CN111586635A - 基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统及方法 - Google Patents

基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统及方法，系统包括光载无线通信车载子系统和光载无线地面子系统；它将铁路线路分割为一系列依次相连的离散区间，将列车运行过程中的长距离快变信道分解为一系列短距、非时变信道，然后定点精确均衡和补偿各离散区间对应的短距、非时变信道。在列车运行过程中，按时间间隔ΔT实时更新列车当前位置、速度、方向信息，在信道参数库中相应提取当前位置点对应的信道参数，分别在光载无线车载子系统、地面子系统中同时进行信道均衡和信道补偿，消除或降低高速铁路场景下的影响，形成覆盖全线路的精准信道均衡和补偿的光载无线通信系统，进而在高速列车和地面之间实现宽带、稳定的无线通信。

Description

基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统及方法
技术领域
本发明涉及高速铁路无线通信技术、光载无线通信领域，具体为一种基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统及方法。
背景技术
当前，高速铁路(简称高铁)在全球迅猛发展，已成为支撑国民经济、日常出行的关键产业和全球战略性新兴产业。截至到2020年2月，全球高铁运营里程已达到5.2万公里，其中中国高铁里程超过3.5万公里。高速铁路的迅猛发展给宽带车地通信带来重要需求：一方面，高铁运行、铁路安全监控和设备维护等海量数据和信息需要实时感知、传送、管控等，这是高铁智能化、信息化的基础需求；另一方面，高清视频、虚拟现实/增强现实(VR/AR)等宽带业务已逐渐与人们日常出行和生活密不可分，为旅客提供可靠的宽带无线接入服务刻不容缓，而且高铁也是新一代移动通信系统5G/B5G(第5代、后第5代移动通信)的主干行业场景之一。
然而，高速铁路车地宽带无线通信同时也面临艰巨挑战，因为高速铁路场景对宽带无线通信有着独特瓶颈和限制。首先，列车与地面通信模块之间存在着高速的相对移动性(即高移动性)，比如当前的350~400km/h和未来的500km/h、甚至>500km/h的速度，会导致严重的多普勒频移和多普勒展宽，以及周边环境(对应通信信道)的快速变化。其次，高速铁路场景下大尺寸金属车体、轨道、牵引弓电网、高架桥、桥梁、路堑、隧道、风音屏障等周边环境，会导致大量的无线通信信号反射和散射，无线信道呈快速变化特征，难以用统一的信道模型来预测。
为实现车地宽带无线通信，高载波频率、大带宽信号、高阶调制格式是常用方式，光载无线通信(尤其是光载毫米波、光载太赫兹波)基于光子学本征优势能够全面满足这些需求。然而，无论是宽带光载无线通信系统，还是其它宽带无线通信系统，高载波频率、大带宽信号、高阶调制格式受高移动性、铁路周边环境的影响更大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够克服高速铁路场景下高移动性、铁路周边环境的影响，显著提升车地无线通信的容量、稳定性和可靠性的基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统及方法。技术方案如下：
一种基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统，包括分别设置在列车上和地面的光载无线通信子系统；所述光载无线通信车载子系统和光载无线通信地面子系统都包括当前位置与速度模块、信道参数库、车载信道均衡与补偿模块、光载无线链路和无线双工通信模块；
当前位置与速度模块按照设定的采样周期实时采集列车当前位置点信息、速度信息和方向信息，并将它们输入到信道参数库；
信道参数库将列车当前位置点信息、速度信息和方向信息对应的信道参数集合输入到信道均衡与补偿模块；
信道均衡与补偿模块根据接收到的信道参数集合对经过光载无线链路的宽带信号进行定点信道均衡与补偿，消除高移动性和铁路周边环境的影响；然后输入到无线双工通信模块中，通过无线链路完成列车与地面的无线通信。
进一步的，所述信道参数集合包括：光纤色散、光纤损耗、莱斯K因子、多普勒频移、均方根时延扩展、水平角时延扩展和俯仰角时延扩展。
更进一步的，所述铁路周边环境包括：金属车体、轨道、牵引弓电网、高架桥、桥梁、路堑、隧道、风音屏障。
一种基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统的通信方法，包括以下步骤：
步骤1：将列车出发时的时刻记为T0；
步骤2：在间隔ΔT后的Ti时刻对列车当前位置点信息、运行速度和运行方向信息进行更新；i=1,2,3…；
步骤3：从信道参数库中快速查询并找到当前Ti时刻列车的位置点信息、速度信息和方向信息对应的信道参数集合；
步骤4：基于Ti时刻的信道参数集合对光载无线链路的宽带信号进行信道均衡和补偿；
