CN105871448B - 一种高铁宽带专网高动态转换方法 - Google Patents
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Abstract
一种高铁宽带专网高动态转换方法，在高铁列车上设置高动态转换器(HIDI)，在高铁列车沿线地面LTE基站(eNode)覆盖范围内，高动态转换器为车地通信模式，在高铁列车沿线无地面LTE基站(eNode)覆盖环境下，高动态转换器为车星通信模式。使高铁列车在300～500km/h高动态运动环境下，综合利用LTE技术、卫星导航技术和卫星通信技术，为高铁车厢内用户和其他高速运动用户提供宽带移动通信、网络及多媒体服务。
Description
技术领域
本发明涉及高铁移动通信领域，尤其是涉及一种高铁宽带专网高动态转换方法。
背景技术
目前，我国运营高铁总里程已达2万公里，居世界首位，未来到2020年，运营里程数将达到14.5万公里以上。中国高铁是我国在全球竞争中的一张王牌，未来必将掀起一股中国高铁风暴。但是高铁列车运营速度可达到350km/h以上，利用现有的移动通信方式高铁车厢内的用户通信存在较多的问题，导致用户体验较差。先进的高铁动力技术与落后的高铁信息服务技术方面的巨大矛盾，成为制约高铁进一步发展和走出去的瓶颈。
究其原因，主要有以下几点：
(1)高铁用户在分布长达数百公里宽达数百米的奇异窄长地带，地形地貌复杂，传统的基站覆盖困难。
(2)高铁用户流量的特点是周期脉冲型，对传统的基站易造成干扰、拥塞甚至瘫痪。
(3)车体穿透损耗大：高铁列车采用全封闭车体结构，且部分车型采用金属镀膜玻璃，车体穿透损耗高达30dB@2.6GHz以上，会导致车厢内用户无线接收信号强度降低，甚至通信中断。
(4)频繁的小区切换：列车时速高，基站间距小，使得车厢内用户在非常短的时间内穿过多个小区，容易引起信令风暴，导致掉话。
(5)严重的多普勒效应：高铁车速很快，引起的多普勒频移更加明显，由此导致基站和终端的相干性能降低，直接影响网络性能。
基于上述原因，目前高铁用户在速度大于250km/h的情况下，通信体验很差，无法上网。
因此，急需提供一种信号接受及转换方法，使高铁列车在高速运行下具备较好的通信及网络功能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种高铁宽带专网高动态转换方法，即HIDT-LTE方法。使高铁列车在300～500km/h高动态运动环境下，综合利用LTE技术、卫星导航技术和卫星通信技术，为高铁车厢内用户和其他高速运动用户提供宽带移动通信、网络及多媒体服务。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高铁宽带专网高动态转换方法，在高铁列车上设置高动态转换器(HIDT)，在高铁列车沿线地面LTE基站(eNode)覆盖范围内，高动态转换器为车地通信模式，在高铁列车沿线无地面LTE基站(eNode)覆盖环境下，高动态转换器为车星通信模式。
高动态转换器为车地通信模式时，信号转换过程如下：
步骤1)：GNSS和惯导组合导航接收机实时接收GNSS发射的导航信号，进行定位解算，实时获得高铁列车上高动态转换器的位置信息，
步骤2)：控制单元利用高铁专网电子地图实时获得列车周边的地面LTE基站(eNode)的覆盖信息和铁轨位置信息，并根据高动态转换器的位置信息和地面LTE基站(eNode)的位置信息，实时调整微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)使其始终指向地面LTE基站(eNode)，
其中，微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)俯仰角α和方位角β分别由以下公式计算得到：
其中h为基站高度，d为基站距铁轨距离，L是高铁专网电子地图中给定的C点和由GNSS和惯导组合导航接收机测得D点位置之间的距离，
步骤3)：控制单元根据高动态转换器的工作频点、列车的速度信息和列车与地面LTE基站(eNode)的相对位置信息，实时计算得到列车的多普勒频移偏量，并驱动高动态转换器根据多普勒频移偏量修正列车的信号收发工作频率，多普勒频移偏量fd由以下公式计算得到：
其中：f为信号工作频率，v为高铁列车速度，c为光速，γ为列车运动方向与基站天线的夹角；
高动态转换器为车星通信模式时，信号转换过程如下：
步骤1)：GNSS和惯导组合导航接收机实时接收GNSS导航子系统的发射的导航信号，进行定位解算，实时获得高铁列车上高动态转换器的位置信息，
