CN111586701B - 闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统及组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统及组网方法。包括指控台、交换器、若干基站和漏泄同轴电缆，指控台通过以太网连接交换器，交换器通过同轴电缆连接若干基站，若干基站与漏泄同轴电缆连接，漏泄同轴电缆沿运动节点的轨迹环绕铺设，使得每个基站均覆盖一组运动节点。本发明提供的组网系统和组网方法，通过采用定向漏泄同轴电缆的空中接口方案和无线通信组网的接入组网方案，采用简单的组网系统在保证无线节点均满足基站的信号覆盖需求的情况下，获得宽幅通信频段、良好的系统兼容性以及超大容量的宽带组网的有益效果。

Description

闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统及组网方法

技术领域

本发明涉及无线通信传输技术领域，特别涉及闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统和组网方法。

背景技术

传统基站天线在工作环境为金属密闭空间且存在大量金属支架时，会造成信号的遮挡、反射、散射等现象，影响无线信号的传输，因此，传统基站天线不能形成有效可靠的覆盖。密闭空间无线组网技术主要存在两大难点：第一，如何在大量金属架的环境下实现无线信号的良好覆盖；第二，如何实现大容量高速率可靠的数据传输。针对第一个问题设计基于泄漏电缆的空中接口；针对第二个问题的设计无线通信组网的物理层和MAC层方案。

无线传输的工作频段受限于以下几个因素：1)无线宽带传输带宽较宽，需要较高的传输频率；2)漏泄同轴电缆工作频率有限；3)需要其它射频系统的工作频率，避开其工作频点和谐波频点。

目前，泄露电缆的频段覆盖被广泛应用于地铁、隧道和矿井等信号难以到达的闭域空间或半闭域空间。泄露同轴电缆是将信号发射与接收融为一体的高频传输线缆，它是遵循特定的电磁场理论，沿着同轴电缆的外部导体周期性或非周期性配置开槽口而形成的。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。泄漏电缆兼有馈线传输和收、发天线的双重功能。漏缆的这种特殊结构使其具有信号覆盖均匀、衰减较小、耦合系数较高等特点，与一般的分布式的点源天线比较，有以下几个优点：

(1)信号分布均匀，可减小信号阴影及遮挡。泄漏电缆在每一点都有信号反射，可以实现整个闭域空间内的接收信号强度均匀缓变。而点源天线在靠近天线的地方强度较大，而远离天线强度下降很快。仿真结果显示，采用一般的点源天线会导致用户接收信号幅度的变化极大，存在热点区域和盲点区域，影响接收效果。

(2)信号波动范围减少，采用泄漏电缆与采用其它的天线系统相比，信号随距离的变化程度会减小。

(3)漏缆耦合损耗较大，辐射的低功率信号，对周围使用同频率的设备干扰比较小，从而可以充分实现频率复用。

有鉴于此，有必要提供一种系统结构简单且满足基站的信号覆盖需求的闭域空间分布式大容量无线宽带组网方法，以实现在特定环境下保证无线信号的良好覆盖。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统和组网方法，通过采用定向泄漏电缆的空中接口方案和无线通信组网的接入方案和组网方案，采用简单的组网系统在保证无线节点均满足基站的信号覆盖需求的情况下，获得宽幅通信频段和良好的系统兼容性。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统，包括指控台、交换器、若干基站和漏泄同轴电缆；

所述指控台通过以太网连接所述交换器，所述交换器通过同轴电缆连接若干所述基站，若干所述基站与所述漏泄同轴电缆连接，所述漏泄同轴电缆沿运动节点的轨迹环绕铺设，使得每个所述基站均覆盖一组运动节点。

作为本发明的进一步限定，所述漏泄同轴电缆包括由内向外依次设置的内导体、绝缘介质层、外导体和外护套层，所述外导体的表面按照预设间距设置有若干贯穿的槽孔，所述槽孔为垂直型、倾斜型、单八字开槽型中的一种或多种的组合。

