CN102638859A - 一种基于感知控制的高铁宽带接入系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于感知控制的高铁无线宽带接入方案，属于通信领域。方案采用基于传感器的方式来对行进中列车接入移动无线网络的控制，从而为列车提供稳定的无线宽带接入服务。车厢内部用户可以通过多种接入模式与车厢内宽带接入点建立连接，车厢内宽带接入点通过列车天线与外部基站建立连接。铁路沿线基站通过光纤拉远技术，把该基站的天线沿着铁轨呈线性覆盖，以便为列车提供无线宽带接入服务。传感器网络感知列车位置、速度等信息并传递给控制中心；控制中心根据感知信息，依靠快速光交换单元来实现基站之间的切换，执行闭塞区间控制、能耗控制等功能。

Description

一种基于感知控制的高铁宽带接入系统

技术领域

本发明涉及通信与传感器领域，特别涉及一种基于感知控制的高铁宽带接入系统。

背景技术

高速铁路在中国得到了迅猛的发展。2011年底中国高铁总里程已经达到13073km，预计2015年底将达到25000km。2007-2010年，中国高铁每日客运量分别达到237000人次，349000人次，492000人次，796000人次。据统计，2011年中国高铁每日客运量已超过一百万人次。随着中国经济的高速发展，越来越多的高铁乘客希望能够在高铁列车上享受到宽带接入服务。然而，为速度超过350km/h的高速移动工具提供可靠而稳定的宽带接入服务一直是全球通信业的重大挑战。这是由于高速运动物体一直存在快速切换控制、快速功率控制和多普勒频率偏移三大难题，本方案考虑列车的特征，设计了一种基于传感器控制的光与无线混合的高铁通信系统。

发明内容

本方案主要特点是采用基于传感器的方式来实现对光与无线混合网络的控制，从而为列车提供宽带稳定的接入服务。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于感知控制的高铁移动无线宽带接入系统，包括：

传感器网络：所述传感器部署在列车系统及其轨道系统上，用于采集至少包括列车位置、速度、车次编号的列车感知信息；所述传感器通过移动无线网络传递列车感知信息；

无线接入链路，包括：具有多种接入模式的车厢内宽带接入点；所述车厢内宽带接入点通过列车车厢顶部的天线与外部基站建立连接；

基站：所述基站包括多根采用光纤拉远技术的天线，使得该基站的天线沿着铁轨呈线性覆盖；

控制中心：用于根据传感器网络提供的列车感知信息，当判定列车进入了不同基站间的切换区域时，通知列车车厢顶部的天线将链路切换至目标基站。

优选的，所述传感器部署在不同基站间切换区域的列车轨道设施上。

优选的，所述控制中心还用于：根据传感器网络提供的列车感知信息，当判定列车进入了不同基站间的切换区域时，通知目标基站通过光切换单元将链路切换到工作状态。

优选的，所述控制中心还用于：根据传感器网络提供的列车感知信息，对覆盖区域内没有列车经过的基站，通知其通过光切换单元将链路切换到节能状态。

优选的，所述多种接入模式包括：有线接入、Wi-Fi接入、或者蜂窝接入。

优选的，所述列车车厢顶部的天线与外部基站通过正交频分复用技术建立链接。

优选的，所述的系统还包括：

区间数据库：用于实时统计分析与更新列车系统运行状态、某一铁路区间及相邻区间内的列车状况，所述列车状况包括列车数量和列车间距；

车次数据库：用于实时更新与保存每个车次的运行状况；

闭塞区间指令系统：用于根据目标铁路区间和相邻区间的列车状况，通过移动无线网络向不同列车发出相应指令及所在区间信息，执行闭塞区间控制；

列车协调反馈系统：用于接收闭塞区间控制指令，与前后列车相互协调以保持安全车距，向闭塞区间指令系统提供反馈信息。

优选的，具体的，所述闭塞区间指令系统根据某一铁路区间及相邻区间内的相邻列车间距，向不同列车发出停车、注意、减速、行进等指令，调度相邻两辆列车之间的运行距离间隔，以及列车的运行速度控制，执行闭塞区间控制。

本发明的有益效果如下：

本发明对于铁路系统以及通信设备制造商、通信系统运营商、通信网服务商都有重大产业意义。与现有光与无线融合方案最大的区别在于引入了传感器控制，本发明大大的提高了高速列车宽带接入用户的切换成功率；通过列车闭塞区间的实时控制，可以极大提高列车的运行安全，以及铁路的运载效率；此外，根据列车的定向运动特征，利用传感器可以极大降低列车通信的能耗。