步骤5：通过车载和地面的无线双工通信模块完成Ti时刻列车位置点的车地宽带无线通信；
步骤6：判断列车是否达到目的地；若无则返回步骤2，进行Ti+1时刻的通信，直到列车到达目的地。
进一步的，构建所述信道参数库时，将铁路线路分割为一系列依次相连的离散区间，对应列车位置点；将列车运行过程中的长距离快变信道分解为一系列与所述离散区间对应的短距、非时变信道。
更进一步的，所述通信方法包括上行模式和下行模式：上行模式为车载子系统向地面子系统发送和传输宽带信号，宽带信号流向为：光载无线车载链路→车载信道均衡与补偿模块→车载无线双工通信模块→无线链路→地面无线双工通信模块→地面信道均衡与补偿模块→光载无线地面链路；下行模式为地面子系统向车载子系统发送和传输宽带信号，宽带信号流向为：地面无线车载链路→地面信道均衡与补偿模块→地面无线双工通信模块→无线链路→车载无线双工通信模块→车载信道均衡与补偿模块→光载无线车载链路。
本发明的有益效果是：本发明以对铁路沿线的信道进行精准均衡和补偿的方法，实施宽带、稳定可靠的面向高速铁路的光载无线通信，能有效克服高速铁路场景下高移动性、铁路周边环境的影响，大幅度提升通信带宽和通信质量，对高速铁路的信息化和职能化具有重要意义。
附图说明
图1为本发明基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统的结构示意图。
图2为本发明基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统，包括光载无线通信车载子系统10和光载无线通信地面子系统20两部分；这里的无线通信频段可以为微波、毫米波、太赫兹波，以及现有和未来的铁路通信频段。在车载子系统10和地面子系统20中都分别配置有相同的列车当前位置模块(101和201)、信道参数库(102和202)。列车当前位置与速度模块(101和201)提供列车当前位置点空间坐标、运行速度和运行方向，并按设定的时间间隔ΔT更新，因此将铁路全线分割为由一系列列车位置点分隔形成的依次相连的短距离散区间。信道参数库(102和202)提供与列车当前位置点对应的信道参数集合(包括光纤信道参数、无线信道参数)，具体包括：光纤色散、光纤损耗、莱斯K因子(Rician K-factor)、多普勒频移、均方根时延扩展、水平角时延扩展、俯仰角时延扩展。在车载子系统10中，当前的位置与速度对应的信道参数集合分别输入到车载信道均衡与补偿模块103中，对经过光载无线车载链路104(含光纤信道)的宽带信号进行处理，消除高移动性、铁路周边环境(大尺寸金属车体、轨道、牵引弓电网、高架桥、桥梁、路堑、隧道、风音屏障)的影响；然后输入到车载无线双工通信模块中，通过无线链路302(含无线信道)与地面无线双工通信模块205进行通信。同样，在地面子系统20中，当前的位置与速度对应的信道参数集合分别输入到地面信道均衡与补偿模块203中，对经过光载无线地面链路204(含光纤信道)的宽带信号进行处理，消除高移动性、铁路周边环境(大尺寸金属车体、轨道、牵引弓电网、高架桥、桥梁、路堑、隧道、风音屏障)的影响；然后输入到地面无线双工通信模块中，通过无线链路302(含无线信道)与车载无线双工通信模块105进行通信。因此，实现精确到铁路沿线各位置点的定点信道均衡与补偿，从而实现宽带、稳定可靠的车地无线通信。
这里的双工无线通信方式分为上行和下行两种模式：上行模式为车载子系统向地面子系统发送和传输宽带信号，下行模式为地面子系统向车载子系统发送和传输宽带信号。上行模式的宽带信号流向为：光载无线车载链路104→车载信道均衡与补偿模块103→车载无线双工通信模块105→无线链路302→地面无线双工通信模块205→地面信道均衡与补偿模块203→光载无线地面链路204。下行模式的宽带信号流向刚好相反，即为：地面无线车载链路204→地面信道均衡与补偿模块203→地面无线双工通信模块205→无线链路302→车载无线双工通信模块105→车载信道均衡与补偿模块103→光载无线车载链路104。
图2给出了本发明的光载无线通信的精确信道均衡与补偿流程。列车出发时计数i=0，对应的时刻为Ti(计数i对应的时间)，即为T0；依据Ti时刻列车的位置点信息(地理坐标、线路坐标)、运行速度和运行方向，在信道参数库(102和202)中快速查询并找到对应信道参数集合(光纤色散、光纤损耗、莱斯K因子(Rician K-factor)、多普勒频移、均方根时延扩展、水平角时延扩展、俯仰角时延扩展)；然后基于Ti时刻的信道参数集合进行信道均衡和补偿，而后通过车载无线双工通信模块105和地面无线双工通信模块205完成Ti时刻列车位置点的车地宽带无线通信。倘若列车没有到达目的地，则按设定的时间间隔ΔT不断更新列车的当前位置信息、运行速度及方向(计数累计为：i→i+1，当前时刻累计为：Ti+Δt→Ti+1)，然后按照上文相同的流程进行信道参数集合查找、信道均衡和补偿、车地宽带双工无线通信，依次不断循环进行，直到列车到达目的地。
