CN113301528B - 一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统 - Google Patents

一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统 Download PDF

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一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统，包括三个通信模块：第一通信模块用于列车内部之间的信息交互，包括车载中继站、无线接入点、车载天线、用户终端，组成第一局域网，车载中继站作为该局域网网关，将用户信息汇集于车载中继站上；第二通信模块用于超高速磁悬浮列车与地面控制中心间的信息交互，包括车载中继站、中心控制站、宏站、天线单元，构成第二局域网，宏站是网关；第三通信模块用于地面控制中心与公共交换电信网络间的信息交互，包括宏站和公共交换电信网络；宏站将所管理的各个中心控制站的信息与公共交换电信网络进行数据交换；所述数据交换过程包括将第二局域网的数据发送至广域网以及接收来自广域网的数据。

Description

一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统
技术领域
本发明涉及磁浮车地通信领域，特别是超高速磁悬浮列车的车地无线通信。
背景技术
超高速磁悬浮列车采用“磁悬浮+低真空管道”，利用低真空环境和超声速外形减小空气阻力，通过磁悬浮方式减小摩擦阻力，实现超音速的“近地飞行”，最高理论运行速度可达4000km/h。本发明所述超高速磁悬浮列车是指速度1000km/h以上的列车。
以往高铁隧道通信的覆盖以铺设漏泄电缆或波导为主，但是漏泄电缆或波导依旧具有局限性。由于超高速磁悬浮列车运行在低真空管道内，管道和超高速磁悬浮列车采用全封闭车厢结构，管道和车厢体为不锈钢或铝合金等金属材料，车窗玻璃为较厚的玻璃材料，导致以往漏泄电缆的电磁波在管道和超高速磁悬浮列车内的穿透损耗增大。并且通信频段越高，无线信号在自由空间传播的衰减就越大，带来的弊端是小区覆盖更小，成百上千用户的频繁切换问题难以解决。
超高速磁悬浮列车在低真空管道内超高速运行时，管内的空气介质受到超高速磁悬浮列车的影响形成具有速度的气流，并受到一定的挤压。由于该部分气流具有一定的粘性，从而与管道内壁和超高速磁悬浮列车车体表面发生剧烈的粘性摩擦，产生大量的气动热，这部分空气介质不能及时、快速的沿超高速磁悬浮列车车体流动散开，从而形成一定的绕流。在这种情况下，超高速磁悬浮列车所受到的气动阻力增大，摩擦生热增多。由于管道是密闭的，摩擦产生的热量不能有效的消散，导致管道内的热量越聚越多，内部温度持续升高，影响超高速磁悬浮列车系统车地通信系统的正常工作。
发明内容
为了解决电磁波穿透超高速磁悬浮列车的全封闭厢体以及自由空间传播的损耗；超高速磁悬浮列车高速行驶导致管道内的热量越聚越多，内部温度持续升高，影响超高速磁悬浮列车车地通信系统的正常工作的问题，本发明提出了一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统及方法。
一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统，包括三个通信模块：
第一通信模块用于列车内部之间的信息交互，包括车载中继站、无线接入点、车载天线、用户终端，组成列车内部的第一局域网(LAN1)，车载中继站作为该局域网网关，将用户信息汇集于车载中继站上；车载中继站与无线接入点均放置在列车车厢内部，车载天线放置在车厢内顶部，信号通过透波天窗实现接收与发射；车载中继站通过光纤与车载天线连接；用户终端为车厢中每一个人的手持终端，有其自身的IP地址；每一节车厢配置若干个无线接入点，每个无线接入点间通过光纤相连；用户终端通过网络协议与车厢中的无线接入点进行通信，以IP数据包的形式传递信息；
第二通信模块用于超高速磁悬浮列车与地面控制中心间的信息交互，包括车载中继站、中心控制站、宏站、天线单元，构成超高速磁悬浮列车与地面控制中心间信息交互的(LAN2)，宏站是(LAN2)的网关；天线单元放置于真空管道管壁内顶部，并用隔热透波材料制成保护罩；宏站位于地面控制中心，宏站与所有中心控制站通过光缆相连，以数字基带信号的形式进行远距离传输；中心控制站位于真空管道外部，中心控制站间通过光缆连接；
