CN103747457A - 高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统，所述方法为在高速列车上设置接收器，基站在地面上沿所述列车的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

Description

高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统

技术领域

本发明涉及高速移动环境下的无线通信领域，具体涉及一种高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统。

背景技术

高速铁路的迅速发展给高铁移动通信带来了更大的需求和挑战，然而，现有的高铁移动通信系统GSM-R只能支持200kbps的比特率，只适合小数据量的信令信息传输，难以满足不断增长的大数据高铁移动业务的通信需求，因此需要面向高速铁路环境设计科学合理的宽带移动通信系统来满足人们未来的通信需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基站布置合理的无线高速列车通信方法及系统。

为达到上述目的，本发明高速列车环境下无线通信基站部署方法，所述高速列车上设有接收器，基站在地面上沿所述列车的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

进一步地，相邻所述基站的排布间距的方法具体包括步骤：

勘测列车的铁轨是否为直线，

若所述铁轨为直线，则基站采用第一排布方式间距排布在地面上；

若所述铁轨为曲线，则基站采用第二排布方式间距排布在地面上；

其中，所述第一排布方式具体为：

所述基站排布形成的连线与所述铁轨相平行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，得到如下方程等式：

${\∫}_0^{\frac{d_s}{2}}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}=\mathrm{\η}{\∫}_0^{\∞}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}.$

其中，d₀为所述基站与轨道的垂直距离；

γ为基站发射天线的信噪比；

v为列车的移动速度；

d_s为相邻所述基站的间距；

基于所述方程等式利用数值的解法确定相邻所述基站的间距；

所述第二排布方式具体为

建立x、y轴坐标系，所述铁轨处在坐标系的第一和第二象限内；

在所述铁轨上等间距选取若干参考点，并确定所述参考点在所述坐标系中的坐标位置；

基于所述参考点采用最小二乘法确定一条参考直线，所述直线方程为：y=ax+b,

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ b=\stackrel{\‾}{y}-a*\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

其中x_i为所述参考点在x轴上的坐标；

y_i为所述参考点在y轴上的坐标；

n为参考点的个数；

基于所述参考直线垂直平移距离d₀得到基站的排布直线，其中平移方程如下：

$y=\mathrm{ax}+b-d_0*\sqrt{1+a^2}.$

所述基站间距排布在所述排布直线上，并通过所述第一排布方式得到相邻所述基站的间距。

为达到上述目的，本发明高速列车环境下无线通信基站部署方法，所述系统包括设置在高速列车上的接收器和若干基站，所述基站设置在地面上，沿所述列车的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

进一步地，所述系统中相邻基站排布间距由所述铁轨的形状确定，其中

若所述铁轨为直线，则基站采用第一排布方式间距排布在地面上；

若所述铁轨为曲线，则基站采用第二排布方式间距排布在地面上；

其中，所述第一排布方式具体为：

所述基站排布形成的连线与所述铁轨相平行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，得到如下方程等式：

${\∫}_0^{\frac{d_s}{2}}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}=\mathrm{\η}{\∫}_0^{\∞}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}.$

其中，d₀为所述基站与轨道的垂直距离；

γ为基站发射天线的信噪比；

v为列车的移动速度；

d_s为相邻所述基站的间距；

基于所述方程等式利用数值的解法确定相邻所述基站的间距；

所述第二排布方式具体为

建立x、y轴坐标系，所述铁轨处在坐标系的第一和第二象限内；

在所述铁轨上等间距选取若干参考点，并确定所述参考点在所述坐标系中的坐标位置；

基于所述参考点采用最小二乘法确定一条参考直线，所述直线方程为：y=ax+b,

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ b=\stackrel{\‾}{y}-a*\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

其中x_i为所述参考点在x轴上的坐标；

y_i为所述参考点在y轴上的坐标；

n为参考点的个数；

基于所述参考直线垂直平移距离d₀得到基站的排布直线，其中平移方程如下：

$y=\mathrm{ax}+b-d_0*\sqrt{1+a^2}.$

所述基站间距排布在所述排布直线上，并通过所述第一排布方式得到相邻所述基站的间距。

本发明高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统，考虑到高铁环境下信号在传输的传播损耗，尤其是信号穿过车体时的损耗，本发明采用两跳的网络结构，即在车厢内设置一个接收器，该接收器与车厢外的天线相连。车厢内的用户只和车厢内的接收器进行通信。由接收器从车厢外天线收集到的来自地面基站的信息发送给用户，也由接收器收集到的用户信息利用车厢外天线发送给地面基站。为了描述基站向高速列车提供的服务，本发明定义服务量为瞬时信道容量对时间的积分。在此基础上，利用所定义的服务量分析基站的部署问题。

