之二；
图4为本发明高速铁路微波通信网络的轨基中继装置构成菊花链形网络拓扑的结构示意图；
图5为本发明高速铁路微波通信网络的轨基中继装置构成星形网络拓扑的结构示意图；
图6为本发明高速铁路微波通信网络的轨基中继装置构成环形网络拓扑的结构示意图。
各附图中，以标号后小括号加自然数的方式标示出同一图中功能相同的不同部件以示区别，其中的标号N代表任意自然数。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
本发明所称铁路建筑限界，是指一个和铁路中心线垂直的极限横断面轮廓，在此轮廓内，除机车车辆和与机车车辆有相互作用的设备(车辆减速器，路签授受器，接触电线及其他)外，其它设备或建筑物均不得入侵。铁路建筑限界的具体尺寸定义由中华人民共和国国家标准《标准轨距铁路建筑限界》(GB 146.2-83)以及《标准轨距铁路机车车辆限界检查第2部分：限界规》(GB/T 16904.2-2006)等给出。
本发明以下各实施例中所称列车为本发明所称载体的具体实现之一。
请参阅图1，为本发明所述高速铁路微波通信网络的原理框图，主要包括沿高速铁路轨道4布设且均装设在轨道建筑限界5内的轨基中继装置1和装载于列车3之上的车载中继装置2。
轨基中继装置1与铁路专用通信系统、蜂窝移动通信网络、互联网等类似业务网络(统称为外部通信网络，简称外网)中的一个或多个相连，由此，一个轨基中继装置1便形成一个覆盖区间，并且在轨基中继装置1与外网之间实现信号中继。
结合图4至图6，轨基中继装置1由一个信号处理单元11、多个射频前端12以及一组布线单元13组成。信号处理单元11用于对被中继的来自车载中继装置2的信号和来自外网的信号进行处理；多个射频前端12沿高速铁路轨道4布设以进行信号覆盖，以便接收来自车载中继装置2的上行信号和辐射来自外网的下行信号；所述布线单元13用于对各射频前端12进行组网以使各射频前端与信号处理单元11建立连接关系。一个射频前端12可以使用一个布线单元13与信号处理单元11建立连接。
车载中继装置2则与列车3内部的移动电话、移动互联网、直播电视、列车监控系统等类似业务网络(统称为内部通信网络，简称内网)中的一个或多个相连，同理，车载中继装置2在内网和与其当前所处覆盖区间相应的轨基中继装置1之间实现信号中继；轨基中继装置1与车载中继装置2之间采用4GHz～42GHz频段的微波通信链路相连，优选则采用6GHz～40GHz频段；由于轨基中继装置1处于建筑限界内部，且车载中继装置2装设于载体上，因此，轨基中继装置1和车载中继装置2均布设于铁路的建筑限界5内部。
该通信网络轨基中继装置1及车载中继装置2之间内部的信号处理，可以采用前述指定频段中的单一频点通信，或者采用多个频点辅以实现频率分集和/或频率复用通信；另一种途径是在列车的一个位置或者多个位置的车载中继装置中采集信号后采用空间分集和/或空间复用通信；又或，可以采用时间分集通信以提高通信质量。
由于轨基中继装置1和车载中继装置2间构成的通信网络采用了4GHz～42GHz中的一个或者多个子频段进行通信，因此相对移动通信的L波段或者S波段，所述高速铁路微波通信网络能提供更宽的数据带宽，可达100MHz以上，并可通过频率分集、空间分集、时间分集等技术进一步改善通信可靠性和通信容量，足以支持移动电话、上网、直播电视等宽带综合业务。
由于所述高速铁路微波通信网络均布设于铁路的建筑限界5内部，铁路建筑限界5专属铁路建设使用，因此本发明的高速铁路微波通信网络可完全由铁路建设部门构建，无需或者极少需要协调如土地征用、铁塔建设、外部供电等非铁道部门所控的资源，具有建设成本低、易于标准化和通用化、建设周期短、投资回报率高等特点。
图2给出了本发明所述高速铁路微波通信网络的具体实施实例之一。在该实施例中，轨基中继装置1及其射频前端12适宜沿高速铁路轨道4等距离布设，其由射频单元121和沿高速铁路轨道4泄露电磁能量进而实现轨道4沿线信号覆盖的微波辐射单元构成，其中的射频单元121的功能是对微波辐射单元的射频信号进行处理并与信号处理单元11相连，其中的微波辐射单元采用微波传输线122，整个射频前端12装置于双向列车轨道4之间，这样射频前端12便居于任意一条轨道4的同一侧，对于仅有一条轨道4的情况，可以将射频前端12置于该轨道4的任意一侧；微波传输线122为微波波导尤佳，也可使用射频同轴电缆，并能实现朝两侧列车进行信号覆盖；车载中继装置2置于列车3朝射频前端12一侧的车厢侧部，在该侧部的前侧部和后侧部分别装载一个车载中继装置2，也可根据需要在车厢上装载更多的车载中继装置2以实现空间分集和/或空间复用通信。轨基中继装置1的信号处理单元11、射频前端12以及布线单元13可构建成如图4所示的菊花链形、图5所示的星形以及图6所示的环形拓扑网络。
图3给出了本发明所述高速铁路微波通信网络的具体实施实例之二。在该实施例中，轨基中继装置1的射频前端12的微波辐射单元包括一个或多个沿轨道4方向辐射进而实现轨道4沿线信号覆盖的定向性微波天线，整个射频前端12同样装置于双向列车轨道4之间；车载中继装置2置于列车3的头部和尾部，也可根据需要在列车上装置更多的车载中继装置2以实现空间分集和/或空间复用通信。轨基中继装置1的信号处理单元11、射频前端12以及布线单元13同样可构建成如图4所示的菊花链形、图5所示的星形以及图6所示的环形拓扑网络。