附图说明

图1是高速铁路宽带接入系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明的内容，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明的技术方案如下：图1为我们提出的高速铁路宽带接入通信系统结构，主要由以下几部分组成：

无线接入链路：在车厢内部，用户可以通过多种接入模式(有线接入或者Wi-Fi、蜂窝等无线接入模式)与车厢内宽带接入点建立连接，车厢内宽带接入点通过列车车厢顶部的天线与外部基站建立连接；车厢顶部天线与铁轨附近的基站天线采用OFDM的接入方式(WiMAX、LTE等技术)进行无线通信。

其中，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi-CarrierModulation，多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

光纤拉远天线：每个铁路沿线基站都有多根天线，通过光纤拉远技术，把该基站的天线沿着铁轨呈线性覆盖。光纤拉远技术可以使每个基站的天线承载的是同一载频信号，因此列车在同一基站内的天线之间运动，无需切换操作。图1中示出了n个基站，每个基站具有N个RAU(remote antenna unit，远程天线单元)。

具体的，光纤拉远是指采用BBU+RRU方式的基带拉远技术，即基站端和覆盖端不在一起，中间采用光纤传输方式增加物理空间距离

RRU(Radio Remote Unit)技术特点是将基站分成近端机即无线基带控制(Radio Server)和远端机即射频拉远(RRU)两部分，二者之间通过光纤连接，其接口是基于开放式CPRI或IR接口，可以稳定地与主流厂商的设备进行连接。RS可以安装在合适的机房位置，RRU安装在天线端，这样，将以前的基站模块的一部分分离出来，通过将RS与RRU分离，可以将烦琐的维护工作简化到RS端，一个RS可以连接几个RRU，既节省空间，又降低设置成本，提高组网效率。同时，连接二者之间的接口采用光纤，损耗少。RRU(射频拉远模块)和BBU(Building Base band Unit，基带处理单元)之间需要用光纤连接。一个BBU可以支持多个RRU。

其中，因为RRU的跳线过长会影响驻波比，对设备的发射功率有影响，所以为了缩短上跳下长度，所以将RRU用光纤拉远来解决RRU与设备端距离远的问题。

传感器网络：在不同基站间的切换区域的列车轨道设施上布置传感器，构建传感器网络用于感知列车位置、速度等信息，并把感知信息通过有线或者无线的方式传递给控制中心；被感知的信息可以用于控制列车接入到移动无线网络之中，以解决高速列车频繁切换所导致的掉线问题，传感器网络是列车乘客无线宽带接入控制系统的关键组成部分之一。

控制中心：用于根据传感器网络提供的列车感知信息，当判定列车进入了不同基站间的切换区域时，通知列车车厢顶部的天线将链路切换至目标基站。同时，控制中心还可以根据传感器网络提供的列车信息，通过光交换单元实现基站之间的切换，执行闭塞区间控制、能耗控制等功能。

在本方案中，我们主要利用传感器来实现对光与无线混合网络的控制，从而为列车提供宽带稳定的接入服务。该系统工作流程如下：

1.车厢内部用户可以通过多种接入模式与车厢内宽带接入点建立连接，车厢内宽带接入点通过列车车厢顶部的天线与外部基站建立连接；车厢顶部天线与铁轨附近的基站天线采用OFDM的接入方式(WiMAX、LTE等技术)建立无线链路。

2.铁路沿线基站通过光纤拉远技术，把该基站的天线沿着铁轨呈线性覆盖。一方面，基站天线与车厢顶部天线进行无线通信；另一方面，基站通过控制中心与宽带服务接入网关建立光纤连接。

3.在不同基站间切换区域的列车轨道设施上布置传感器，构建传感器网络用于感知列车位置、速度等信息，并把感知信息通过有线或者无线的方式传递给控制中心。

4.控制中心执行基站间切换操作：根据传感器网络所提供的列车位置、运行方向等信息，控制中心判定列车进入了不同基站间的切换区域，需要进行基站间切换操作；之后控制光交换单元将列车的链路切换到新的基站。

5.控制中心执行闭塞区间控制：控制中心将传感器网络提供的所有列车的位置信息进行处理，计算出相邻列车之间的距离，为保持安全车距，向相关列车发出停车、注意、减速、进行等指令。

