CN106888467A - 一种基于毫米波的高铁wifi系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于毫米波的高铁WIFI系统，能够提高通信传输速率和传输质量。所述系统包括：移动终端，接入热点，车载光纤交换机，车载信号收发设备，基站，基站控制中心，核心网；车载光纤交换机，用于将所述接入热点通过线缆传输的数据包汇总并通过光纤传输给所述车载信号收发设备；或，还用于将从所述车载信号收发设备中接受到的数据包发送给移动终端。车载信号收发设备，用于将所述车载光纤交换机发送的输入信号进行编码、调制、组帧、滤波，并将滤波后的信号传输至所述基站。或，还用于将所述基站发送的射频信号同步、均衡、解调、译码，并将译码后的信号通过光纤传输给车载光纤交换机。本发明适用于无线通信技术领域。

Description

一种基于毫米波的高铁WIFI系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于毫米波的高铁WIFI系统。

背景技术

WIFI技术是使各种便携式通信设备不再使用通信线缆实现无线网络接入的主要方式。通过无线方式连接，使网络的构建和终端的移动更加灵活。目前WIFI信号在室内静态环境下实现全覆盖的技术已经十分纯熟，如何在高速移动的交通工具中布置无线网络并提供安全可靠的业务服务和具有较高数据传输速度是未来WIFI技术发展的方向。

我国高铁技术发展迅速，选择乘坐高铁出行的人数逐渐增大。在高铁列车车厢上提供WIFI服务，能够满足互联网时代移动用户对于信息交互的基本需求，提高高铁服务的品质，进一步提升我国高铁技术在全球的竞争力。目前高铁上的WIFI接入技术手段是通过车载WIFI设备，将沿线的3G信号或4G信号转换为WIFI信号供乘客使用。但高铁铁路沿线比较荒凉，运营商的覆盖密度比较小，而且车载设备需要不断将收到三个运营商的信号进行转换，必会造成信号的不稳定。并且列车在高速的行驶中，信号衰减会十分严重。

毫米波通信具有高速率、短距离、超宽带的特性，越来越受到学术界和工业界的重视。60GHz频段及其附近拥有丰富的频谱资源，带宽最高可以达到9GHz,即使采用低阶调制方式，通信速率也可以达到数Gbps。由于波束窄，因此抗干扰能力比较强，并且60GHz无线通信系统的元器件尺寸与微波的元器件相比要小很多，对发射功率的要求也很低。在IEEE802.11.ad标准中，支持最高传输速率为7Gbps，同时支持设在60GHz、5GHz及2.4GHz频段进行切换，满足高铁WIFI的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于毫米波的高铁WIFI系统，以解决现有技术存在的传输速率低，信号不稳定，安全性能差的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种高铁WIFI系统，包括：移动终端，接入热点，车载光纤交换机，车载信号收发设备，基站，基站控制中心，核心网。其中，所述移动终端依次通过所述接入热点、车载光纤交换机、车载信号收发设备、基站、基站控制中心与所述核心网进行通信连接，所述车载光纤交换机与车载信号收发设备通过光纤连接。

所述车载光纤交换机，用于将所述接入热点通过线缆传输的数据包汇总并通过光纤传输给所述车载信号收发设备；或，还用于将从所述车载信号收发设备中接受到的数据包发送给移动终端。

所述车载信号收发设备，用于将所述车载光纤交换机发送的输入信号进行编码、调制、组帧、滤波，并将滤波后的信号传输至所述基站。其中所述车载信号收发设备向所述基站无线发送的射频信号为毫米波信号，频段为60GHz；或，还用于将所述基站发送的射频信号同步、均衡、解调、译码，并将译码后的信号通过光纤传输给车载光纤交换机。

所述核心网，用于获取铁路数据，并将获取的所述铁路数据发送至与所述核心网相连的基站控制中心。

进一步地，每节车厢布置一个所述车载光纤交换机，车头和车尾分别布置一个所述车载信号收发设备，前三节车厢的所述车载光纤交换机通过光纤连接至车头所述车载信号收发设备，后三节车厢的所述车载光纤交换机通过光纤连接至车尾所述车载信号收发设备。