步骤2)：控制单元利用高铁专网电子地图实时获得列车周边可用的通信卫星信息及可用频点，实时调整微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)使其指向通信卫星。
其中，所述高动态转换器包括射频/中频转换模块(RICM)、混频单元、GNSS和惯导组合导航接收机、微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)、高铁专网电子地图和控制单元组成，其中射频/中频转换模块(RICM)包括根据所述多普勒频移偏量进行实时修正的中频数字控制振荡器(NCO)。
其中，所述高动态转换器采用高增益天线。
本发明的HIDT-LTE方法，在高铁列车车厢顶部安装高动态转换器，使得高动态转换器的微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)始终对准地面基站或通信卫星，通信链路呈可视模式(Line Of Sight，LOS)，由于高动态转换器采用高增益天线，避免了多种反射、折射波的多径干扰和各种阻挡阴影效应，增大了基站覆盖半径，提高了用户容量。
本发明的HIDT-LTE方法，利用LTE技术、卫星导航技术和卫星通信技术构建高铁宽带专网系统，利用高铁专网电子地图、GNSS(全球卫星导航系统)和惯导组合导航技术和高动态转换器控制平台及微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)解决了车厢穿透损耗、小区间频繁切换和多普勒效应严重等问题。
附图说明：
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，采用以下附图：
图1为本发明的高铁专网高动态转换方法示意图；
图2为本发明的高动态转换器结构示意图；
图3为本发明的高动态转换器的微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)指向示意图；
图4为本发明的高动态转换器的多普勒频移计算结果；
图5本发明的高动态转换器的天线控制及多普勒频偏修正示意图；
图6为高铁宽带专网采用车星通信方式的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的目的是提供一种高铁宽带专网高动态转换方法。如图1所示，本发明的方法是在高铁列车上设置高动态转换器(HIDT)，HIDT通过高铁专用电子地图获得列车周围的地面LTE基站(eNode)的覆盖信息。高铁专网HIDT-LTE系统存在两种工作模式，车地通信模式和车星通信模式。若列车周围存在地面LTE基站(eNode)覆盖，则将工作模式切换为车地通信模式；反之，如果列车周边不存在地面LTE基站(eNode)，则电子地图提供列车所在区域可用通信卫星的情况及可用通信频点信息，工作模式切换为车星通信模式。两种工作模式可以进行无缝切换。
高铁列车铁轨附近通常建有地面LTE基站(eNode)，在某些特殊情况下可能无法架设LTE基站或者存在地面LTE基站遭到损坏的情况。因此，HIDT系统主要以车地通信为主，以车星通信为辅的工作方式。
高铁专用核心网络通过高铁专网电子地图可实时获得列车的位置信息，及列车周边LTE基站的覆盖信息。高铁专网电子地图包含铁轨的位置信息和所有高铁专线各LTE基站的位置信息(基站经纬度、基站高度、基站与铁轨的垂直距离覆盖半径)。若列车处于地面LTE基站无法覆盖的区域，高铁专用核心网络控制系统切换为卫星通信模式。高铁专网电子地图包括在该地区可使用的卫星型号、卫星在地心地固坐标系下的精准位置信息。列车实时测量HIDT的位置和方位，精确计算切换的时间，并控制HIDT天线对准卫星。
如图2所示，所述位于车顶的高动态转换器包括射频/中频转换模块(RICM)、混频单元、GNSS和惯导组合导航接收机、微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)、高铁专网电子地图和控制单元。其中射频/中频转换模块(RICM)包括实时修正所述多普勒频移偏量的中频数字控制振荡器(NCO)，该模块的作用是在车星模式时将信号上/下变频为eNode/BBU所需的信号。混频单元的作用是在车星模式下，将信号上/下变频为卫星/BBU所需的信号。GNSS和惯导组合导航接收机的作用是在GNSS可用情况下利用GNSS卫星对高动态转换器进行定位，在GNSS卫星不可见情况下利用惯导为高动态转换器进行定位。