CN109429176B

CN109429176B - 基于有向天线的高铁移动终端上行传输方法

Info

Publication number: CN109429176B
Application number: CN201710483875.5A
Authority: CN
Inventors: 张海林; 郑创明
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: CN109429176A

Abstract

本发明公开了一种基于有向天线的高铁移动终端上行传输方法，主要解决现有技术中高铁移动终端上行传送距离近的问题。其技术方案是：利用高铁移动终端运行轨道的确定性，通过高铁移动终端UE自身GPS和天线姿态信息感知设备获取其有向天线的位置信息和姿态信息，从基站系统消息中获知目标扇区定向天线的位置信息和姿态信息，再根据所获取的天线信息调整高铁移动终端UE有向天线姿态，使得高速移动状态下的高铁移动终端UE有向天线的中心法线方向始终对准目标扇区定向天线的中心位置，实现对有向天线增益的最大化利用；本发明降低了高铁移动终端UE上行传输过程中的功率消耗，增大了高铁移动终端上行传输范围。

Description

基于有向天线的高铁移动终端上行传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于有向天线的高铁移动终端上行传输方法，可用于高铁移动通信系统。

背景技术

高铁即中国高速铁路CHSR的简称，是指新建设计开行250公里/小时及以上动车组列车、初期运营速度不小于200公里/小时的客运专线铁路；由于其经济快速、安全性好及载客量高等特点，自投入运行以来倍受青睐，其经济效益也十分可观；目前，我国高速铁路运行速度已达到350km/h，覆盖范围较广，建设规模仍在持续增加；在此背景下，对适用于高铁的移动通信系统的发展造成了不小压力。自2005年以来，长期演进LTE作为3GPP的一个标准化项目投入了研究，其要求系统能够达到更加出色的性能，包括更高的数据率、更低的延迟、更好的覆盖、更优的频率效率以及更大的移动性支持等，尤其是对于移动性的支持方面，LTE提出了更高的要求，要求系统能够支持350km/h的移动速度，甚至在某些频段可支持500km/h的极高移动速度；现有的LTE技术由于在移动终端采用全向天线，因此上行传输距离受限，在高铁部署的LTE专网中，每个LTE基站的覆盖距离通常为1～2Km，导致通信过程中产生大量的切换操作，甚至出现经常掉线的情况，不能很好地满足高铁实时监控的业务传输要求。

高铁监控移动通信系统能够对高铁的运动状态进行实时监控，是保证高铁快速安全运行的一种移动通信系统，相对于目前商用的移动通信系统，高铁监控移动通信系统的用户分布稀疏，数据量少，且高铁的运动速度大多在每小时300公里左右，传统的小区划分方法不能满足其高移动性的需求，通过增加基站的高度，增大基站下每个小区的覆盖距离是解决高铁移动通信问题的一种有效技术；目前，有人提出将LTE基站建立在20Km上空的飞艇上，使单个扇区的覆盖半径大于100Km，高铁移动终端位于高铁上，随高铁一起高速运动，并实时上报高铁的运动信息和车厢内的安全信息，其运行轨迹确定、运动速度基本恒定，对解决高铁移动终端的上行传输问题提供了便利；但现有的移动终端采用全向天线技术，上行传输距离受限，因此无法满足大覆盖半径的上行传输距离需求。

山东科技大学马志建的硕士论文“车载定向天线稳定跟踪平台的研究与开发”以临场感遥控系统为应用背景，研究开发了一套速度快、精度高、实时性较好的车载定向天线稳定跟踪平台，该平台可以抵消由于运动载体的长距离移动和载体的角运动带来的干扰，使得指挥站的定向天线能够始终自动指向移动站，从而提高图像无线传输的抗干扰性和可靠性；但该论文中的移动站采用的是全向天线，上行传输距离小，并不能解决高铁移动通信系统中大覆盖半径的上行传输问题。

