CN106899984B - 一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统，包括车载基站，车内天线，车外相控阵天线以及地面基站。车载基站通过车内天线与车内用户通信，通过车外相控阵天线与地面基站无线连接。车外相控阵天线每个阵子的相位可调，可形成始终指向地面基站的主瓣波束。通过调节天线阵子的相位，使相控阵的主瓣波束总是指向车外的地面基站，确保车载基站接收到的信号强度较好，提高列车上用户的通话质量。

Description

一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统

技术领域

本发明涉及移动通信系统，特别涉及一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统。

背景技术

随着信息技术的发展，人们的生活工作无时无刻需要使用到移动电话。因此在高速行进的列车上，同样需要高质量的信号覆盖。但实际上，因为多种因素的干扰，高铁上的信号覆盖一直存在问题，比如多普勒频移、多径干扰、列车车厢的屏蔽，复杂的地形以及越区切换等等。种种因素都会导致列车内信号强度不够或者信号不稳定的现象，直接的结果就是通信质量差，降低用户的使用体验。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是提供一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统，可以通过改变车载基站相控阵天线的相位偏移，快速改变天线阵的主瓣波束指向，提高天线增益，保证接收信号的强度。此外车载基站还可以解决车厢信号屏蔽的问题，并使多普勒频移问题由处理能力较强的基站侧处理。使用这种通信系统，可提高高速列车上的通信质量，并且还能降低对车外用户的电磁干扰，改善用户体验。

本发明所提出的一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统，包括车载基站，车内天线和车外相控阵天线，以及车外的地面基站；所述车载基站包括位置存储模块，用来存储车载基站与高速铁路沿线地面基站的相对位置信息；速度位置获取模块，实时获取车载基站的位置信息；

所述天线系统包括车内天线和车外的相控阵天线，车内天线和车外的相控阵天线分别通过线缆与车载基站相连；所述车内天线分布在每一节车厢内，负责车载基站与车内用户之间的通信；所述相控阵天线的每个阵元的初始相位偏移通过粒子群算法预先仿真得出，其初始的方向图主瓣朝向相控阵天线的法线方向；相控阵天线负责车载基站与地面基站之间的无线通信；

所述车载基站通过车内天线与移动用户无线连接，通过车外的相控阵天线与地面基站进行无线连接；

所述车载基站控制调整相控阵天线的相位偏移，从而控制相控阵天线的主瓣指向；通过速度位置获取模块获取的位置信息，查询位置存储模块，获取车载基站与地面基站的相对位置信息，通过车载基站与地面基站的相对位置，结合傅里叶变换法快速实现主瓣朝向的改变。

所述车内天线分布在各个车厢内部，负责车载基站与乘车用户的无线连接；所述车外相控阵天线负责车载基站与地面基站之间的无线通信；所述地面基站为铁路沿线安装的无线基站。

所述相控阵天线的初始相位是由粒子群算法仿真得到，其主瓣指向相控阵天线的法线方向，需要改变主瓣指向时，只需要分别调整每一个阵元的相位即可。

所述车载基站可以根据列车的行驶速度及实时位置，查询存储模块中地面站的位置，计算出车外相控阵天线与地面站之间的角度，通过计算得到的角度信息，调节相控阵天线阵元的相位偏移。

所述车载基站还包括角度计算模块、信号处理模块；速度位置获取模块、位置存储模块分别与角度计算模块连接，角度计算模块与信号处理模块连接；车内天线、相控阵天线分别通过A/D或D/A转换模块与信号处理模块连接；

车内天线通过数模转换模块将射频信号转换为数字基带信号，送到数字信号处理模块，速度位置获取模块获取车载基站的当前位置，位置存储模块存储列车沿线的地面基站的地理位置，角度计算模块根据车载基站的当前位置，在位置存储模块中查表获取当前距离最近的地面基站的位置信息，再根据车载基站和最近的地面基站位置信息，计算出两者之间的角度信息，并将计算得出的角度信息送到信号处理模块，信号处理模块通过计算得到的角度信息，调节相控阵天线阵元的相位偏移，使相控阵天线的主瓣总是指向地面基站。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明所述车载基站上下行使用不同的天线，所述车外相控阵天线与地面基站实现定向通信，每个阵子的相位可调，使相控阵天线的主瓣总是指向地面基站，确保所述车载基站接收到的所述地面站的无线信号质量强度较好，从而改善列车内部的通信质量。同时相控阵天线可以增加天线的增益，可大大较少对其他用户的电磁干扰。此外车内天线负责车载基站与车内用户的无线连接，上下行分别使用不同的天线，可解决列车车厢信号屏蔽的问题。因此本发明可极大提高用户的通话质量，改善客户体验。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明各组成部分示意图。

图3为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够理解并实践他们。

如图1所示，用于高速铁路的车载基站移动通信系统包括列车内部安装的车载基站，车内分布的天线，车外的相控阵天线101，以及铁轨沿线分布的地面基站102。车载基站通过相应的线缆与车内和车外的天线相连。

车载基站移动通信系统的工作原理为：在上行链路，车载基站103利用分布在各个车厢内部的天线104接收车内用户105的信号，经过处理再通过车外的相控阵天线101发射出去。相控阵天线101与车外的地面基站102实现定向通信，地面基站102接收到信号之后再根据需要将其转发或回传。在下行链路，地面基站102将需要的信息发送出去，车外相控阵天线101进行定向接收，接收到信号之后，车载基站103再通过车内的天线104再发送给车内的用户105。由此可实现车内用户105与地面基站102之间的通信，实现列车内部的信号覆盖。可参见图2所示。