所述的车载中继装置2包括有用于完成载体内部与轨基中继装置1之间进行信号中继的天线，该天线与列车共形。
本发明的高速铁路微波通信网络的工作过程如下：
对于下行信号，轨基中继装置1接收外网信号后，在其信号处理单元11中进行信号处理，然后通过其射频前端12在空中进行辐射以在建筑限界内实施覆盖；车载中继装置2的共形天线接收由该轨基中继装置1的射频前端12产生的信号后，进而转发给与之相连接的内网，最终由内网实现对列车车厢内部的各种业务信号的接入和覆盖，以提供给各数据终端使用。
对于上行信号，数据终端发送的上行信号经由车载中继装置2接收后，通过车载中继装置2的共形天线向空中辐射以在建筑限界内完成覆盖，相应的，轨基中继装置1接收的射频前端12该上行信号后，送入其信号处理单元12进行相应处理后最终被外网的接收设备接收。
综上所述，本发明的高速铁路微波通信网络，由于采用了微波频段进行内网和外网的信号中继，具有信道稳定、通信容量大的优点；由于将系统封闭在高速铁路之建筑限界内实现，具有可靠性高、通用性好、造价低廉等优点。
本发明尽管只给出以上实施例，但是，本领域内普通技术人员在通读本说明书后，结合公知的通信常识，应能联想到更多的具体实施方式，但是这样的具体实施方式并不超脱本发明权利要求的精神，任何形式的等同替换或简单修饰均应视为被本发明所包括的实施例。

Claims (15)

1.一种高速铁路微波通信网络，用于实现高速铁路上运动载体内部通信网络与载体外部通信网络之间的信号中继，其特征在于，其包括：
多个轨基中继装置，沿高速铁路轨道布设，且均装设在轨道建筑限界内，用于在外部通信网络与车载中继装置之间实现信号中继，每个轨基中继装置形成一个覆盖区间；
至少一个车载中继装置，固定于载体上，在与当前覆盖区间相应的轨基中继装置与载体内部通信网络之间实现信号中继；
所述信号的频段被限定在4GHz～42GHz的一个或多个子频段内。
2.根据权利要求1所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于：所述信号的频段被限定在6GHz～40GHz的一个或多个子频段内。
3.根据权利要求1或2所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于：所述多个轨基中继装置沿高速铁路轨道等距布设。
4.根据权利要求1或2所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于：该通信网络采用单一频点通信，或采用多个频点以实现频率分集和/或频率复用通信。
5.根据权利要求1或2所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述车载中继装置置于载体上一个位置或者多个位置以实现空间分集和/或空间复用通信。
6.根据权利要求1或2所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于：该通信网络采用时间分集通信以提高通信质量。
7.根据权利要求1或2所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述轨基中继装置包括：
一个信号处理单元，用于对被中继信号进行处理；
多个射频前端，沿高速铁路轨道布设以进行信号覆盖；
一组布线单元，用于对各射频前端进行组网以与信号处理单元实现连接。
8.根据权利要求7所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述多个射频前端沿高速铁路轨道等距离布设。
9.根据权利要求7所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述布线单元将多个射频前端与该信号处理单元组建成菊花链形、星形或环形拓扑网络。
10.根据权利要求7所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述多个射频前端均布设于高速铁路轨道的同一侧。
11.根据权利要求7所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述射频前端包括至少一个微波辐射单元和至少一个射频单元。
12.根据权利要求11所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述微波辐射单元包括至少一段沿高速铁路轨道泄露电磁能量进而实现轨道沿线信号覆盖的微波传输线。
13.根据权利要求12所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述微波传输线为微波波导或射频同轴电缆。
14.根据权利要求11所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述微波辐射单元由一个或多个沿轨道方向辐射进而实现轨道沿线信号覆盖的定向性微波天线组成。
15.根据权利要求1或2所述的高速铁路微波通信网络，其特征在于，所述车载中继装置包括用于完成载体内部与轨基中继装置之间进行信号中继的天线，该天线与载体共形。
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