CN110048754A - 分立式车载天线系统及基于该系统的信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分立式车载天线系统及基于该系统的信号传输方法，属于轨道交通移动通信技术领域，包括：信号分离模块将相控天线阵列的天线单元的单路下行信号分成第一下行信号和第二下行信号，接收波束形成模块发送来的上行信号，并将所述上行信号发送给天线单元；波束扫描模块接收计算第一下行信号的最优方位角；波束形成模块根据最优方位角，调整第二下行信号和上行信号的发送方位，使第二下行信号和上行信号均指向第一下行信号的来波方向。本发明能够使天线阵波束实时对准基站天线，从而达到压缩多普勒扩展和改善车‑地无线链路信噪比的效果；能够与现有车载通信设备兼容，在不改变现有车载通信设备的条件下，实现波束对基站信号的自动跟踪。

Description

分立式车载天线系统及基于该系统的信号传输方法

技术领域

本发明涉及轨道交通移动通信技术领域，具体涉及一种分立式车载天线系统及基于该系统的信号传输方法。

背景技术

由于铁路线路覆盖区域广，为了实现移动通信信号对铁路线路的全覆盖，轨道交通移动通信系统借鉴了传统的陆地移动通信系统，采用了蜂窝组网方式。考虑到列车只能沿轨道线路运动，其运动方式较为简单、线路结构较为单一，列车移动过程中，车载天线的位置与基站天线之间的角度实时变化，为了保证车载天线能够始终覆盖基站天线，一般在列车上安装覆盖角度大的全向天线。全向天线不但可以保证列车与当前服务基站之间的实时通信，还可接收到相邻基站的发送信号，确保列车可以在不同基站之间顺利切换。但是，在列车上使用全向天线仍存在两方面的问题：

一是车载全向天线接收到的信号来自四面八方，当列车运行速度较高时，多普勒扩展较严重，导致信道时变性显著，恶化无线链路的传输性能；

二是相比于定向天线，全向天线的天线增益较低，导致车载通信设备的接收信噪比相对较低，为了达到目标信噪比，需要基站一侧加大发送功率，上行传输时，发射功率也无法有效集中到目标基站方向上。

针对上述问题，理论上，可以在车载通信设备中采用类似于基站侧的定向天线，这样即可以压缩多普勒扩展，还可以改善无线链路的传输性能。然而，在实际当中，由于定向天线的指向是固定的，无法根据列车位置的变化实时调整天线波束的指向角度，列车在运动过程中天线位置与基站天线之间的角度一直在变化，所以采用定向天线无法保证车载天线能够一直始终覆盖到基站天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够与现有的车载通信设置相互兼容，实现对基站下行信号实时自动跟踪的基于相控天线阵列的分立式车载天线系统及基于该系统的信号传输方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供的一种分立式车载天线系统，该系统包括：