在专利号为201020172662.4，名称为“一种自动检测方位角及俯仰角的天线”的专利中给出了一种天线，包括设置在该天线中的电子罗盘，电子罗盘包括方位角传感器、俯仰角传感器、多通道模数转换器、微控制器和串行通讯接口；方位角、俯仰角传感器用于检测天线的方位角及俯仰角参数，并将方位角及俯仰角信息传输至多通道模数转换器；所述多通道模数转换器用于将方位角传感器和俯仰角传感器产生的模拟电压信号进行模数转换；微控制器根据方位角及俯仰角参数计算天线的方位角及俯仰角，并实现数据的串行通信；天线的方位角及俯仰角通过串行通讯接口传输至后台网管或本地维护终端；该专利主要检测基站定向天线的参数，主要用于现有商用网络覆盖的优化，现有商用网络中的移动终端天线全部为全向天线，因此并不能提高高铁移动终端UE的上行传输范围，依然不能解决高铁移动通信系统中大覆盖半径下的上行传输问题。

发明内容

本发明目的在于针对以上现有技术的不足，提供一种基于有向天线的高铁移动终端上行传输方法，其通过高铁移动终端UE自身GPS和天线姿态信息感知设备获取其有向天线的位置信息和姿态信息，再由基站系统消息获得目标扇区定向天线的位置信息和姿态信息；最后根据所获取的天线信息调整高铁移动终端UE有向天线姿态，使得高速移动状态下的高铁移动终端UE有向天线的中心法线方向始终对准目标扇区定向天线的中心位置，最大化利用有向天线增益，从而降低高铁移动终端UE上行传输过程中的功率消耗，解决高铁移动通信系统中大覆盖半径下的上行传输问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)获取扇区定向天线的位置信息和姿态信息：

LTE基站的各个扇区周期性获取自己定向天线中心的位置信息和姿态信息；

通过GPS获得扇区定向天线中心的经纬度信息(X_E，Y_N)，其中X_E为定向天线经度信息，Y_N为定向天线纬度信息；

从目标扇区定向天线中的高度压力表获取其当前的高度H；

通过安装于扇区定向天线上的天线姿态信息感知设备获取对应的目标扇区定向天线的仰角α₁和方位角β₁；

(2)广播扇区定向天线信息：

LTE基站的各个扇区将其定向天线的位置信息和姿态信息通过各自的系统消息向小区内的所有高铁移动终端UE进行广播；

(3)高铁移动终端UE保存目标扇区定向天线信息：

高铁移动终端UE通过读取系统消息获取目标扇区的天线信息，并保存；

(4)获取高铁移动终端UE有向天线的位置信息和姿态信息：

高铁移动终端UE周期性获取其有向天线的位置信息和姿态信息；

通过GPS获得高铁移动终端UE有向天线的经纬度信息(M_E，N_N)，其中M_E为有向天线经度信息，N_N为有向天线纬度信息；

从高铁移动终端UE有向天线中心的高度压力表获取其当前的高度h；

通过安装于高铁移动终端UE有向天线上的姿态信息感知设备获取高铁有向天线仰角α₂和方位角β₂；

(5)计算高铁移动终端UE有向天线旋转参数：

标记目标扇区的定向天线中心位置为点A，高铁移动终端UE的有向天线中心位置为点E；高铁移动终端UE根据自身有向天线和目标扇区定向天线两者的位置信息，以E为坐标原点，其法线为z轴，过原点与有向天线一边平行的直线为y轴，过原点与有向天线另一边平行的直线为x轴，建立三维坐标系1，计算得到线段AE在三维坐标系1中的仰角α和方位角β，即旋转参数；

(6)调整高铁移动终端UE有向天线的位置：

高铁移动终端UE通过旋转装置对其有向天线进行旋转，根据旋转参数调整旋转量，使得旋转之后高铁移动终端UE有向天线的法线与线段AE重合；

(7)确定高铁移动终端UE发送随机接入前缀Preamble序列初始功率：

高铁移动终端UE在随机接入信道PRACH上发送随机接入前缀Preamble序列，其发送采用波束形成beamforming技术，通过下式得出发送的初始功率P_PRACH：