如图3所示，车内天线S01通过数模转换模块S02，将射频信号转换为数字基带信号，送到数字信号处理模块S03。速度位置获取模块S11获取车载基站的当前位置，位置存储模块S12存储列车沿线的地面基站的地理位置，角度计算模块S13根据车载基站的当前位置，在S12中查表获取当前距离最近的地面基站的位置信息，再根据车载基站和最近的地面基站位置信息，计算出两者之间的角度信息，并将计算得出的角度送到信号处理模块S03，用于波束赋形控制。

相控阵天线101的实现方式并不局限于数字基带模式，也可以在中频或者射频实现相位的调整。这里以数字基带部分实现相位调整为例进行说明。那么需要改变相控阵波束的指向时，只需要在基带的数字处理部分乘上一个复数因子即可。该复数因子与相控阵天线101内部天线阵元的具体排布方式及阵列参数有关。而阵元的排布方式及阵列参数又直接决定了阵列的导向矢量，因此该复数因子就是根据导向矢量确定的。这里我们以均匀线性阵为例进行说明，阵元数为N，阵元间距为为d，电磁波波长为λ，阵列导向矢量

这里θ为入射波与相控阵天线法线方向夹角。使相控阵线线的初始方向图主瓣指向线阵的法线方向，即θ为90°。当需要进行波束转动时，对应的复数因子即为

n＝0,1,…,N‐1。这里θ也可称为待转动角度。例如，如果地面基站102与相控阵天线101法线方向夹角θ为20°，那么理想的相控阵天线主瓣应偏离法线方向20°，因此θ为20°，在计算复数因子时应将其转换为弧度制。

以上只是以数字基带实现移相为例进行了说明，但本发明并不局限于此。如果在中频或者射频实现移相，原理是相同的，只需要在中频或者射频调整每个阵元的相位即可。原理是相同的，相位调整的大小可根据复数因子计算得出，tanα＝imag/real，相位调整值α的正切值即为复数因子的虚部除以实部。

车载基站存储铁轨沿线地面基站的位置，同时速度位置获取模块S11可以通过卫星定位装置实现，也可以由行驶的高速列车提供给车载基站，具体的实现方式不做限制，但均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

车载基站根据存储的铁轨沿线地面基站的位置，以及速度位置获取模块提供的车载基站实时位置信息，计算车载基站和地面基站之间的相对位置信息。在这里相对位置信息也就是图1中的角度θ，这里的θ为车载基站与地面基站之间连线与相控阵天线法线的夹角。车载基站实时计算角度θ，那么相控阵天线即可以实时控制主瓣波束的指向，使主瓣总是指向地面基站的方向。

车外相控阵天线中，每个天线阵子的初始相位偏移由粒子群算法预先仿真得出，其初始的方向图主瓣指向相控阵天线的法线方向。如上所述，需要波束转动时，只需要给每一个阵子乘上一个复数因子即可，这是基于傅里叶变化的原理实现的。并且该复数因子与天线阵的结构相关，不同的天线阵结构应采用不同的复数因子，这里不做具体说明，但均应理解为涵盖在本发明的权利要求范围当中。

本发明只是提出了一种技术方案，波束控制部分只是以数字基带移相为例进行了说明。尽管参照数字基带移相为例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统，其特征在于：包括车载基站，天线系统和地面基站；

所述车载基站包括位置存储模块，用来存储车载基站与高速铁路沿线地面基站的相对位置信息；速度位置获取模块，实时获取车载基站的位置信息；

所述天线系统包括车内天线和车外的相控阵天线，车内天线和车外的相控阵天线分别通过线缆与车载基站相连；

所述车内天线分布在每一节车厢内，负责车载基站与车内用户之间的通信；

所述相控阵天线的每个阵元的初始相位偏移通过粒子群算法预先仿真得出，其初始的方向图主瓣朝向相控阵天线的法线方向；相控阵天线负责车载基站与地面基站之间的无线通信；

所述车载基站通过车内天线与移动用户无线连接，通过车外的相控阵天线与地面基站进行无线连接；

所述车载基站控制调整相控阵天线的相位偏移，从而控制相控阵天线的主瓣指向；通过速度位置获取模块获取的位置信息，查询位置存储模块，获取车载基站与地面基站的相对位置信息，通过车载基站与地面基站的相对位置，结合傅里叶变换法快速实现主瓣朝向的改变；

所述车载基站根据列车的行驶速度及实时位置，查询存储模块中地面基站的位置，计算出车外相控阵天线与地面基站之间的角度，通过计算得到的角度信息，调节相控阵天线阵元的相位偏移；

所述车载基站还包括角度计算模块、信号处理模块；速度位置获取模块、位置存储模块分别与角度计算模块连接，角度计算模块与信号处理模块连接；车内天线、相控阵天线分别通过A/D或D/A转换模块与信号处理模块连接；

车内天线通过数模转换模块将射频信号转换为数字基带信号，送到数字信号处理模块，速度位置获取模块获取车载基站的当前位置，位置存储模块存储列车沿线的地面基站的地理位置，角度计算模块根据车载基站的当前位置，在位置存储模块中查表获取当前距离最近的地面基站的位置信息，再根据车载基站和最近的地面基站位置信息，计算出两者之间的角度信息，并将计算得出的角度信息送到信号处理模块，信号处理模块通过计算得到的角度信息，调节相控阵天线阵元的相位偏移，使相控阵天线的主瓣总是指向地面基站。

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