进一步地，所述车载信号收发设备在进行编码和调制时，编码采用格雷编码，调制方式采用QPSK调制。

进一步地，所述格雷编码是由格雷序列组成，格雷序列的递推公式为：

其中由δ(n)可以求得A₀(n)，B₀(n)，进而可以求得Ga₆₄、Ga₁₂₈，格雷序列Ga₆₄、Ga₁₂₈的系数如下：

Ga₆₄(n)＝A₆(64-n),Gb₆₄(n)＝B₆(64-n)，n＝1,2,...,64

其中n表示序列的第n位数据，对应的W_k＝[+1 +1 -1 -1 +1 -1]和D_k＝[2 1 4 816 32]，其中W_k、D_k均为伪随机序列。

Ga₁₂₈(n)＝A₇(128-n),Gb₁₂₈(n)＝B₇(128-n)，n＝1,2,...,128

其中n表示序列的第n位数据，对应的W_k＝[-1 -1 -1 -1 +1 -1 -1]和D_k＝[1 8 24 16 32 64]，其中W_k、D_k均为伪随机序列，下标K为递推下标，无实际意义。

进一步地，所述基站和铁轨之间的距离为3米，所述基站与基站之间的间隔距离为750米。

进一步地，铁路沿线沿着所述基站覆盖区域的分布按照2个小区为一组的间隔进行频率复用，所述基站覆盖半径为500米，小区重叠区域距离为250米。

进一步地，所述基站采用天线水平波束宽度为90o的天线，采用分集技术为极化分集，所述天线阵面采用相控阵。

进一步地，所述车载信号收发设备与所述基站采用频分双工的方式进行通信。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过采用毫米波的方式进行车载收发信号设备与基站之间的通信，能够有效解决覆盖区域小，信号不稳定，传输速度低的问题；基站天线采用相控阵的方式，具有抗干扰性能好，数据率高的特点；车厢内采用车载光纤交换机能够满足高铁密集用户对通信质量和传输速率的要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高铁WIFI系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高铁车厢交换机连接示意图；

图3为本发明实施例提供的高铁车外基站覆盖及车外接入网示意图；

图4为本发明实施例提供的高铁车载信号收发设备与基站调制解调过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明针对现有的传输速率低、覆盖区域小、信号不稳定、安全性能差的问题，提供一种基于毫米波的高铁WIFI系统。

本发明实施例中，为了更好地理解发明，先对相控阵天线和60GHz无线通信进行简要说明。

相控阵天线是指通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在快速跟踪雷达、测相等领域得到广泛的应用，它可以使主瓣指向随着通信的需要而不断地灵活调整，实现无惯性快速扫描，数据率高，并且对复杂目标环境的适应能力强，抗干扰性能好。

我国高铁通常载客量为500至1000名乘客，为这个数量的乘客提供宽带无线接入所需的数据传输速率至少在1Gbps以上，特别是在5G时代来临之际，用户对于传输速度有了更高的要求。60GHz频段及其附近拥有丰富的频谱资源，首先相比于低频段，它拥有丰富的连续可利用、免许可的宽带，带宽最大可以达到9GHz；其次，60GHz信号能量集中于4.7o的波束内，抗干扰能力强；最后60GHz无线通信系统的元器件尺寸与微波的元器件相比要小很多，为60GHz通信技术运用在小尺寸设备上提供了器件集成的可能，同时60GHz无线通信具有地发射功率的特性。综上，可以将60GHz无线通信应用于高铁通信，能够满足高铁用户的需求。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于毫米波的高铁WIFI系统，包括：移动终端1、接入热点2、车载光纤交换机3、车载信号收发设备4、基站5、基站控制中心6、核心网7。其中，所述移动终端1依次通过所述接入热点2、车载光纤交换机3、车载信号收发设备4、基站5、基站控制中心6与所述核心网7进行通信连接，所述基站5，基站控制中心6通过光纤与所述核心网7进行通信连接；

所述车载光纤交换机3，用于将所述接入热点2通过线缆传输的数据包汇总并通过光纤传输给所述车载信号收发设备4；或，还用于将从所述车载信号收发设备4中接受到的数据包发送给移动终端。