P_PRACH＝min{P_CMAX，P_r+P_L+BF_Gain+△P+(N–1)*P_s}；

其中，P_CMAX为UE的最大上行发射功率，P_r为目标扇区期望接收的功率，P_L为路径损耗，BF_Gain为波束赋形增益，△P为其它格式序列前缀Preamble Format相对于格式为0的前缀Preamble Format 0的增益；N为发送的次数，P_s为每次发送上升的功率步长；

(8)高铁移动终端UE接入无线网络：

高铁移动终端UE按照初始功率发起随机接入，申请入网，通过随机接入流程建立与其服务扇区之间的无线连接，实现网络接入；

(9)高铁移动终端UE发送上行信息：

高铁移动终端UE接入网络后在物理上行业务信道PUSCH进行上行信息的传输，传输采用波束形成beamforming技术，其波束指向与线段AE重合；以目标扇区定向天线中心位置A为坐标原点，其法线为z轴，过原点与定向天线一边平行的直线为y轴，过原点与定向天线另一边平行的直线为x轴，建立三维坐标系2；根据线段AE在三维坐标系2中的仰角θ和方位角

通过查表得到目标扇区接收天线的增益，根据此增益调整发送上行数据时的上行功率，完成上行信息传输。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

第一，由于考虑到高铁运行的规律性及运行路线的确定性，本发明在高铁移动终端UE上采用具有跟踪功能的有向天线，使上行发射的电波主瓣方向始终对准目标扇区定向天线的中心，从而提高了高铁移动终端UE的上行传输范围，降低UE进行上行传输的发送功率；

第二，由于本发明在高铁移动终端UE的上行传输采用波束形成beamforming技术，从而进一步提升了高铁移动终端UE的上行传输能力，并把波束形成beamforming技术的增益运用到随机接入信道PRACH发射Preamble的初始功率发射上，降低了高铁移动终端UE随机接入过程的上行发射功率，提升了随机接入性能；

第三，高铁移动终端UE在物理上行业务信道PUSCH进行上行信息的传输，计算发射功率时将高铁移动终端UE位置变化带来的目标扇区接收天线的增益变化考虑在内，能够更加准确地进行上行功率发送，从而降低网络干扰；

从而解决高铁移动通信系统中由于上行传输距离受限，无法满足大覆盖半径的上行传输距离需求所带来的上行传输问题。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图；

图2为本发明方法在高铁监控移动通信系统中的应用示意图；

图3为本发明接收天线增益的三维立体示意图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明进行详细描述：

参照图1，本发明提供的一种基于有向天线的高铁移动终端上行传输方法，具体实现步骤如下：

步骤1，获取扇区定向天线的位置信息和姿态信息：

位于飞艇上的LTE基站周期性获取各个扇区定向天线中心位置的GPS信息、高度信息，以及扇区天线的仰角信息、方位角信息；其中，扇区天线中心位置的GPS信息通过飞艇上的GPS设备获得；高度信息通过扇区定向天线中的高度压力表获取；扇区定向天线的仰角、方位角通过扇区天线上的天线姿态信息感知设备得到，该感知设备为传感器或电子罗盘等测量设备；

扇区定向天线中心位置的GPS信息与高度信息组成该天线的位置信息，包含通过GPS获得的扇区定向天线中心的经纬度信息(X_E，Y_N)，其中E表示东经，X_E为定向天线经度信息，其信息格式为dddmm.mmmm；N表示北纬，Y_N为定向天线纬度信息，其信息格式为ddmm.mmmm；以及从目标扇区定向天线中的高度压力表获取的当前高度值H，单位为Km；

扇区定向天线通过安装于自身的天线姿态信息感知设备获取定向天线的仰角α₁和方位角β₁，即为该扇区定向天线的姿态信息；

步骤2，广播扇区定向天线信息：

目标扇区将扇区定向天线的位置信息和姿态信息向小区内的所有高铁移动终端UE进行传送，即由系统消息携带扇区定向天线的中心位置信息和天线姿态信息在其覆盖范围内进行周期性广播；