高铁专网电子地图包含铁轨的位置信息、所有高铁专线各LTE基站的位置信息(基站经纬度、基站高度、基站与铁轨的垂直距离覆盖半径)、可使用的卫星型号和卫星在地心地固坐标系下的精准位置信息等。控制单元的作用是根据电子地图判断HIDT的工作模式为车地模式或车星模式，根据GNSS和惯导组合导航接收机的定位信息和电子地图信息进行MS-MIMO天线指向控制，使得MS-MIMO天线始终指向eNode或通信卫星，同时进行多普勒频偏测量，并将频偏信息发送至RICM的NCO单元进行频偏修正。MS-MIMO天线，在车地模式时采用2×2天线，在车星模式时采用单天线。位于车厢内部的基带处理单元(BBU)用于解调或调制为LTE或卫星通信所需的基带信号，车载服务器的作用是车厢内的用户管理和用户接入。
在高铁列车沿线存在地面LTE基站(eNode)覆盖的情况，高动态转换器工作在车地通信模式。高动态转换器车地通信的具体工作过程为：
(1)根据列车和地面LTE基站(eNode)的位置信息，高动态转换器利用GNSS和惯导组合导航接收机及控制单元利用所述的天线控制方法对MS-MIMO天线进行指向控制，使得MS-MIMO天线始终指向地面LTE基站(eNode)的波束。
MS-MIMO天线：MS-MIMO天线置于车厢顶部，增益高达15dB。与传统的蜂窝通信相比，避免了车体的穿透损耗30dB@2.6GHz，加上15dB天线增益，共增加约45dB的增益。因此，可使得传统LTE基站的覆盖范围由2Km扩大至20Km；同时，与基站同距离的用户可获得比传统用户高约20dB的信道容量。MS-MIMO天线利用电调方式精确指向(eNode)基站(如图3所示)。
GNSS和惯导组合导航接收机及控制单元：列车运行中利用GNSS和惯导组合导航接收机实时测得列车高动态转换器的位置和方向，计算天线与目标(基站或卫星)的矢量方向，并实时发送至MS-MIMO天线控制器；。
MS-MIMO天线指向控制方法：高铁列车时速可达350～500km/h，在高动态运动中MS-MIMO天线的方向瓣需精确指向基站天线方向瓣，见图3俯仰角方位角其中h，d是不变量。由于L是快速时变的L(t)，所以α和β也是快速时变的α(t)和β(t)。高铁专网电子地图中A、B和C点都是精确给定，所以由GNSS接收机测得D点位置，可实时结算得此时刻的α(ti)和β(ti)。由GNSS和惯导组合导航接收机得到的α(ti)和β(ti)。
(2)高动态转换器利用GNSS和惯导组合导航接收机实时进行多普勒频偏测量，并将测量结果发送至RICM中的NCO单元进行频偏修正，稳定LTE基带信号频率。
高铁列车高速运动将造成收发信号频率的多普勒频移，
其中：f为信号工作频率，v为高铁列车速度，c为光速，γ为列车运动方向与基站天线的夹角。图4显示了列车行进在基站对轨道垂足区域中的多普勒频移变化。
由于GNSS和惯导组合接收机精确测量了各时刻列车位置的多普勒频移值，驱动高动态转换器的RICM中的NCO单元修正该频率偏移，如图5所示。
在高铁列车周围无地面LTE基站(eNode)覆盖环境下，高动态转换器切换为车星通信模式。车星通信模式的具体工作过程如下：
(1)高动态转换器通过高铁专用电子地图得到目前区域可用的通信卫星信息，包括卫星位置、可用频点等信息。高动态转换器利用GNSS和惯导组合导航接收机实时获得列车的位置信息和方向。
(3)根据列车的位置信息和卫星的位置信息，控制单元计算MS-MIMO天线的俯仰和方位信息，实时调整MS-MIMO天线指向所用通信卫星。通信中心站接收通信卫星转发的通信信号，并利用地面专网将通信信息发送至核心网络。
实施例一
一段长度为T＝200km的铁路，覆盖LTE基站，由于HIDI-LTE支持的基站间距最大为R＝40km，所以该段铁路只需要N＝5个基站。基站高度h＝30m，基站距铁轨距离为d＝100m。如图3所示，列车以时速v＝400km/h行进，在时刻t1，C点与D点的距离L＝2km，假设信号工作频点为f＝3.5GHz。HIDT-LTE的通信方式为车地通信模式。
高铁宽带专网高动态转换步骤如下：
步骤1：HIDT-LTE利用GNSS和惯导组合导航接收机接收GNSS导航子系统发射的导航信号，进行定位获得列车当前时刻t1的位置信息，即D点的位置信息(X1,Y1,Z1)；
步骤2：HIDT-LTE利用高铁专用电子地图获得D点处基站B的位置信息(Xb,Yb,Zb)、基站高度h＝30m、基站距铁轨的距离d＝100m，C点的位置信息(Xc,Yc,Zc)；
步骤3：HIDT-LTE利用控制单元调整MS-MIMO天线使其指向LTE基站B的波束；