信号分离模块，用于将来自相控天线阵列的天线单元的单路下行信号分成两路，分别为第一下行信号和第二下行信号；

所述信号分离模块还用于接收波束形成模块发送来的上行信号，并将所述上行信号发送给所述天线单元；

波束扫描模块，用于接收所述第一下行信号，并计算所述第一下行信号的最优方位角；

波束形成模块，用于根据所述最优方位角，调整所述第二下行信号和所述上行信号的发送方位，使所述第二下行信号和所述上行信号均指向所述第一下行信号的来波方向。

优选的，所述信号分离模块包括多个第一功分器和多个滤波器，每个所述第一功分器与所述相控天线阵列的一个天线单元相对应；

所述第一功分器的第一端接收所述单路下行信号，所述第一功分器的第二端输出所述第二下行信号至所述波束形成模块；

所述第一功分器的第二端还接收所述上行信号；

每个所述第一功分器的第三端均连接一个所述滤波器；

所述第一功分器的第三端输出所述第一下行信号经所述滤波器后至所述波束扫描模块。

优选的，所述波束扫描模块包括多个第一模拟移相器、一个合路器及控制单元；每个所述滤波器的输出端分别连接一个所述第一模拟移相器的输入端；

所述控制单元用于提供所述第一模拟移相器需要搜索的空域方位角，并计算所述最优方位角；

每个所述第一模拟移相器的输出端分别连接所述合路器的一个输入端，所述合路器的输出端连接所述控制单元；

所述控制单元的第一输出端连接所述波束形成模块，每个所述第一模拟移相器的输入端还共同连接所述控制单元的第二输出端。

优选的，所述波束形成模块包括多个第二模拟移相器和一个第二功分器；

每个所述第一功分器的第二端分别连接一个所述第二模拟移相器，每个所述第二模拟移相器共同连接所述第二功分器；

每个所述第二模拟移相器还连接所述控制单元的第一输出端。

另一方面，本发明还提供一种基于上述分立式车载天线系统的信号传输方法，该方法包括：

步骤S110：将来自所述相控天线阵列的天线单元的单路下行信号分成两路，分别为第一下行信号和第二下行信号；

步骤S120：计算所述第一下行信号的最优方位角；

步骤S130：根据所述最优方位角，调整所述第二下行信号和所述上行信号的发送方位，使所述第二下行信号和所述上行信号均指向所述第一下行信号的来波方向。

优选的，计算所述第一下行信号的最优方位角包括：

经第一功分器分离的第一下行信号为：

r_m(θ)＝a_m(θ)s+n，

其中，m表示第m个天线单元，m＝(1,2,...,M)，M表示天线单元的总个数，θ表示第一下行信号的来波方位角，s表示窄带信号，n表示加性高斯噪声，a_m(θ)表示第m个天线单元的阵列流形向量；

第一模拟移相器需要搜索的空域方位角为θ₀，则经合路器合成后的信号为：

其中j表示虚数单位；

则最优方位角为：

优选的，第二模拟移相器根据最优方位角调整第二下行信号的方位角，经第二功分器合路后输出信号为：

第二模拟移相器根据最优方位角调整上行信号的方位角，经第二功分器分路后，各路输出信号为：

本发明有益效果：能够自动测量基站下行信号的来波方向，并根据来波方向信息调整车载相控天线阵的波束指向，使天线阵波束能够实时对准基站天线，从而达到压缩多普勒扩展和改善车-地无线链路信噪比的效果。同时，该系统具有分立式结构，能够与现有车载通信设备兼容，在不改变现有车载通信设备的条件下，可实现波束对基站信号的自动跟踪。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的分立式车载天线系统的原理框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

需要说明的是，在本发明所述的实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通，或两个元件的相互作用关系，除非具有明确的限定。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供了一种分立式车载天线系统，该系统包括：