本发明高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统，所述基站的排布使得可以充分地利用基站的传输能力，使基站在其覆盖范围内始终向列车提供其最好的传输速率，另外，本发明中基站间距与列车的速度没有关系，间距可以不受列车的速度限制。

附图说明

图1是本发明高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统的直线铁轨的基站布置示意图；

图2是本发明高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统的曲线型铁轨的基站布置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1所示，本实施例高速列车环境下无线通信基站部署方法，所述高速列车上设有接收器，基站A在地面上沿所述列车B的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

本实施例中，所述铁轨为直线铁轨，基站采用第一排布方式间距排布

在地面上，其中所述第一排布方式具体为：

所述基站排布形成的连线与所述铁轨相平行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，得到如下方程等式：

${\∫}_0^{\frac{d_s}{2}}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}=\mathrm{\η}{\∫}_0^{\∞}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}.$

其中，d₀为所述基站与轨道的垂直距离；

γ为基站发射天线的信噪比；

v为列车的移动速度；

d_s为相邻所述基站的间距；

基于所述方程等式利用数值的解法确定相邻所述基站的间距。

实施例2

如图2所示，本实施例高速列车环境下无线通信基站部署方法，所述高速列车上设有接收器，基站在地面上沿所述列车的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

本实施例中，所述铁轨为曲线铁轨，所述基站采用第二排布方式进行排布，其中，所述第二排布方式具体为

建立x、y轴坐标系，所述铁轨处在坐标系的第一和第二象限内；

在所述铁轨上等间距选取若干参考点，并确定所述参考点在所述坐标系中的坐标位置；

基于所述参考点采用最小二乘法确定一条参考直线，所述直线方程为：y=ax+b,

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ b=\stackrel{\‾}{y}-a*\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

其中x_i为所述参考点在x轴上的坐标；

y_i为所述参考点在y轴上的坐标；

n为参考点的个数；

基于所述参考直线垂直平移距离d₀得到基站的排布直线，其中平移方程如下：

$y=\mathrm{ax}+b-d_0*\sqrt{1+a^2}.$

所述基站间距排布在所述排布直线上，并通过实施例1中所述第一排布方式得到相邻所述基站的间距。

下面的表格给出了一组数值解，如表1所示。

表1基站发送端信噪比为30dB，基站距轨道的垂直距离为100m，衰减因子为3，不同车速及不同服务比例情况下的基站间距

本发明高速列车环境下无线通信基站部署系统，所述系统包括设置在高速列车上的接收器和若干基站，所述基站设置在地面上，沿所述列车的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

进一步地，所述系统中相邻基站排布间距由所述铁轨的形状确定，其中

若所述铁轨为直线，则基站采用第一排布方式间距排布在地面上；

若所述铁轨为曲线，则基站采用第二排布方式间距排布在地面上；

其中，所述第一排布方式具体为：

所述基站排布形成的连线与所述铁轨相平行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，得到如下方程等式：

${\∫}_0^{\frac{d_s}{2}}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}=\mathrm{\η}{\∫}_0^{\∞}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}.$

其中，d₀为所述基站与轨道的垂直距离；

γ为基站发射天线的信噪比；

v为列车的移动速度；

d_s为相邻所述基站的间距；

基于所述方程等式利用数值的解法确定相邻所述基站的间距；

所述第二排布方式具体为

建立x、y轴坐标系，所述铁轨处在坐标系的第一和第二象限内；

在所述铁轨上等间距选取若干参考点，并确定所述参考点在所述坐标系中的坐标位置；

基于所述参考点采用最小二乘法确定一条参考直线，所述直线方程为：y=ax+b,

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ b=\stackrel{\‾}{y}-a*\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

其中x_i为所述参考点在x轴上的坐标；

y_i为所述参考点在y轴上的坐标；

n为参考点的个数；

基于所述参考直线垂直平移距离d₀得到基站的排布直线，其中平移方程如下：

$y=\mathrm{ax}+b-d_0*\sqrt{1+a^2}.$

所述基站间距排布在所述排布直线上，并通过所述第一排布方式得到相邻所述基站的间距。

本发明高速列车环境下无线通信基站部署方法及系统，考虑到高铁环境下信号在传输的传播损耗，尤其是信号穿过车体时的损耗，本发明采用两跳的网络结构，即在车厢内设置一个接收器，该接收器与车厢外的天线相连。车厢内的用户只和车厢内的接收器进行通信。由接收器从车厢外天线收集到的来自地面基站的信息发送给用户，也由接收器收集到的用户信息利用车厢外天线发送给地面基站。为了描述基站向高速列车提供的服务，本发明定义服务量为瞬时信道容量对时间的积分。在此基础上，利用所定义的服务量分析基站的部署问题。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高速列车环境下无线通信基站部署方法，其特征在于：所述高速列车上设有接收器，基站在地面上沿所述列车的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