LTE基站在原来系统消息中增加扇区定向天线的中心位置信息和天线姿态信息，其中扇区定向天线的中心位置信息至少包括天线的经纬度信息和高度信息，天线姿态信息至少包括天线的仰角和方位角；由于飞艇滞空平台不能保证绝对静止，会出现围绕某一指定位置中心在小范围内进行漂移的情况，这种缓慢的位置移动不可避免，因此安装在飞艇滞空平台上LTE基站的扇区定向天线的中心位置信息和天线姿态信息通常也会随之发生变化，一旦扇区定向天线的位置或姿态发生变化，则当前扇区会及时在系统消息中进行更新，保证广播出去的系统消息为当前状态下扇区定向天线的最新信息；同时，变化后的系统消息在广播给扇区内的高铁移动终端UE时，进行系统消息更新提醒。

步骤3，高铁移动终端UE保存目标扇区定向天线信息：

高铁移动终端UE读取系统消息，从而获取目标扇区的天线信息，并进行保存；

扇区通过系统消息向小区内服务的高铁移动终端UE广播扇区定向天线的位置信息和姿态信息，由于飞艇的滞空能力受限，扇区定向天线的中心位置信息和天线姿态信息通常不是固定不变的；在高铁移动终端UE收到系统消息更新提醒后，重新读取系统消息携带的目标扇区定向天线的中心位置信息和天线姿态信息，并及时更新自己保存过的天线信息。

步骤4，获取高铁移动终端UE有向天线的位置信息和姿态信息：

高铁移动终端UE获取自己有向天线中心位置的GPS信息、高度信息，以及有向天线的仰角信息、方位角信息；其中，有向天线中心位置的GPS信息通过其所在高铁移动终端UE自身的GPS设备获得；高度信息通过有向天线中的高度压力表获取；高铁移动终端UE有向天线的仰角、方位角通过有向天线上的传感器或电子罗盘测量得到；

高铁移动终端UE有向天线中心位置的GPS信息与高度信息组成该天线的位置信息；包含通过GPS获得的高铁移动终端UE有向天线的经纬度信息(M_E，N_N)，其中E表示东经，M_E为有向天线经度信息，其信息格式dddmm.mmmm；N表示北纬，N_N为有向天线纬度信息，其信息格式ddmm.mmmm；以及从高铁移动终端UE有向天线上的高度压力表获取的天线当前高度值h，单位为Km；

高铁移动终端UE有向天线通过安装于自身的姿态信息感知设备获取有向天线的仰角α₂和方位角β₂，即为该高铁移动终端UE有向天线的姿态信息；

步骤5，计算高铁移动终端UE有向天线旋转参数：

高铁移动终端UE根据自身有向天线和目标扇区定向天线两者的位置信息，建立三维坐标系，求解两天线中心点连接构成的线段AE在所建立坐标系中的仰角及方位角；

标记目标扇区的定向天线中心位置为点A，高铁移动终端UE的有向天线中心位置为点E；以E为坐标原点，其法线为z轴，过原点与有向天线一边平行的直线为y轴，过原点与有向天线另一边平行的直线为x轴，建立三维坐标系1，求解线段AE在三维坐标系1中的仰角α和方位角β，即旋转参数；

(5.1)确定天线中心位置坐标：

将扇区定向天线和高铁移动终端UE有向天线的经纬度坐标转成大地坐标，即目标扇区的经纬度坐标(X_E，Y_N)转化为大地坐标(X1，Y1)，高铁移动终端UE的经纬度坐标(M_E，N_N)转化为大地坐标(X2，Y2)；从而得到目标扇区定向天线中心位置A的坐标为(X1，Y1，H)，高铁移动终端UE有向天线中心位置E的坐标为(X2，Y2，h)，所有单位均为Km；

(5.2)建立三维坐标系1：

以高铁移动终端UE有向天线的中心位置E(X2，Y2，h)为坐标原点，其法线为z轴，过原点与有向天线一边平行的直线为y轴，过原点与有向天线另一边平行的直线为x轴，建立三维坐标系1；

(5.3)计算参数：

在所建立的三维坐标系1中，将连接目标扇区定向天线的中心位置A(X1，Y1，H)与高铁移动终端UE有向天线的中心位置E(X2，Y2，h)的线段记为AE，计算线段AE在所建立三维坐标系1中的仰角α和方位角β，即为高铁移动终端UE有向天线的旋转参数；