信号分离模块，用于将来自相控天线阵列的天线单元的单路下行信号分成两路，分别为第一下行信号和第二下行信号；

所述信号分离模块还用于接收波束形成模块发送来的上行信号，并将所述上行信号发送给所述天线单元；

波束扫描模块，用于接收所述第一下行信号，并计算所述第一下行信号的最优方位角；

波束形成模块，用于根据所述最优方位角，调整所述第二下行信号和所述上行信号的发送方位，使所述第二下行信号和所述上行信号均指向所述第一下行信号的来波方向。

所述信号分离模块包括多个第一功分器和多个滤波器，每个所述第一功分器与所述相控天线阵列的一个天线单元相对应；

所述第一功分器的第一端接收所述单路下行信号，所述第一功分器的第二端输出所述第二下行信号至所述波束形成模块；

所述第一功分器的第二端还接收所述上行信号；

每个所述第一功分器的第三端均连接一个所述滤波器；

所述第一功分器的第三端输出所述第一下行信号经所述滤波器后至所述波束扫描模块。

所述波束扫描模块包括多个第一模拟移相器、一个合路器及控制单元；每个所述滤波器的输出端分别连接一个所述第一模拟移相器的输入端；

所述控制单元用于提供所述第一模拟移相器需要搜索的空域方位角，并计算所述最优方位角；

每个所述第一模拟移相器的输出端分别连接所述合路器的一个输入端，所述合路器的输出端连接所述控制单元；

所述控制单元的第一输出端连接所述波束形成模块，每个所述第一模拟移相器的输入端还共同连接所述控制单元的第二输出端。

所述波束形成模块包括多个第二模拟移相器和一个第二功分器；

每个所述第一功分器的第二端分别连接一个所述第二模拟移相器，每个所述第二模拟移相器共同连接所述第二功分器；

每个所述第二模拟移相器还连接所述控制单元的第一输出端。

利用上述分立式车载天线系统进行信号传输时，包括：

步骤S110：将来自所述相控天线阵列的天线单元的单路下行信号分成两路，分别为第一下行信号和第二下行信号；

步骤S120：计算所述第一下行信号的最优方位角；

步骤S130：根据所述最优方位角，调整所述第二下行信号和所述上行信号的发送方位，使所述第二下行信号和所述上行信号均指向所述第一下行信号的来波方向。

具体的，本发明实施例所述的分立式车载天线系统在具体使用时：

信号分离模块负责将单路下行信号分成两路，其中一路为接收信号，送入波束扫描模块用于估计基站下行信号(第一下行信号和第二下行信号都是从天线处分离出来的，所以这两个下行信号具有相同的来波方向)的来波方向；另外一路为收发共存信号，与波束形成模块相连，实现在特定波束方向上发送和接收信号的功能。

信号分离模块由功率分配器(或定向耦合器)和滤波器构成。第一端口与第二端口之间为下行、上行信号的双向传输，而第一端口与第三端口之间则只有从天线进入的第一下行信号的传输。对于理想的功分器(或定向耦合器)，第二端口与第三端口之间具有无限大的隔离度，然而，实际当中，由于隔离度有限，会导致较大的本地发射信号经第二端口耦合至第三端口，导致波束扫描模块中无法接收到下行信号。因此，需要在第三端口输出位置处加装下行信号滤波器，以滤除从第二端口耦合至第三端口的大功率上行信号。

波束扫描模块负责从接收到的基站下行信号中实时估计出来波信号方位角。通过一组模拟移相器实现，假设共同M根天线，基站下行信号的来波方位角为θ，那么第m根天线上的接收信号可以表示为

r_m(θ)＝a_m(θ)s+n

其中s表示发送的窄带信号，n表示加性高斯噪声，a_m(θ₀)表示阵列流形向量的第m个元素，对于半波长线性天线阵列，a_m(θ₀)＝e^-jπsinθm。假设相控阵列系统需要搜索的空域方位角为θ₀，控制电路给出若干个θ₀，从其中选取使F(θ₀)最大的θ₀，并将其做出最优方位角估计值那么波束扫描模块中经合路器合成后的信号可以表示为：

通过求解下式，即可找出最优方位角估计值

由于波束扫描模块采用控制单元实现，所以上面的求最大值过程可以通过时分方式实现，即每次扫描一个给定方向的强度，然后，从所有扫描方向上选出最强的一个作为来波方向估值结果。