作为本发明的进一步限定，所述组网系统还包括设置于运动节点区域的接收端，所述接收端发出的数据信号以电磁波的方式馈进所述漏泄同轴电缆，并且通过所述基站传输到所述指控台，实现所述指控台和所述接收端的双向通信。

作为本发明的进一步限定，所述基站上设置有功率放大器，所述基站接收所述指控台的数据信号后经所述功率放大器放大后传输至所述漏泄同轴电缆。

作为本发明的进一步限定，所述漏泄同轴电缆上设置有功率放大器，对上述漏泄同轴电缆传输的数据信号进行放大处理；

所述基站接收上述经过功率放大器放大的数据信号，并将该数据信号通过所述基站传输给所述指控台。

同时，本发明还提供了一种闭域空间分布式大容量无线宽带组网方法，包括以下步骤：

S1：闭域空间划分：将闭域空间分隔为若干小空间，将所述小空间内的若干通信节点组成通信小区；

S2：组网系统布置：将所述指控台通过交换器和各个所述基站连接，在若干所述通信小区内分别敷设漏泄同轴电缆，所述漏泄同轴电缆环绕所述通信小区布置，实现基站与漏泄同轴电缆间的有线通信以及接收端与漏泄同轴电缆间的无线通信；

S3：无线宽带组网：将所述指控台的数据信号通过所述交换器调制到指定的载频上，形成载频信号送入所述基站，所述基站将下行信号送入所述漏泄同轴电缆，再送入接收端；同时，所述漏泄同轴电缆将所述接收端的上行信号送入所述基站，所述基站将上行信号通过所述交换器送入所述指控台。

作为本发明的进一步限定，在步骤S3中，所述基站的媒体接入控制层采用FDMA频分复用机制，且上行链路和下线链路工作在不同的频段。

作为本发明的进一步限定，所述下行链路采用广播形式，所有节点均接收基带发送的IP包，根据IP包内的地址标识判断是否接收该包；所述上行链路中网络内的10个节点采用TDMA时分多址机制共享信道，每个节点在其分配的固定时隙内传输。

作为本发明的进一步限定，所述基站的物理层中下行链路采用时分多路复用方式，在数据报文中标记目的接收节点，所述下行链路采用OFDM调制和Turbo编码，通讯阶段被划分为12个时隙，前面11个时隙被分配给11个OFDM数据帧，最后一个时隙为用于频谱感知、子网切换的静默时隙。

作为本发明的进一步限定，在步骤S3中，所述基站的物理层中上行链路采用采用OFDM调制和Turbo编码，通讯阶段被划分为11个时隙，前面10个时隙被分配给10个业务时隙，最后一个时隙为干扰感知时隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明针对密闭空间设计的空中接口泄露电缆方案，结合系统密闭空间的应用环境，先将闭域空间分隔为若干小空间，并将小空间内的若干通信节点组成通信小区，然后将漏泄同轴电缆环绕通信小区的运动节点布置，能够有效避免通信节点之间互相遮挡信号，保证无线节点均满足基站的信号覆盖，特别是能够有效克服金属密闭空间环境针对无线电信号的影响。

2、现有技术中的传统无源天馈分布方案的优点是成本低、无源器件，故障率低、安装方便、无噪声累积、宽频带；缺点是系统设计较为复杂；但是，本发明采用空中接口的泄露电缆方案使得在密闭空间中依然能够获得分布均匀的场强，且可控性高、频段宽，多系统兼容性好。

3、本发明设计无线通信宽带组网的接入方案和组网方案，包括链路层接入方案、下行系统帧结构和上行系统时隙分配方案，实现了超大容量的宽带组网要求，降低了系统实现复杂度。

