CN102857282A - 应用于高速铁路的分布式天线架构 - Google Patents

Abstract

一种应用于高速铁路的分布式天线架构，沿高速铁路设有一个以上的基站，以一个基站为中心，沿高速铁路等距离地对称地架设多个分布式天线，每个分布天线的有效覆盖范围半径等于或大于相邻两个分布式天线间的间距，各分布天线以光纤与所述的基站互联，所述的基站带有基带处理单元带，每根分布式天线带有一个远端射频单元，高速列车的天线与所述的分布式天线间进行通信。本发明实现空间分集增益，提高通信可靠性及速率，改善通信性能及体验，效果显著，在未来有很强的应用前景。

Description

应用于高速铁路的分布式天线架构

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种应用于高速铁路的分布式天线架构。

背景技术

我国铁路经过几次大幅度的提速后，高速列车运行速度越来越快。目前正在运行的高速铁路高速列车速度已经达到并超过了350km/h，对高速环境下通信服务的种类和质量的要求也越来越高，这无疑对铁路无线通信提出了更为苛刻的要求。

当前无线接入主要面向低速移动场景，当移动终端在蜂窝小区间快速切换，且穿越时间小于系统处理切换的最小延时时，移动终端将发生掉话。并且由于高速列车上乘客地理位置的集中性，当高速列车穿越小区边缘时，将发生用户的群切换。这些都极大了影响了高速高速列车上的通信质量。以目前使用较多的GSM-R基站建设为例，基站间最小距离为3km，如果运行速度为360km/h，这样在一个基带处理单元（Base Band Unit，简称为BBU）内，则30秒就需要进行一次越区切换，如此频繁的切换给对铁路无线通信造成了很大困难。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的问题，提出一种应用于高速铁路的分布式天线架构，实现空间分集增益，提高通信的可靠性及速率，改善通信性能及体验。具有实现简单，效果显著的特点，在未来有很强的应用前景。

本发明的基本思想是：

如果铁路沿线的基站采用分布式多天线布置，则一个基带处理单元可以协同布置多个远端射频单元（Remote Radio Unit，简称为RRU）。多个RRU间可以共享资源，高速列车不需要进行越区切换。单个RRU的拉远距离约为3km，多个RRU则可将一个BBU范围扩大N（N等于分布式天线数）倍，越区切换的数目也将降为原来的1/N。如此，带有多个RRU的分布式天线布置方法可以很好地解决高速铁路中小区的频繁越区切换问题，进而改善高速列车的通信性能。另外，多天线技术使用空时编码等技术，可以进一步获得空间分集增益，在一定程度上对抗衰落，减少误码。

本发明的技术解决方案如下：

一种应用于高速铁路的分布式天线架构，沿高速铁路设有一个以上的基站，其特点在于，以一个基站为中心，沿高速铁路等距离地对称地架设多个分布式天线，每个分布天线的有效覆盖范围半径等于或略大于相邻两个分布式天线间的间距，各分布天线以光纤与所述的基站互联，所述的基站带有基带处理单元带，每根分布式天线带有一个远端射频单元，高速列车的天线与所述的分布式天线间进行通信。

所述的分布式天线为通用天线，所述的高速列车的天线为通用天线，所述的高速列车上的天线与该高速列车两端相邻的分布式天线之间采用空时编码或空频编码进行简单的两发一收分集通信。

所述的每个分布式天线为两个分别朝向铁轨两端的定向天线，所述的高速列车上设有分别朝向铁轨两端的定向天线，所述的高速列车上的两个定向天线分别接收来自该高速列车两端相邻的定向天线的信号。

所述的分布式天线为极化天线，各极化天线间隔分布，即一处为水平极化天线，相邻的两处则为垂直极化天线，所述的高速列车上设有两个接收极化天线，一个为水平极化天线，一个为垂直极化天线，高速列车上的接收机对接收到的两路信号进行最大比合并接收。