步骤6，调整高铁移动终端UE有向天线的位置：

高铁移动终端UE根据旋转参数确定旋转量，通过高铁移动终端UE有向天线旋转装置旋转天线，调整其有向天线的仰角和方位角，使高铁移动终端UE有向天线的法线，也就是三维坐标系1的z轴与线段AE重合，即高铁移动终端UE有向天线中心位置的法线方向刚好指向目标扇区定向天线的中心，从而使得高铁移动终端UE发送信息天线增益最高。

步骤7，确定高铁移动终端UE发送随机接入前缀Preamble序列初始功率：

高铁移动终端UE在随机接入信道PRACH上发送随机接入前缀Preamble序列，其发送采用波束形成beamforming技术，进一步提升高铁移动终端UE的上行传输能力，并把波束形成beamforming技术的增益运用到随机接入信道PRACH发射的初始功率发射上，相比现有技术中所采用的全向天线发送方式，本发明增加了赋形增益BF_Gain，从而降低了高铁移动终端UE的上行发射功率；

高铁移动终端UE发送随机接入前缀Preamble序列的初始功率P_PRACH通过下式计算得到：

P_PRACH＝min{P_CMAX，P_r+P_L+BF_Gain+△P+(N–1)*P_s}；

步骤8，高铁移动终端UE接入无线网络：

高铁移动终端UE按照步骤7计算得到的初始功率P_PRACH发起随机接入前缀Preamble，该消息又称为随机接入第一条消息，简称Msg1，目标扇区对随机接入信道PRACH进行检测，一旦检测出Preamble序列，获得对应的序列索引Preamble Index，然后发送随机接入响应Random Access Response消息，该消息又称为随机接入第二条消息，简称Msg2，该消息中携带序列索引Preamble Index、上行时间调整信息Timing Advance和用户设备UE发送随机接入第三条消息所使用的上行资源；发送随机接入Preamble消息用户设备UE收到随机接入响应Random Access Response消息后，调整上行定时，然后在上行时间同步状态下向目标扇区发送连接请求RRC Connection Request消息，该消息又称为随机接入第三条消息，简称Msg3，申请建立RRC连接；目标扇区收到用户设备UE发送连接请求RRC ConnectionRequest消息后，为用户设备UE建立RRC连接，RRC连接建立完成后目标扇区向用户设备UE发送RRC连接响应RRC Connection Response消息，该消息又称为随机接入第四条消息，简称Msg4。到此，用户设备UE通过随机接入过程实现了上行时间同步，建立的RRC连接，能够正常使用目标扇区的上行无线资源，进行上行信息发送；高铁移动终端UE通过上述随机接入流程建立与其服务扇区之间的无线连接，实现网络接入。

步骤9，高铁移动终端UE发送上行信息：

高铁移动终端UE接入网络后在物理上行业务信道PUSCH进行上行信息的传输。其第一次进行上行信息传输所发送的信息是随机接入过程中的第三条消息，即Msg3；发送Msg3的上行功率设置由高铁移动终端UE参考成功发送随机接入第一条消息Msg1的功率；之后在目标扇区向高铁移动终端UE下发上行功率控制命令之前，高铁移动终端UE上行信息发送功率的设定参考前一次成功发送的上行功率，由高铁移动终端UE自行确定；目标扇区向高铁移动终端UE发送功率控制命令之后，高铁移动终端UE的上行信息发送功率根据收到的功率控制命令进行调整。为便于描述，对受上行功率控制命令控制的高铁移动终端UE上行传输定义为功控上行传输，其中高铁移动终端UE收到第一个功率控制命令之前最近的一次上行信息传输定义为第零次功控上行传输，高铁移动终端UE收到第一个功率控制命令之后的第一次传输定义为第一次功控上行传输，高铁移动终端UE收到第一个功率控制命令之后的第二次传输定义为第二次功控上行传输，依次类推。