2.根据权利要求1所述的高速列车环境下无线通信基站部署方法，其特征在于：相邻所述基站的排布间距的方法具体包括步骤：

勘测列车的铁轨是否为直线，

若所述铁轨为直线，则基站采用第一排布方式间距排布在地面上；

若所述铁轨为曲线，则基站采用第二排布方式间距排布在地面上；

其中，所述第一排布方式具体为：

所述基站排布形成的连线与所述铁轨相平行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，得到如下方程等式：

${\∫}_0^{\frac{d_s}{2}}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}=\mathrm{\η}{\∫}_0^{\∞}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}.$

其中，d₀为所述基站与轨道的垂直距离；

γ为基站发射天线的信噪比；

v为列车的移动速度；

d_s为相邻所述基站的间距；

基于所述方程等式利用数值的解法确定相邻所述基站的间距；

所述第二排布方式具体为

建立x、y轴坐标系，所述铁轨处在坐标系的第一和第二象限内；

在所述铁轨上等间距选取若干参考点，并确定所述参考点在所述坐标系中的坐标位置；

基于所述参考点采用最小二乘法确定一条参考直线，所述直线方程为：y=ax+b,

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ b=\stackrel{\‾}{y}-a*\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

其中x_i为所述参考点在x轴上的坐标；

y_i为所述参考点在y轴上的坐标；

n为参考点的个数；

基于所述参考直线垂直平移距离d₀得到基站的排布直线，其中平移方程如下：

$y=\mathrm{ax}+b-d_0*\sqrt{1+a^2}.$

所述基站间距排布在所述排布直线上，并通过所述第一排布方式得到相邻所述基站的间距。

3.一种高速列车环境下无线通信基站部署系统，其特征在于：所述系统包括设置在高速列车上的接收器和若干基站，所述基站设置在地面上，沿所述列车的铁轨间距排布；上行通信链路：用户终端发送信号先到达接收器，接收器将由用户终端接收的信号发送至基站；下行通信链路：基站发送信号至接收器，所述接收器将由所述基站接收的信号发送至用户终端；所述列车在所述铁轨上匀速运行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，确定相邻所述基站的间距，其中所述服务量为瞬时信道容量对时间的积分。

4.根据权利要求3述的高速列车环境下无线通信基站部署系统，其特征在于：所述系统中相邻基站排布间距由所述铁轨的形状确定，其中

若所述铁轨为直线，则基站采用第一排布方式间距排布在地面上；

若所述铁轨为曲线，则基站采用第二排布方式间距排布在地面上；

其中，所述第一排布方式具体为：

所述基站排布形成的连线与所述铁轨相平行，基于所述列车需要服务量与所述基站最大服务量的比值η为恒定值，得到如下方程等式：

${\∫}_0^{\frac{d_s}{2}}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}=\mathrm{\η}{\∫}_0^{\∞}\log (1+\frac{\mathrm{\γ}}{{(d_0^2+x^2)}^{\frac{\mathrm{\α}}{2}}})\mathrm{dx}.$

其中，d₀为所述基站与轨道的垂直距离；

γ为基站发射天线的信噪比；

v为列车的移动速度；

d_s为相邻所述基站的间距；

基于所述方程等式利用数值的解法确定相邻所述基站的间距；

所述第二排布方式具体为

建立x、y轴坐标系，所述铁轨处在坐标系的第一和第二象限内；

在所述铁轨上等间距选取若干参考点，并确定所述参考点在所述坐标系中的坐标位置；

基于所述参考点采用最小二乘法确定一条参考直线，所述直线方程为：y=ax+b,

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ b=\stackrel{\‾}{y}-a*\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

其中x_i为所述参考点在x轴上的坐标；

y_i为所述参考点在y轴上的坐标；

n为参考点的个数；

基于所述参考直线垂直平移距离d₀得到基站的排布直线，其中平移方程如下：

$y=\mathrm{ax}+b-d_0*\sqrt{1+a^2}.$

所述基站间距排布在所述排布直线上，并通过所述第一排布方式得到相邻所述基站的间距。

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