附图说明

图1为本发明的闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统的网络拓扑结构图；

图2为本发明的漏泄同轴电缆的结构设计图；

图3为本发明的漏泄同轴电缆环绕节点的布置示意图；

图4为本发明的无线宽带组网采用的链路层的示意图；

图5为本发明的无线宽带组网的下行系统帧结构示意图；

图6为本发明的无线宽带组网的上行系统时隙分配示意图。

附图标记说明：1、内导体；2、绝缘介质层；3、外导体；4、槽孔；5、外护套层；6、电磁波辐射方向。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

如图1至3所示，本发明提供了一种闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统，包括指控台、交换器、若干基站和漏泄同轴电缆；

所述指控台通过以太网连接所述交换器，所述交换器通过同轴电缆连接若干所述基站，若干所述基站与所述漏泄同轴电缆连接，所述漏泄同轴电缆沿运动节点的轨迹环绕铺设，使得每个所述基站均覆盖一组运动节点。

具体如图2所示，所述漏泄同轴电缆包括由内向外依次设置的内导体1、绝缘介质层2、外导体3和外护套层5，所述外导体的表面按照预设间距设置有若干贯穿的槽孔4。

在具体应用时，上述槽孔4为垂直型、倾斜型、单八字开槽型中的一种或多种的组合。

实施例2

由于电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。泄漏电缆兼有馈线传输和收、发天线的双重功能。

因此，本实施例相对于实施例1的区别主要在于系统中加入接收端以实现指控台和接收端的双向数据传输。

具体的，实施例2的闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统，包括指控台、交换器、若干基站、漏泄同轴电缆和设置于运动节点区域的接收端；

所述指控台通过以太网连接所述交换器，所述交换器通过同轴电缆连接若干所述基站，若干所述基站与所述漏泄同轴电缆连接，所述漏泄同轴电缆沿运动节点的轨迹环绕铺设，使得每个所述基站均覆盖一组运动节点；

所述接收端发出的数据信号以电磁波的方式馈进所述漏泄同轴电缆，并且通过所述基站传输到所述指控台，实现所述指控台和所述接收端的双向通信。

实施例3

虽然，漏泄同轴电缆系统的优点在于能够保证信号连续、均匀的覆盖，且合理选择漏缆品种能支持宽频多系统覆盖。但是，漏泄同轴电缆主要缺点为覆盖范围较小和损耗较大；覆盖范围为10米以内，当需要考虑损耗问题可以在基站加入功率放大器。

因此，本实施例相对于实施例2的区别主要在于在基站或者漏泄同轴电缆上设置功率放大器以获取更大的适用场景。

具体的，实施例2的闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统，包括指控台、交换器、若干基站、漏泄同轴电缆和设置于运动节点区域的接收端；

所述指控台通过以太网连接所述交换器，所述交换器通过同轴电缆连接若干所述基站，若干所述基站与所述漏泄同轴电缆连接，所述漏泄同轴电缆沿运动节点的轨迹环绕铺设，使得每个所述基站均覆盖一组运动节点；

所述接收端发出的数据信号以电磁波的方式馈进所述漏泄同轴电缆，并且通过所述基站传输到所述指控台，实现所述指控台和所述接收端的双向通信；

所述基站上设置有功率放大器，所述基站接收所述指控台的数据信号后经所述功率放大器放大后传输至所述漏泄同轴电缆；

所述漏泄同轴电缆上设置有功率放大器，对上述漏泄同轴电缆传输的数据信号进行放大处理；所述基站接收上述经过功率放大器放大的数据信号，并将该数据信号通过所述基站传输给所述指控台。

此外，本发明还提供了一种闭域空间分布式大容量无线宽带组网方法，包括以下步骤：

S1：闭域空间划分：将闭域空间分隔为若干小空间，将所述小空间内的若干通信节点组成通信小区；

S2：组网系统布置：将所述指控台通过交换器和各个所述基站连接，在若干所述通信小区内分别敷设漏泄同轴电缆，所述漏泄同轴电缆环绕所述通信小区布置，实现基站与漏泄同轴电缆间的有线通信以及接收端与漏泄同轴电缆间的无线通信；