高铁移动终端UE上行信息的传输采用波束形成beamforming技术，其波束指向与线段AE重合，其中AE为目标扇区定向天线中心位置点A与高铁移动终端UE有向天线中心位置点E的连线；以目标扇区定向天线中心位置A为坐标原点，其法线为z轴，过原点与定向天线一边平行的直线为y轴，过原点与定向天线另一边平行的直线为x轴，建立三维坐标系2，求得线段AE在三维坐标系2中的仰角θ和方位角

由于高铁移动终端UE随高铁快速运动，其高铁移动终端UE的有向天线中心位置E处于不断变化的状态，不同时刻，线段AE在三维坐标系2中对应着不同的仰角θ和方位角

从而使得目标扇区定向天线的接收天线增益Rx_Gain也不同；将扇区定向天线在不同仰角θ和方位角

下的天线接收增益制成天线增益表，存于高铁移动终端UE的存储单元内，该表与实际天线不同仰角和方位角下的天线增益保持一致，高铁移动终端UE以配置方式或软件更新的方式获取不同天线编号的天线增益表，并根据天线编号得到对应天线的天线增益表；

根据当前天线编号在其天线增益表中查找，便可得知AE在三维坐标系2中的不同仰角θ和方位角

下相对应的接收天线增益Rx_Gain；并根据目标扇区接收天线的增益调整在物理上行业务信道发送上行数据时的上行功率，完成上行信息传输。

发送上行数据的功率计算过程具体如下：

(9.1)根据高铁移动终端UE的上行功率调整频率，令目标扇区在T_j时刻收到高铁移动终端UE第(n-△)次发送的上行数据，其中△为大于0且小于n的自然数，并根据第(n-△)次发送的上行数据信道质量生成功率控制命令TPC，简称功控命令TPC，该命令由扇区接收到高铁移动终端UE在第(n-△)次发送的上行数据信号强度具体确定，目标扇区于T_f时刻向对应的高铁移动终端UE发送上行功控命令TPC并被高铁移动终端UE正确接收，高铁移动终端UE在收到下一个有效的上行功控命令TPC之前的t时刻第n次发送上行数据，且t>T_f>T_j，n为除0以外的自然数；

(9.2)高铁移动终端UE在第(n-△)次发送上行数据时，AE在三维坐标系2中的仰角为θ₁、方位角为

通过仰角θ₁和方位角

查表获取对应的目标扇区接收天线增益为Rx_Gain(1)；

(9.3)高铁移动终端UE在第n次发送上行数据时，AE在三维坐标系2中的仰角为θ₂、方位角为

通过仰角θ₂和方位角

查表获取对应的目标扇区接收天线增益为Rx_Gain(2)；

(9.4)通过下式计算得出高铁移动终端UE第n次功控上行传输单位无线资源块PRB所需要的发送功率P_PUSCH：

P_PUSCH＝P₀+M_TPC*powerStep+{Rx_Gain(1)-Rx_Gain(2)}

其中，P₀为高铁移动终端UE第(n-△)次发送上行数据时的发送功率，M_TPC为高铁移动终端UE第n次发送上行数据之前最新收到的有效上行功控命令TPC，powerStep为最新收到的有效上行功控命令TPC对应的功率控制上升步长，Rx_Gain(1)为高铁移动终端UE在第(n-△)次发送上行数据时的目标扇区接收天线增益，Rx_Gain(2)为高铁移动终端UE在第n次发送上行数据时的目标扇区接收天线增益。

下面以n＝1，n＝2和n＝3为例，分别计算高铁移动终端UE第一次、第二次和第三次功控上行传输的发送功率：

当n＝1时，也称为遵循功率控制命令调整的第一次上行传输，简称第一次功控上行传输：

在第一次功控上行传输中发送上行数据的功率P_PUSCH计算过程中，假设高铁移动终端UE第零次功控上行传输功率为5dBm/PRB，即P₀＝5dBm/PRB，其中PRB为无线资源块，单位PRB对应180Khz的带宽，是LTE系统中最小资源分配单元，dBm为毫瓦的分贝表示形式；Rx_Gain(1)取第零次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益3dB；第一个TPC＝1即M_TPC＝1；powerStep＝1dB；Rx_Gain(2)取第一次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益3.5dB；则根据步骤(9.4)中的公式计算得到第一次功控上行传输单位PRB所需要的发送功率：