所述的基站传输到各天线间的信息进行编码直传。

所述的每个分布式天线为双极化天线，高速列车上设有两组双极化接收天线，采用双极化天线进行空分复用与分集通信。

附图说明

图1本发明应用于高速铁路的分布式天线架构示意图。

图2本发明实施例1示意图，即简单的发射分集实现方法。

图3本发明实施例2示意图，即采用定向天线的发射分集实现方法。

图4本发明实施例3示意图，即采用极化天线的发射分集实现方法。

图5本发明实施例4示意图，即采用双极化天线的空分复用与分集实现方法。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。本实施例在以本发明技术方法为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明采用下述四种实现方法：简单的两发一收发射分集实现方法；采用定向天线的两发两收分集增益实现方法；采用极化天线的发射分集实现方法；采用双极化天线的空分复用与分集实现方法。

方法一：简单的两发一收发射分集实现方法

如图2所示，每一组分布式天线包括一个基站，基站处的基带处理单元（BaseBand Unit-BBU）。其余天线从基站处向两边沿铁轨对称呈等距离排开，每个天线处称为远端射频单元(Remote Radio Unit-RRU)。各天线均以光纤与基站互联，以实现信息的高速传输与控制。我们设定，每个天线的有效覆盖范围半径等于或略大于相邻两天线间的间距。因而，高速列车行驶至任一路段都只能接收到相邻两天线处发出的信号，而其他天线处的信号干扰可以忽略不计。

当高速列车行驶至距离某基站一端天线很近时，由于与该基站一端的距离近，信号强，足够对信息进行正确判决。最坏的情况是高速列车行驶在两天线正中间时，此时来自两端天线的信号强度比较接近但都不够强。在这种情况下，高速列车可以采用空时编码或空频编码，获得一定的空间分集增益，以此对抗衰落，增加对信号的正确检测与判决。

因而，此种天线布置必须有效结合编码技术，在减少越区切换时也能获得分集增益以对抗衰落，减少误码。这种方法实现简单，既采用分布式天线布置减少了越区切换，又利用空时编码获得了发射分集增益，在实际应用中有很广阔的应用前景。

方法二：采用定向天线的两发两收发射分集实现方法

如图3所示，每一组分布式天线包括一个基站，基站处的基带处理单元（BaseBand Unit-BBU）以及从基站处向两边沿铁轨等距离排开的远端射频单元(RemoteRadio Unit-RRU)。在每个RRU处，放置两个分别朝向铁轨两端的定向天线。各天线均以光纤与基站互联，以实现信息的高速传输与控制。我们设定，每个天线的有效覆盖范围半径等于或略大于相邻两天线间的间距。因而，高速列车行驶至任一铁轨区间，都只能接收到相邻RRU处朝向高速列车的两处定向天线发出的信号，而其他天线的信号干扰可以忽略不计。与此对应，在高速列车上也有两个定向的接收天线分别接收来自高速列车两端铁路的天线信号。

高速列车上的接收机对接收到的两路信号进行最大比合并接收。这两路信号由于是采用定向天线发射，定向天线接收，相互间没有干扰，收到的两路信号相当于两路完全独立的发射信号，相互之间干扰极小。除高速列车行驶在两处RRU的正中时，正常都将接收到一强一弱的两路信号。接收机以接收到的强信号处理为主，弱信号提供一定的冗余信息，最大程度的保证对信息的正确检测与判决，获得极高的分集增益，增加通信的可靠性。

这种方法在使用分布式天线布置的基础之上，结合使用定向天线，充分考虑到了铁路的通信特点。铁路沿线的相邻基站间距离相比于整个铁路线长是极小的，相邻天线间更是如此。因而，在绝大部分的情况下，在两相邻天线间的铁轨近似于直线。在弯道变化厉害的区域，完全可以在弯道处布置天线，以期满足两天线铁轨近似直线的要求。因而，这种方法对铁路通信这种应用场景中适用性很强。