S3：无线宽带组网:将所述指控台的数据信号通过所述交换器调制到指定的载频上，形成载频信号送入所述基站，所述基站将下行信号送入所述漏泄同轴电缆，再送入接收端；同时，所述漏泄同轴电缆将所述接收端的上行信号送入所述基站，所述基站将上行信号通过所述交换器送入所述指控台。

在步骤S3中，所述基站的媒体接入控制层采用FDMA频分复用机制，且上行链路和下线链路工作在不同的频段。

本发明中媒体接入控制(MAC，Medium Access Control)层主要作用是通过复用的形式实现信道在网络内各个节点间无冲突共享。为了提高传输效率，采用频分多址方式(FDMA)的双工结构，如图4所示。

本发明中媒体接入控制层的下行链路采用广播形式，所有节点均接收基带发送的IP包，根据IP包内的地址标识判断是否接收该包；所述上行链路中网络内的10个节点采用TDMA时分多址机制共享信道，每个节点在其分配的固定时隙内传输。

本发明中基站的物理层中下行信道采用BPSK、QPSK和16QAM多种调制方式，根据调制方式不同，下行信道带宽可配置为10.8MHz、5.4MHz、3.6MHz。

如图5所示，下行链路采用时分多路复用方式，在数据报文中标记目的接收节点，所述下行链路采用OFDM调制和Turbo编码，通讯阶段被划分为12个时隙，前面11个时隙被分配给11个OFDM数据帧，最后一个时隙为用于频谱感知、子网切换的静默时隙。

以帧周期为10ms为例，OFDM数据帧时长0.9ms，静默时隙时长为0.1ms测试数据显示总速率为22.78Mbps，单用户可获得传输速率约0.10Mbps，突发用户可获得约21.8Mbps。

如图6所示，本发明中基站的物理层中上行信道采用BPSK、QPSK和16QAM多种调制方式，根据调制方式不同，上行信道带宽可配置为10.8MHz、5.4MHz、3.6MHz。

上行链路采用采用OFDM调制和Turbo编码，通讯阶段被划分为11个时隙，前面10个时隙被分配给10个业务时隙，最后一个时隙为干扰感知时隙。

以帧周期为10ms为例，业务时隙时长0.99ms，干扰感知时隙时长为0.1ms。

采用上述的链接层设计方法，在每个上行时隙都有AGC时段，使得作用距离不同时，动态范围较大的信号可获得较好性能；同时，循环前缀设计保护时间还可用于不同节点间传输时间保护。在终端接收到中心节点广播信令后，将接收到信令数据的时间作为时隙，故也无需要时间同步。

综上所述，本发明针对密闭空间设计的空中接口的泄露电缆方案，结合系统密闭空间的应用环境，先将闭域空间分隔为若干小空间，并将小空间内的若干通信节点组成通信小区，然后将漏泄同轴电缆环绕通信小区的运动节点布置，不仅能够有效避免通信节点之间互相遮挡信号，保证无线节点均满足基站的信号覆盖，特别是能够有效克服金属密闭空间环境针对无线电信号的影响，还能够在密闭空间中依然获得分布均匀的场强，且系统的可控性高、频段宽，多系统兼容性好；此外，本发明设计的链路层接入方案、下行系统帧结构和上行系统时隙分配方案，不仅能够实现超大容量的宽带组网要求，还能够极大降低系统实现的复杂度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (5)

1.闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统，其特征在于：包括指控台、交换器、若干基站和漏泄同轴电缆；

所述指控台通过以太网连接所述交换器，所述交换器通过同轴电缆连接若干所述基站，若干所述基站与所述漏泄同轴电缆连接，所述漏泄同轴电缆沿运动节点的轨迹三边环绕铺设，使得每个所述基站均覆盖一组运动节点；