所述车载信号收发设备4，用于将所述车载光纤交换机3发送的信号进行编码、调制、组帧、滤波，并将滤波后的信号传输至所述基站5，其中所述车载信号收发设备4向所述基站5无线发送的射频信号为毫米波信号，频段为60GHz；或，还用于将所述基站5发送的射频信号同步、均衡、解调、译码，并将译码后的信号通过光纤传输给车载光纤交换机3。

本发明实施例中，通过光纤在车厢内传输信号，通过毫米波建立车载信号收发设备4和基站5通信，通过光纤作为基站5、基站控制中心6和核心网7的传输链路，具有传输速率高、传输损耗低、抗干扰能力强的特点，能够满足高铁密集用户对通信传输速率和传输质量的要求。

本发明实施例中，接入热点2和车载光纤交换机3在每个车厢布置一个，移动终端1通过连接接入热点2实现WIFI连接，车载光纤交换机3将接入热点2接受到的数据通过光纤传输给车载信号收发设备4。前三节车厢移动终端的数据传输给车头的车载信号收发设备4，后三节车厢移动终端的数据传输给车尾的车载信号收发设备4。具有分散用户数据量，降低对于带宽要求的特点。

本发明实施例中，车载信号收发设备4位于高铁的车头或车尾，将车载光纤交换机3传输的数据进行格雷编码，利用格雷序列很强的自相关性和匹配增益，用于解调过程的基于数据辅助的载波同步；接着进行QPSK调制，具有调制效率高、频带利用率高的特点；组帧、成形滤波然后将信号发送给基站。

在前述高铁WIFI系统的具体实施方式中，进一步地，在车载信号收发设备4进行编码调制时，采用的编码为格雷码，采用调制方式为QPSK调制。

本发明实施例中，在车载信号收发设备4进行调制时，采用的编码为格雷码，以保证码与码之间的相关性和匹配增益，用于解调过程中基于数据辅助的载波同步，消除载波频偏，抑制相位噪声。

在前述高铁WIFI系统的具体实施方式中，进一步地，所述格雷编码是由格雷序列组成，格雷序列的递推公式为：

其中由δ(n)可以求得A₀(n)，B₀(n)，进而可以求得Ga₆₄、Ga₁₂₈，格雷序列Ga₆₄、Ga₁₂₈的系数如下：

Ga₆₄(n)＝A₆(64-n),Gb₆₄(n)＝B₆(64-n)，n＝1,2,...,64

其中n表示序列的第n位数据，对应的W_k＝[+1 +1 -1 -1 +1 -1]和D_k＝[2 1 4 816 32]，其中W_k、D_k均为伪随机序列。

Ga₁₂₈(n)＝A₇(128-n),Gb₁₂₈(n)＝B₇(128-n)，n＝1,2,...,128

其中n表示序列的第n位数据，对应的W_k＝[-1 -1 -1 -1 +1 -1 -1]和D_k＝[1 8 24 16 32 64]，其中W_k、D_k均为伪随机序列。

本发明实施例中，基站5、基站控制中心6、核心网7组成车外接入网。基站天线采用相控阵，具有抗干扰能力强，扫描灵活的特点。相控阵用于接收车载信号收发设备4发来的毫米波信号并将信号送至基站5内部进行解调。进一步地，基站与基站之间的距离为750米，基站与铁轨之间的距离为3米，小区覆盖面积为500米，重叠区域为250米。

本发明实施例中，上行链路指信号从移动终端1发出向所述接入热点2、车载光纤交换机3、车载信号收发设备4、基站5、基站控制中心6、核心网7方向传输，下行链路指信号由所述核心网7、基站控制中心6、基站5、车载信号收发设备4、车载光纤交换机3、接入热点2传输至移动终端1。

在前述高铁通信系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：基站控制中心，基站控制中心负责控制若干个基站，负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理，同时与核心网进行通信连接。