在图1和图2所展示的基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信方法中，其实质将铁路线路分割为一系列依次相连的离散区间(由列车位置点分隔而成)，将列车运行过程中的长距离快变信道分解为一系列短距、非时变信道(包含光纤信道和无线信道)，然后定点精确均衡和补偿各离散区间对应的短距、非时变信道，形成覆盖全线路的精准信道均衡和补偿的光载无线通信系统。这里各个位置点(或离散区间)的精确信道事先已经通过测量和建模等方式获取，作为先验知识存储于信道参数库(102和202)。
需指出的是：列车当前位置更新的时间间隔ΔT可取固定值，也可以随铁路周边环境进行动态调整；因此对应铁路沿线依次相连的离散区间的长度可以是均匀的且大多数情况下是均匀的，也可以是非均匀的，主要跟铁路具体的周边环境有关。比如，针对铁路弧度相对较大的区间和有遮挡的区间，其长度就会设置得短一点，也就是位置更新的时间间隔ΔT设置得小一点。
因此，本发明以对铁路沿线的信道进行精准均衡和补偿的方法，实施宽带、稳定可靠的面向高速铁路的光载无线通信，能有有效克服高速铁路场景下高移动性、铁路周边环境的影响，大幅度提升通信带宽和通信质量，对高速铁路的信息化和职能化具有重要意义。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，该方法不仅适用高速铁路，也适用于普通铁路、客运专线、地铁、真空管道交通等轨道交通领域；同时，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统，其特征在于，包括分别设置在列车上的光载无线通信车载子系统和在地面上的光载无线通信地面子系统；所述光载无线通信车载子系统和光载无线通信地面子系统都包括当前位置与速度模块、信道参数库、车载信道均衡与补偿模块、光载无线链路和无线双工通信模块；
当前位置与速度模块按照设定的时间间隔实时采集列车当前位置点信息、速度信息和方向信息，并将它们输入到信道参数库；
信道参数库将列车当前位置点信息、速度信息和方向信息对应的信道参数集合输入到信道均衡与补偿模块；
信道均衡与补偿模块根据接收到的信道参数集合对经过光载无线链路的宽带信号进行定点信道均衡与补偿，消除高移动性和铁路周边环境的影响；然后输入到无线双工通信模块中，通过无线链路完成列车与地面的无线通信。
2.根据权利要求1所述的基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统，其特征在于，所述信道参数集合包括：光纤色散、光纤损耗、莱斯K因子、多普勒频移、均方根时延扩展、水平角时延扩展和俯仰角时延扩展。
3.根据权利要求1所述的基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统，其特征在于，所述铁路周边环境包括：金属车体、轨道、牵引弓电网、高架桥、桥梁、路堑、隧道、风音屏障。
4.一种基于权利要求1所述基于精准信道参数的高速铁路光载无线通信系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将列车出发时的时刻记为T0；
步骤2：在间隔ΔT后的Ti时刻对列车当前位置点信息、运行速度和运行方向信息进行更新；i=1,2,3…；
步骤3：从信道参数库中快速查询并找到当前Ti时刻列车的位置点信息、速度信息和方向信息对应的信道参数集合；
步骤4：基于Ti时刻的信道参数集合对光载无线链路的宽带信号进行信道均衡和补偿；
步骤5：通过车载和地面的无线双工通信模块完成Ti时刻列车位置点的车地宽带无线通信；
步骤6：判断列车是否达到目的地；若无则返回步骤2，进行Ti+1时刻的通信，直到列车到达目的地。
5.根据权利要求4所述的通信方法，其特征在于，构建所述信道参数库时，将铁路线路分割为一系列依次相连的离散区间，对应列车位置点；将列车运行过程中的长距离快变信道分解为一系列与所述离散区间对应的短距、非时变信道。
6.根据权利要求4所述的通信方法，其特征在于，所述通信方法包括上行模式和下行模式：上行模式为车载子系统向地面子系统发送和传输宽带信号，宽带信号流向为：光载无线车载链路（104）→车载信道均衡与补偿模块（103）→车载无线双工通信模块（105）→无线链路（302）→地面无线双工通信模块（205）→地面信道均衡与补偿模块（203）→光载无线地面链路（204）；下行模式为地面子系统向车载子系统发送和传输宽带信号，宽带信号流向为：地面无线车载链路（204）→地面信道均衡与补偿模块（203）→地面无线双工通信模块（205）→无线链路（302）→车载无线双工通信模块（105）→车载信道均衡与补偿模块（103）→光载无线车载链路（104）。
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CN111586635B (zh) 2022-08-19

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