P_PUSCH1＝5+1*1+(3-3.5)＝5.5dBm。

当n＝2时，也称第二次功控上行传输，分为以下两种情况：

1)若在第一次功控上行传输与第二次功控上行传输之间，高铁移动终端UE没有收到有效的上行功控命令，则在第二次功控上行传输中发送上行数据的功率P_PUSCH计算过程中，所用参数与第一次功控上行传输相比，只有Rx_Gain(2)不同，Rx_Gain(2)取第二次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益5dB；则根据步骤(9.4)中的公式计算得到第二次功控上行传输单位PRB所需要的发送功率：

P_PUSCH2＝5+1*1+(3-5)＝4dBm。

2)若在第一次功控上行传输与第二次功控上行传输之间，高铁移动终端UE收到有效的上行功控命令；假设TPC＝-1，即M_TPC＝-1；powerStep＝1dB；在第二次功控上行传输中发送上行数据的功率P_PUSCH计算过程中，P₀为第一次功控上行传输中用到的高铁移动终端UE的单位PRB的发送功率即P₀＝P_PUSCH1＝5.5dBm/dB；Rx_Gain(1)取第一次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益3.5dB；Rx_Gain(2)取第二次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益5dB；则根据步骤(9.4)中的公式计算得到第二次功控上行传输单位PRB所需要的发送功率：

P_PUSCH2＝5.5-1*1+(3.5-5)＝3dBm。

当n＝3时，也称第三次功控上行传输，分为以下两种情况：

a)第二次功控上行传输中与第三次功控上行传输之间收到有效的上行功控命令；假设TPC＝2，即M_TPC＝2；powerStep＝1dB；在第三次功控上行传输中发送上行数据的功率P_PUSCH计算过程中，P₀为第二次功控上行传输中用到的高铁移动终端UE的单位PRB的发送功率，即P₀＝P_PUSCH2；令第二次工控上行传输为情况1)情形，则P₀＝P_PUSCH2＝4dBm/dB，M_TPC为最新收到的有效的上行功控命令，Rx_Gain(1)取第二次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益为5dB；Rx_Gain(2)取第三次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益5.5dB；则根据步骤(9.4)中的公式计算得到第三次功控上行传输单位PRB所需要的发送功率：

P_PUSCH3＝4+2*1+(5-5.5)＝5.5dBm。

b)第二次功控上行传输中与第三次功控上行传输之间没有收到有效的上行功控命令：

b1)若在第一次功控上行传输与第二次功控上行传输之间，高铁移动终端UE没有收到有效的上行功控命令，则在第三次功控上行传输中发送上行数据的功率P_PUSCH计算过程中，所用参数与第一次功控上行传输相比，只有Rx_Gain(2)不同，第三次功控上行传输中Rx_Gain(2)为第三次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益，假设其为5.5dB；则根据步骤(9.4)中的公式计算得到第三次功控上行传输单位PRB所需要的发送功率：

P_PUSCH3＝5+1*1+(3-5.5)＝3.5dBm。

b2)若在第一次功控上行传输与第二次功控上行传输之间，高铁移动终端UE收到有效的上行功控命令，则在第三次功控上行传输中发送上行数据的功率P_PUSCH计算过程中，P₀为第一次功控上行传输中用到的高铁移动终端UE的单位PRB的发送功率即P₀＝P_PUSCH1＝5.5dBm/dB；M_TPC为最新收到的有效的上行功控命令，即M_TPC＝-1；powerStep＝1dB；Rx_Gain(1)取第一次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益，即Rx_Gain(1)＝3.5dB；Rx_Gain(2)取第三次功控上行传输得到的目标扇区接收天线增益5.5dB；则根据步骤(9.4)中的公式计算得到第三次功控上行传输单位PRB所需要的发送功率：

P_PUSCH3＝5.5-1*1+(3.5-5.5)＝2.5dBm。

参照图2，高铁移动终端UE在从位置C到位置A运动的过程中，通过有向天线跟踪技术，使得高铁移动终端UE有向天线的法线始终指向目标扇区定向天线的中心位置E；高铁移动终端UE通过波束赋形使得上行波束指向始终与高铁移动终端UE有向天线的法线方向一致，从而能够最大化利用波束赋形增益。