在前述高铁通信系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：核心网，每个核心网与若干个基站控制中心进行通信连接，所述核心网，用于获取铁路数据，并将获取的所述铁路数据发送至于所述核心网相连的基站控制中心。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润湿，这些改进和润湿也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于毫米波的高铁WIFI系统，其特征在于，包括：移动终端、接入热点、车载光纤交换机、车载信号收发设备、基站、基站控制中心和核心网；其中，所述移动终端依次通过所述接入热点、车载光纤交换机、车载信号收发设备、基站、基站控制中心与所述核心网进行通信连接，所述车载光纤交换机与车载信号收发设备通过光纤连接；

所述车载光纤交换机，用于将所述接入热点通过线缆传输的数据包汇总并通过光纤传输给所述车载信号收发设备；或，还用于将从所述车载信号收发设备中接受到的数据包发送给移动终端；

所述车载信号收发设备，用于将所述车载光纤交换机发送的输入信号进行编码、调制、组帧、滤波，并将滤波后的信号传输至所述基站；其中所述车载信号收发设备向所述基站无线发送的射频信号为毫米波信号，频段为60GHz；或，还用于将所述基站发送的射频信号同步、均衡、解调、译码，并将译码后的信号通过光纤传输给车载光纤交换机；

所述核心网，用于获取铁路数据，并将获取的所述铁路数据发送至与所述核心网相连的基站控制中心。

2.根据权利要求1所述的高铁WIFI系统，其特征在于，在高铁列车中：每节车厢布置一个所述车载光纤交换机，车头和车尾分别布置一个所述车载信号收发设备，前三节车厢的所述车载光纤交换机通过光纤连接至车头所述车载信号收发设备，后三节车厢的所述车载光纤交换机通过光纤连接至车尾所述车载信号收发设备。

3.根据权利要求2所述的高铁WIFI系统，其特征在于，所述车载信号收发设备在进行编码和调制时，编码采用格雷编码，调制方式采用QPSK调制。

4.根据权利要求3所述的高铁WIFI系统，其特征在于，所述格雷编码是由格雷序列组成，格雷序列的递推公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_0\left(n\right)=\mathrm{\δ}\left(n\right)\\ B_0\left(n\right)=\mathrm{\δ}\left(n\right)\\ A_k\left(n\right)=W_k{A}_{k-1}\left(n\right)+B_{k-1}(n-D_k)\\ B_k\left(n\right)=W_k{A}_{k-1}\left(n\right)-B_{k-1}(n-D_k)\\ G{a}_{64}\left(n\right)=A_6(64-n)\\ G{b}_{64}\left(n\right)=B_6(64-n)\\ G{a}_{128}\left(n\right)=A_7(128-n)\\ G{b}_{128}\left(n\right)=B_7(128-n)\\ G{u}_{512}=\[-G{b}_{128},-G{a}_{128},G{b}_{128},-G{a}_{128}\]\\ G{v}_{512}=\[-G{b}_{128},G{a}_{128},-G{b}_{128},-G{a}_{128}\]\end{array}\right.$

其中，格雷序列Ga₆₄、Ga₁₂₈的系数如下：

Ga₆₄(n)＝A₆(64-n),Gb₆₄(n)＝B₆(64-n)

n表示序列的第n位数据，对应的W_k＝[+1 +1 -1 -1 +1 -1]和D_k＝[2 1 4 8 16 32]Ga₁₂₈(n)＝A₇(128-n),Gb₁₂₈(n)＝B₇(128-n)

对应的W_k＝[-1 -1 -1 -1 +1 -1 -1]和D_k＝[1 8 2 4 16 32 64]。

5.根据权利要求4所述的高铁WIFI系统，其特征在于，所述基站和铁轨之间的距离为3米，所述基站与基站之间的间隔距离为750米。

6.根据权利要求5所述的高铁WIFI系统，其特征在于，铁路沿线沿着所述基站覆盖区域的分布按照2个小区为一组的间隔进行频率复用，所述基站覆盖半径为500米，小区重叠区域距离为250米。

7.根据权利要求6所述的高铁WIFI系统，其特征在于，所述基站采用天线水平波束宽度为90°的天线，采用分集技术为极化分集，所述天线阵面采用相控阵。

8.根据权利要求7所述的高铁WIFI系统，其特征在于，所述车载信号收发设备与所述基站采用频分双工的方式进行通信。