方法三：采用极化天线的两发两收发射分集实现方法

如图4所示，每一组分布式天线包括一个基站，基站处的基带处理单元（BaseBand Unit-BBU）以及从基站处沿铁轨向两边对称等距离排开的远端射频单元(Remote Radio Unit-RRU)。在每个RRU处，放置一个极化天线。各极化天线间隔分布，即一处为水平极化天线，则相邻的两处则为垂直极化天线。各天线均以光纤与基站互联，以实现信息的高速传输与控制。我们设定，每个天线的有效覆盖范围半径等于或略大于相邻两天线间的间距。因而，高速列车行驶至任一铁轨区间，都只能接收到相邻RRU处发出的信号，而其他天线的信号干扰可以忽略不计。与此对应，在高速列车上也有两个接收天线，一个为水平极化方式，一个为垂直极化方式，用以分别接收来自两端的天线信号。

由于垂直极化与水平极化是正交的，信号间不存在干扰。基站传输到各天线间的信息可以编码直传，不需要区分。高速列车上两根接收天线只能对应接收，正常情况下，水平极化天线只能接收由水平极化天线发生的信号，垂直极化天线只能接收垂直极化天线发生的信号。高速列车上的接收机对接收到的两路信号进行最大比合并接收，可以很好的实现分集增益。

此种方法相比与方法一，不需要对天线进行奇偶区分和编码区别，信息处理更为简便。与方法二中的定向天线比，使用的天线数更少，更节约能量资源及天线资源，更加经济。并且此方法同样具有实现简单，性能良好的优点。

方法四：采用双极化天线进行空分复用与分集的实现方法

如图5所示，每一组分布式天线包括一个基站，基站处的基带处理单元（BaseBand Unit-BBU）以及从基站处向两边沿铁轨对称呈等距离排开的远端射频单元(Remote Radio Unit-RRU)。此方法在每一个RRU处都设有双极化天线。在此方法中，各RRU与BBU同样以光纤互联，并且等距分布。高速列车上两组双极化接收天线，分别接收来自两端的信息。对每一组信息来看，双极化天线间信息相互正交，实现了空分复用。而从两端得到的两组信息间又可以实现分集。

这种方法虽然使用的天线数有所增加，但由于采用了空分复用，可以提升频谱复用效率，可以达到更高的频谱效率。在基站与高速列车间信息交互量大时，优点显著。

实施例1

在方法一，即简单的发射分集实现方法中，如图2，以结合空时分组码实现分集增益为例。对沿线各天线进行奇偶编号，奇序号的天线发出的信息编码一致，而偶序号发生的信息编码采用其对应的空时分组形式。即若奇序号发送信息编码为 $\left[\begin{array}{c}-s_2^{*}\\ s_1^{*}\end{array}\right],$ 偶序号发送信息编码为 $\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right],$

则列车接收到来自两处的信号可以表示为：

$y_1=\sqrt{\frac{E_s}{2}}\·h_1\·s_1+\sqrt{\frac{E_s}{2}}\·h_2\·s_2+n_1$

$y_2=-\sqrt{\frac{E_s}{2}}\·h_1\·s_2^{*}+\sqrt{\frac{E_s}{2}}\·h_2\·s_1^{*}+n_2$

对接收信号重组，则 $y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2^{*}\end{array}\right]$

当列车行驶至距离一端天线很近时，另一端天线信号较弱，分集增益不明显。但由于距离近，信号强，只有一端的信号也足够对信息进行正确判决。最坏的情况是列车行驶在两天线正中间时，此时来自两端的信号强度比较接近。在这种情况下，由于采用了空时编码，获得了一定了空间分集增益，有利于信号的正确判决与检测。

实施例2

在方法二，即采用定向天线的发射分集实现方法，如图3所示，在每一个RRU处都设有两根天线，分别朝向铁轨的一端。列车行驶在铁轨中间，只有相邻两处RRU处正对列车的定向天线的信号可以被列车上的定向接收天线分别接收，其他天线的信号基本可以忽略不计。