高铁列车时速v＝400km/h，C点与D点的距离L＝2km。天线控制器计算此时MS-MIMO天线的俯仰角方位角天线控制器按照计算结果对MS-MIMO天线进行调整，使其始终指向基站B的天线方向瓣。
然后，HIDT-LTE利用控制单元测量列车的多普勒频移，驱动HIDT的RICM中的NCO单元修正该频率偏移。
信号工作频率f＝3.5GHz，高铁列车速度v＝400km/h，光速c＝3×108m/s，列车运动方向与基站天线的夹角
利用GNSS和惯导组合接收机测量此时高铁列车高速运动将造成收发信号频率的多普勒频移。
将fd＝1.3kHz发送至RICM，驱动HIDT的RICM中的NCO单元修正该频率偏移。
实施例二
铁路长度及基站距离同实施例一。如图3所示，基站高度h＝30m，基站距铁轨距离为d＝100m，列车时速v＝300km/h，时刻t2，C点与D点的距离L＝5km，信号工作频点f＝2.5GHz。HIDT-LTE的通信方式为车地通信模式。
高铁宽带专网高动态转换步骤如下：
步骤1：HIDT-LTE利用GNSS和惯导组合导航接收机进行定位，获得t2时刻列车的位置信息，即D点的位置(X2,Y2,Z2)；
步骤2：HIDT-LTE利用高铁专用电子地图获得D点处基站B的位置信息(Xb,Yb,Zb)、基站高度h＝30m、基站距铁轨的距离d＝100m，基站与铁轨的垂足点C的位置信息(Xc,Yc,Zc)；
步骤3：HIDT-LTE利用控制单元调整MS-MIMO天线使其指向LTE基站B的波束；
计算此时MS-MIMO天线的俯仰角方位角控制单元根据计算结果对MS-MIMO天线的俯仰角和方位角进行调整，使其始终指向基站B的天线方向瓣。
然后，HIDT-LTE利用控制单元测量列车的多普勒频移，驱动HIDT的RICM中的NCO单元修正该频率偏移。
信号工作频率f＝3.5GHz，列车时速v＝300km/h，光速c＝3×108m/s，列车运动方向与基站天线的夹角
利用GNSS和惯导组合接收机测量此时高铁列车高速运动将造成收发信号频率的多普勒频移。
控制单元将测量得到的多普勒频偏值fd＝0.97kHz发送至RICM的NCO，驱动NCO修正该多普勒频偏。
实施例三
当列车运行到无地面LTE基站覆盖区域时，例如当前列车的位置信息为(40°N,116°E)；电子地图包含该区域的可用通信卫星及可用频点信息，如当前可用卫星为中星12号卫星(87.5°E)，该卫星为地球同步轨道卫星，可用频点信息为上行6GHz，下行4GHz，控制单元将HIDT的工作模式切换为车星通信模式，此时MS-MIMO天线采用单天线工作模式。在车星工作模式下，控制单元利用伺服平台控制天线实时对准中星12号卫星。
对于车厢内用户A向外网用户B发送信息的过程如下：车厢内的用户A通过HIDT以频点为f1＝6.2GHz的频率向中星12号卫星发送信号，通过卫星转发下行以f2＝4.2GHz的频点向通信中心站发送信息，通信中心站通过专用网络接入核心网，核心网将将信息发送至用户B。
外网用户B向车厢内用户A通信过程如下：用户B的通信信息首先发送至核心网，核心网通过专用网络再次将信息发送至通信中心站，通信中心站收到信息后，通信中心站向中星12号卫星以频点为f3＝6GHz发送通信信息，通信卫星向下以f4＝4GHz的频率向下发送信息，HIDT将接收到的信息发送至车厢内的用户A，完成外网用户B与车厢内用户A的通信。
在列车高速运行的情况下，由于采用GNSS和惯导组合导航接收机、电子地图和控制单元可实时进行MS-MIMO天线调整使得天线始终指向LTE基站波束，同时控制单元实时进行多普勒频偏测量和修正，克服了高速运行状况下的多普勒效应严重的问题。同时，由于HIDT置于车厢顶部，LTE基站通过高动态转换器HIDT与车厢内用户通信，避免了LTE基站与车厢内用户直接通信所存在的30dB穿透损耗的问题，信号质量得到明显提高。同时，置于车厢顶部的MS-MIMO天线采用15dB的高增益收发天线，使得与LTE基站与车厢内用户直接通信的方式另外存在15dB的信号增益。因此，本专利所述的HIDT-LTE方法与传统的LTE基站直接与车厢内用户通信的方式相比，存在约45dB的信号增益，其中利用25dB延长基站间距至40km，可以明显降低LTE基站的建设成本，同时还有约20dB的信号增益用于提高信号质量，因此采用HIDT-LTE的方法在列车高速运行情况下信号质量可以得到明显提高。同时，在地面LTE基站无法覆盖的情况下，采用卫星通信的方式解决高铁通信的问题，利用车地通信为主，车星通信为辅的方式构成了无缝覆盖的高铁通信系统。
Claims (3)