所述组网系统还包括设置于运动节点区域的接收端，所述接收端发出的数据信号以电磁波的方式馈进所述漏泄同轴电缆，并且通过所述基站传输到所述指控台，实现所述指控台和所述接收端的双向通信；

所述基站上设置有功率放大器，所述基站接收所述指控台的数据信号后经所述功率放大器放大后传输至所述漏泄同轴电缆；

所述漏泄同轴电缆上设置有功率放大器，对上述漏泄同轴电缆传输的数据信号进行放大处理；

所述基站接收上述经过功率放大器放大的数据信号，并将该数据信号通过所述基站传输给所述指控台；

结合系统密闭空间的应用环境，先将闭域空间分隔为若干小空间，并将小空间内的若干通信节点组成通信小区，然后基于三边设计，将漏泄同轴电缆环绕通信小区的运动节点布置，能够有效避免通信节点之间互相遮挡信号，保证无线节点均满足基站的信号覆盖，特别是能够有效克服金属密闭空间环境针对无线电信号的影响；

所述无线通信宽带组网系统的接入方案和组网方案，包括链路层接入方案、下行系统帧结构和上行系统时隙分配方案；链路层接入的控制层采用FDMA频分复用机制，且上行链路和下线链路工作在不同的频段；

所述漏泄同轴电缆包括由内向外依次设置的内导体(1)、绝缘介质层(2)、外导体(3)和外护套层(5)，所述外导体(3)的表面按照预设间距设置有若干贯穿的槽孔(4)，所述槽孔(4)为垂直型、倾斜型、单八字开槽型中的一种或多种的组合。

2.如权利要求1所述的闭域空间分布式大容量无线宽带组网系统的无线宽带组网方法，其特征在于：所述组网方法包括以下步骤：

S1：闭域空间划分：将闭域空间分隔为若干小空间，将所述小空间内的若干通信节点组成通信小区；

S2：组网系统布置：将所述指控台通过交换器和各个所述基站连接，在若干所述通信小区内分别敷设漏泄同轴电缆，所述漏泄同轴电缆环绕所述通信小区布置，实现基站与漏泄同轴电缆间的有线通信以及接收端与漏泄同轴电缆间的无线通信；

S3：无线宽带组网:将所述指控台的数据信号通过所述交换器调制到指定的载频上，形成载频信号送入所述基站，所述基站将下行信号送入所述漏泄同轴电缆，再送入接收端；同时，所述漏泄同轴电缆将所述接收端的上行信号送入所述基站，所述基站将上行信号通过所述交换器送入所述指控台；

在步骤S3中，所述基站的媒体接入控制层采用FDMA频分复用机制，且上行链路和下行链路工作在不同的频段；

所述下行链路采用广播形式，所述基站的物理层中下行链路采用时分多路复用方式，所述基站的物理层中上行链路采用OFDM调制和Turbo编码。

3.根据权利要求2所述的无线宽带组网方法，其特征在于：所述广播形式具体设置为：所有节点均接收基带发送的IP包，根据IP包内的地址标识判断是否接收该包；所述上行链路中网络内的10个节点采用TDMA时分多址机制共享信道，每个节点在其分配的固定时隙内传输。

4.根据权利要求2所述的无线宽带组网方法，其特征在于：在步骤S3中，所述分多路复用方式具体设置为：在数据报文中标记目的接收节点，所述下行链路采用OFDM调制和Turbo编码，通讯阶段被划分为12个时隙，前面11个时隙被分配给11个OFDM数据帧，最后一个时隙为用于频谱感知、子网切换的静默时隙。

5.根据权利要求2所述的无线宽带组网方法，其特征在于：在步骤S3中，所述OFDM调制和Turbo编码具体设置为：通讯阶段被划分为11个时隙，前面10个时隙被分配给10个业务时隙，最后一个时隙为干扰感知时隙。

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