假设列车接收到的一路信号能量为E₁，加权系数为α₁，另一路信号能量为E₂，加权系数为α₂，则合成信号等效幅度为：α₁E₁-α₂E₂。假设列车与能量为E₁的一端较近时，则E₁＞＞E₂，接收机主要依靠E₁进行判决；当列车行驶在两相邻RRU正中时，将有E₁～E₂，α₁～α₂，合成后的等效幅度将大于原有单一幅度，提高合成后的信号信噪比，更有利于对信号的正确检测与判决，降低误码。

实施例3

在方法三，即采用极化天线和发射分集实现方法中，如图4所示，水平极化天线与垂直极化天线相间布置，使列车行驶至铁轨任一区间，与其相邻两处RRU处的天线，一个为水平极化，一个为垂直极化。由于这两种极化方式相互正交，正常情况下干扰极小，列车上的两根极化接收天线将相互独立，互不干扰的接收到两路信号。

假设列车接收到的一路信号能量为E₁，加权系数为α₁，另一路信号能量为E₂，加权系数为α₂，则合成信号等效幅度为：α₁E₁-α₂E₂。假设列车与能量为E₁的一端较近时，则E₁＞＞E₂，接收机主要依靠E₁进行判决；当列车行驶在两相邻RRU正中时，将有E₁～E₂，α₁～α₂，合成后的等效幅度将大于原有单一幅度，提高合成后的信号信噪比，更有利于对信号的正确检测与判决，降低误码。

实施例4

在方法四，即采用双极化天线的空分复用与发射分集实现方法中，在每一个RRU处都布置有两根相互正交的极化天线。双极化方式可以一对水平极化与垂直极化，也可以为一对＝45°角的双极化天线。以采用水平极化与垂直极化为例，如图5所示。列车上有两组双极化天线对应接收来自两端的信号，即接收天线组A接收发射天线组C的信号，接收天线组B接收发射天线组D的信号。在每一组双极化天线的发射信号中，可以将信息分成两部分进行发送，如水平极化天线发送校验信息，垂直极化天线发送信息正文。接收机对A，B接收到的信号再进行最大比合并，获得分集增益。

在每一组双极化天线中，不同的天线发送不同的信息形成空分复用，可以有效复用带宽资源，提高数据传输率，提升频谱利用效率；两组不同天线间又可以获得一定的分集增益以对抗衰落，降低误码。虽然这种方式使用天线数较多，但是性能也将是最好的。

Claims (6)

1.一种应用于高速铁路的分布式天线架构，沿高速铁路设有一个以上的基站，其特征在于，以一个基站为中心，沿高速铁路等距离地对称地架设多个分布式天线，每个分布天线的有效覆盖范围半径等于或大于相邻两个分布式天线间的间距，各分布天线以光纤与所述的基站互联，所述的基站带有基带处理单元带，每根分布式天线带有一个远端射频单元，高速列车的天线与所述的分布式天线间进行通信。

2.根据权利要求1所述的分布式天线架构，其特征在于：所述的分布式天线为通用天线，所述的高速列车的天线为通用天线，所述的高速列车上的天线与该高速列车两端相邻的分布式天线之间采用空时编码或空频编码进行简单的两发一收分集通信。

3.根据权利要求1所述的分布式天线架构，其特征在于：所述的每个分布式天线为两个分别朝向铁轨两端的定向天线，所述的高速列车上设有分别朝向铁轨两端的定向天线，所述的高速列车上的两个定向天线分别接收来自该高速列车两端相邻的定向天线的信号。

4.根据权利要求1所述的分布式天线架构，其特征在于：所述的分布式天线为极化天线，各极化天线间隔分布，即一处为水平极化天线，相邻的两处则为垂直极化天线，所述的高速列车上设有两个接收极化天线，一个为水平极化天线，一个为垂直极化天线，高速列车上的接收机对接收到的两路信号进行最大比合并接收。

5.根据权利要求4所述的分布式天线架构，其特征在于：所述的基站传输到各天线间的信息进行编码直传。

6.根据权利要求1所述的分布式天线架构，其特征在于：所述的每个分布式天线为双极化天线，高速列车上设有两组双极化接收天线，采用双极化天线进行空分复用与分集通信。

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