参照图3，将扇区定向天线中心作为原点，其法线为z轴，过原点与定向天线一边平行的直线为y轴，过原点与定向天线另一边平行的直线为x轴，建立坐标系；扇区天线的接收天线增益Rx_Gain随天线姿态的变化而不同，根据天线特性，可得到扇区定向天线在不同仰角θ和方位角

下的天线接收增益Rx_Gain；高铁移动终端UE的运动速度快，在计算其发送上行数据的功率P_PUSCH时，考虑高铁移动终端UE移动距离带来的目标扇区接收天线增益的变化，可达到优化现有LTE功率控制的目的。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利求保护范围之内。

Claims

1.一种基于有向天线的高铁移动终端上行传输方法，包括如下步骤：

(1)获取扇区定向天线的位置信息和姿态信息：

从目标扇区定向天线中的高度压力表获取其当前的高度H；

(2)广播扇区定向天线信息：

(3)高铁移动终端UE保存目标扇区定向天线信息：

(4)获取高铁移动终端UE有向天线的位置信息和姿态信息：

从高铁移动终端UE有向天线中的高度压力表获取其当前的高度h；

(5)计算高铁移动终端UE有向天线旋转参数：

(6)调整高铁移动终端UE有向天线的位置：

P_PRACH＝min{P_CMAX，P_r+P_L+BF_Gain+△P+(N–1)*P_s}；

(8)高铁移动终端UE接入无线网络：

(9)高铁移动终端UE发送上行信息：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(5)中有向天线旋转参数的计算过程如下：

(5.1)确定天线中心位置坐标：

将扇区定向天线和高铁移动终端UE有向天线的经纬度坐标转成大地坐标，即目标扇区的经纬度坐标(X_E，Y_N)转化为大地坐标(X1，Y1)，高铁移动终端UE的经纬度坐标(M_E，N_N)转化为大地坐标(X2，Y2)；从而得到目标扇区定向天线中心位置A的坐标为(X1，Y1，H)，高铁移动终端UE有向天线中心位置E的坐标为(X2，Y2，h)；

(5.2)建立三维坐标系1：

(5.3)计算参数：

在所建立的三维坐标系1中，连接AE，计算线段AE在所建立三维坐标系1中的仰角α和方位角β，即为高铁移动终端UE有向天线的旋转参数；

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(9)中发送上行数据的功率计算过程如下：

(9.1)根据高铁移动终端UE的上行功率调整频率，令目标扇区在T_j时刻收到高铁移动终端UE第(n-△)次发送的上行数据，其中△为大于0且小于n的自然数，并根据第(n-△)次发送的上行数据信道质量生成功控命令TPC，目标扇区于T_f时刻向对应的高铁移动终端UE发送上行功控命令TPC并被高铁移动终端UE正确接收，高铁移动终端UE在收到下一个有效的上行功控命令TPC之前的t时刻第n次发送上行数据，且t>T_f>T_j，n为除0以外的自然数；

通过仰角θ₁和方位角

查表获取对应的目标扇区接收天线增益为Rx_Gain(1)；

通过仰角θ₂和方位角

查表获取对应的目标扇区接收天线增益为Rx_Gain(2)；

P_PUSCH＝P₀+M_TPC*powerStep+{Rx_Gain(1)-Rx_Gain(2)}；

其中，P₀为高铁移动终端UE第(n-△)次发送上行数据时的发送的功率；M_TPC为高铁移动终端UE第n次发送上行数据之前最新收到的有效上行功控命令TPC；powerStep为最新收到的有效上行功控命令TPC对应的功率控制上升步长；Rx_Gain(1)为高铁移动终端UE在第(n-△)次发送上行数据时的目标扇区接收天线增益；Rx_Gain(2)为高铁移动终端UE在第n次发送上行数据时的目标扇区接收天线增益。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(1)、步骤(4)中的天线姿态信息感知设备包括天线的传感器和电子罗盘。