波束扫描模块获得来波方向估计值后，将估值结果送给波束形成模块，可以实现在特定来波方向上进行下行信号(即第二下行信号)接收和上行信号发送。

波束形成模块利用波束扫描模块估计得到的最优方位角调整接收波束和发送波束指向，使接收波束和发送波束同时指向基站下行信号的来波方向。

对于第二下行信号，经第二功分器合路后输出信号可以表示为：

它表示当前接收波束指向方位角为的方向，由于该方向与基站下行信号的来波方向相同，所以可以获得较大的增益。

对于上行信号，经第二功分器分路后输出的第m个支路上的信号可以表示为：

它表示从各个天线发射的信号，在空中合成后将在方向具有最强增益，从而可以提高基站一侧的接收信噪比。

综上所述，本发明实施例所述的分立式车载天线系统能够自动测量基站下行信号的来波方向，并根据来波方向信息调整车载相控天线阵的波束指向，使天线阵波束能够实时对准基站天线，从而达到压缩多普勒扩展和改善车-地无线链路信噪比的效果。同时，该系统具有分立式结构，能够与现有车载通信设备兼容，在不改变现有车载通信设备的条件下，用智能天线系统替换现有的天线系统，即可实现波束对基站信号的自动跟踪。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种分立式车载天线系统，其特征在于，包括：信号分离模块、波束扫描模块及波束形成模块；

所述信号分离模块，用于将来自相控天线阵列的天线单元的单路下行信号分成两路，分别为第一下行信号和第二下行信号；

所述信号分离模块还用于接收波束形成模块发送来的上行信号，并将所述上行信号发送给所述天线单元；

所述波束扫描模块，用于接收所述第一下行信号，并计算所述第一下行信号的最优方位角；

所述波束形成模块，用于根据所述最优方位角，调整所述第二下行信号和所述上行信号的发送方位，使所述第二下行信号和所述上行信号均指向所述第一下行信号的来波方向。

2.根据权利要求1所述的分立式车载天线系统，其特征在于，

所述信号分离模块包括多个第一功分器和多个滤波器，每个所述第一功分器与所述相控天线阵列的一个天线单元相对应；

所述第一功分器的第一端接收所述单路下行信号，所述第一功分器的第二端输出所述第二下行信号至所述波束形成模块；

所述第一功分器的第二端还接收所述上行信号；

每个所述第一功分器的第三端均连接一个所述滤波器；

所述第一功分器的第三端输出所述第一下行信号经所述滤波器后至所述波束扫描模块。

3.根据权利要求2所述的分立式车载天线系统，其特征在于，

所述波束扫描模块包括多个第一模拟移相器、一个合路器及控制单元；每个所述滤波器的输出端分别连接一个所述第一模拟移相器的输入端；

所述控制单元用于提供所述第一模拟移相器需要搜索的空域方位角，并计算所述最优方位角；

每个所述第一模拟移相器的输出端分别连接所述合路器的一个输入端，所述合路器的输出端连接所述控制单元；

所述控制单元的第一输出端连接所述波束形成模块，每个所述第一模拟移相器的输入端还共同连接所述控制单元的第二输出端。

4.根据权利要求3所述的分立式车载天线系统，其特征在于，

所述波束形成模块包括多个第二模拟移相器和一个第二功分器；

每个所述第一功分器的第二端分别连接一个所述第二模拟移相器，每个所述第二模拟移相器共同连接所述第二功分器；

每个所述第二模拟移相器还连接所述控制单元的第一输出端。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的分立式车载天线系统的信号传输方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S110：将来自所述相控天线阵列的天线单元的单路下行信号分成两路，分别为第一下行信号和第二下行信号；

步骤S120：计算所述第一下行信号的最优方位角；

步骤S130：根据所述最优方位角，调整所述第二下行信号和所述上行信号的发送方位，使所述第二下行信号和所述上行信号均指向所述第一下行信号的来波方向。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

计算所述第一下行信号的最优方位角包括：

经第一功分器分离的第一下行信号为：

r_m(θ)＝a_m(θ)s+n，

其中，m表示第m个天线单元，m＝(1,2,...,M)，M表示天线单元的总个数，θ表示第一下行信号的来波方位角，s表示窄带信号，n表示加性高斯噪声，a_m(θ)表示第m个天线单元的阵列流形向量；

第一模拟移相器需要搜索的空域方位角为θ₀，则经合路器合成后的信号为：

其中j表示虚数单位；

则最优方位角为：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S130具体包括：

第二模拟移相器根据最优方位角调整第二下行信号的方位角，经第二功分器合路后输出信号为：

第二模拟移相器根据最优方位角调整上行信号的方位角，经第二功分器分路后，各路输出信号为：