6.控制中心执行能耗控制：控制中心根据传感器网络提供的列车位置信息，对覆盖区域内没有列车经过的基站执行节能操作，实现能耗控制。

下面给出本发明的控制中心执行闭塞区间控制时的一个实施例。在该实施例中，本发明的控制中心还可以包括：

区间数据库：用于实时统计分析与更新列车系统运行状态、某一铁路区间及相邻区间内的列车状况，所述列车状况包括列车数量和列车间距；

车次数据库：用于实时更新与保存每个车次的运行状况；

闭塞区间指令系统：用于根据目标铁路区间和相邻区间的列车状况，通过移动无线网络向不同列车发出相应指令及所在区间信息，执行闭塞区间控制；

列车协调反馈系统：用于接收闭塞区间控制指令，与前后列车相互协调以保持安全车距，向闭塞区间指令系统提供反馈信息。

具体的，所述闭塞区间指令系统根据某一铁路区间及相邻区间内的相邻列车间距，向不同列车发出停车、注意、减速、行进等指令，调度相邻两辆列车之间的运行距离间隔，以及列车的运行速度控制，执行闭塞区间控制。

在本实施例中，可以利用传感器来实现列车之间闭塞区间的智能控制。该部分的工作流程如下：

在轨道上或附件设施上一定距离的间隔点布置传感器，构建传感器网络用来感知列车的位置、速度、车次编号、地理条件变化等信息，并把感知信息通过移动无线网络传递到列车调度控制中心；

传感信息处理器接受与处理传感器的感知信息，按照区间与车次进行信息归类，分别传递给区间数据库、车次数据库；

车次数据库实时更新与保存每个车次的运行状况，记录该车次在不同时刻所在的位置、相应的速度等信息；

区间数据库实时统计分析与更新列车系统运行状态、某一铁路区间及相邻区间内的列车数量、间距等信息；

为了保持安全车距，闭塞区间指令系统根据某一铁路区间及相邻区间内的相邻列车间距，通过移动无线网络向不同列车发出停车、注意、减速、行进等指令，调度相邻两辆列车之间的运行距离间隔，以及列车的运行速度控制，执行闭塞区间控制；同时，向每一列车提供其相邻列车的车次、间距等区间信息，以便相邻列车之间的协调。

列车协调反馈系统用来与前后列车相互协调以保持安全车距；同时，根据列车的实际运行状况向闭塞区间指令系统提供反馈信息。

最后，列车调度优化系统根据区间数据库所提供的铁路区间空闲数据、车次数据库所提供的车次运行信息，优化列车调度与提速方案，在确保安全的前提下，能够实现铁路运行效率的最大化目标。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于感知控制的高铁移动无线宽带接入系统，其特征在于，包括：

传感器网络：所述传感器部署在列车系统及其轨道系统上，用于采集至少包括列车位置、速度、车次编号的列车感知信息；所述传感器通过移动无线网络传递列车感知信息；

无线接入链路，包括：具有多种接入模式的车厢内宽带接入点；所述车厢内宽带接入点通过列车车厢顶部的天线与外部基站建立连接；

基站：所述基站包括多根采用光纤拉远技术的天线，使得该基站的天线沿着铁轨呈线性覆盖；

控制中心：用于根据传感器网络提供的列车感知信息，当判定列车进入了不同基站间的切换区域时，通知列车车厢顶部的天线将链路切换至目标基站。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器部署在不同基站间切换区域的列车轨道设施上。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制中心还用于：根据传感器网络提供的列车感知信息，当判定列车进入了不同基站间的切换区域时，通知目标基站通过光切换单元将链路切换到工作状态。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制中心还用于：根据传感器网络提供的列车感知信息，对覆盖区域内没有列车经过的基站，通知其通过光切换单元将链路切换到节能状态。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多种接入模式包括：有线接入、Wi-Fi接入、或者蜂窝接入。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述列车车厢顶部的天线与外部基站通过正交频分复用技术建立链接。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

区间数据库：用于实时统计分析与更新列车系统运行状态、某一铁路区间及相邻区间内的列车状况，所述列车状况包括列车数量和列车间距；

车次数据库：用于实时更新与保存每个车次的运行状况；

闭塞区间指令系统：用于根据目标铁路区间和相邻区间的列车状况，通过移动无线网络向不同列车发出相应指令及所在区间信息，执行闭塞区间控制；

列车协调反馈系统：用于接收闭塞区间控制指令，与前后列车相互协调以保持安全车距，向闭塞区间指令系统提供反馈信息。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，具体的，所述闭塞区间指令系统根据某一铁路区间及相邻区间内的相邻列车间距，向不同列车发出停车、注意、减速、行进等指令，调度相邻两辆列车之间的运行距离间隔，以及列车的运行速度控制，执行闭塞区间控制。

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