1.一种高铁宽带专网高动态转换方法，在高铁列车上设置高动态转换器(HIDI)，在高铁列车沿线地面LTE基站(eNode)覆盖范围内，高动态转换器为车地通信模式，在高铁列车沿线无地面LTE基站(eNode)覆盖环境下，高动态转换器为车星通信模式，其特征在于：
高动态转换器为车地通信模式时，信号转换过程如下：
步骤1)：GNSS和惯导组合导航接收机实时接收GNSS发射的导航信号，进行定位解算，实时获得高铁列车上高动态转换器的位置信息，
步骤2)：控制单元利用高铁专网电子地图实时获得列车周边的地面LTE基站(eNode)的覆盖信息和铁轨位置信息，并根据高动态转换器的位置信息和地面LTE基站(eNode)的位置信息，实时调整微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)使其始终指向地面LTE基站(eNode)，
其中，微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)俯仰角α和方位角β分别由以下公式计算得到：
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>tg</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
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</msup>
<mrow>
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<mrow>
<msup>
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<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
<mrow>
<mi>&beta;</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>tg</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mi>d</mi>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中h为基站高度，d为基站距铁轨距离，L是高铁专网电子地图中给定的C点和由GNSS和惯导组合导航接收机测得D点位置之间的距离，
步骤3)：控制单元根据高动态转换器的工作频点、列车的速度信息和列车与地面LTE基站(eNode)的相对位置信息，实时计算得到列车的多普勒频移偏量，并驱动高动态转换器根据多普勒频移偏量修正列车的信号收发工作频率，多普勒频移偏量fd由以下公式计算得到：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>f</mi>
<mi>c</mi>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mi>v</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&gamma;</mi>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中：f为信号工作频率，v为高铁列车速度，c为光速，γ为列车运动方向与基站天线的夹角；
高动态转换器为车星通信模式时，信号转换过程如下：
步骤1)：GNSS和惯导组合导航接收机实时接收GNSS导航子系统的发射的导航信号，进行定位解算，实时获得高铁列车上高动态转换器的位置信息，
步骤2)：控制单元利用高铁专网电子地图实时获得列车周边可用的通信卫星信息及可用频点，实时调整微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)使其指向通信卫星。
2.根据权利要求1所述的高铁宽带专网高动态转换方法，其特征在于，所述高动态转换器包括射频/中频转换模块(RICM)、混频单元、GNSS和惯导组合导航接收机、微波开关型多出多入天线(MS-MIMO)、高铁专网电子地图和控制单元组成，其中射频/中频转换模块(RICM)包括根据所述多普勒频移偏量进行实时修正的中频数字控制振荡器(NCO)。
3.根据权利要求1所述的高铁宽带专网高动态转换方法，其特征在于，所述高动态转换器采用高增益天线。
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