第三通信模块用于地面控制中心与公共交换电信网络间的信息交互，包括宏站和公共交换电信网络；宏站将所管理的各个中心控制站的信息通过光纤与公共交换电信网络进行数据交换；所述数据交换过程包括将第二局域网(LAN2)的数据发送至广域网以及接收来自广域网的数据。
进一步，第一通信模块中所述网络协议包括CDMA、GSM、TCP/IP或UDP。
进一步，所述车载天线包括前天线和后天线，前天线位于车头车厢内顶部，后天线位于车尾车厢内顶部，前天线和后天线均包括两根特定覆盖角度的定向天线，分别是第一前天线、第二前天线和第一后天线、第二后天线；第一前天线与第二前天线、第一后天线与第二后天线指向方向相差180°，用以实现接收方向的分集。
进一步，所述第一前天线通过频分复用的方式，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号，同时以f2或f4的频率向天线单元发送数据；第二前天线只有接收功能，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号；第一后天线通过频分复用的方式，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号，同时以f2或f4的频率向天线单元发送数据；第二后天线只有接收功能，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号。
进一步，安装所述车载天线的车顶部分采用透波材料。
进一步，所述中心控制站每隔若干距离部署一个；天线单元采用分布式架构布置，在一个逻辑小区内分散部署多个天线单元；所述逻辑小区为一个中心控制站所控制的范围。
进一步，所述车载中继站与最近的中心控制站通过车载天线与天线单元保持双向数据传输；中心控制站与车载中继站的上行传输链路和下行传输链路相分开，在不同的光纤中进行信息传输，对于下行场景，中心控制站将基带信号上变频至1.4GHz的中频模拟信号进行传输，通过模数转换器将模拟信号转换成为数字信号，由光载无线通信电光调制器将中频数字信号调制到光载波上，通过光纤传输至天线单元；天线单元接收光信号，将该光信号通过光电探测器解调为中频数字信号，通过数模转换器将数字信号还原为模拟信号，经过上变频将其转换为12.7GHz的射频信号，经功率放大器放大，天线单元通过射频发送至列车的车载天线，从而完成中心控制站到车载中继站的下行信息传输；对于上行的场景，同一中心控制站小区内的多个天线单元共同接收车载天线发送的射频信号，距离列车最近的天线单元接收信号强度最大；天线单元将接收到的射频信号通过低噪放大器进行放大，下变频至1.4GHz，通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，通过电光调制器将中频数字信号调制到光载波上，通过光纤链路传输至光电探测器，光电探测器将光信号解调为中频数字信号，通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号，下变频为基带信号，传输至当前正在使用服务的中心控制站。
进一步，所述超高速磁悬浮列车运行至当前服务的中心控制站与目标中心控制站的覆盖重叠区时，相邻小区使用不同的上下行频率，以保证切换时两个小区的数据互不干扰；超高速磁悬浮列车位于重叠覆盖区时，使用f1或f3的下行频率、f2或f4的上行频率与当前服务的中心控制站通信，使用f3或f1的下行频率、f4或f2的上行频率与目标中心控制站建立连接；当触发切换时，后天线依然保持与当前服务的中心控制站的用户业务数据双向传输，前天线6负责与目标中心控制站进行切换控制类数据的交互；前天线6切换成功后，与目标中心控制站建立链路，传输业务数据，并向目标中心控制站申请后天线的信道资源，目标中心控制站允许接入后，后天线再执行切换，与前天线6一同工作，切换完成后，目标中心控制站成为当前服务的中心控制站，下一个目标中心控制站被激活，上一个当前服务的中心控制站会被关闭；所述当前服务的中心控制站为超高速磁悬浮列车所处逻辑小区所属的中心控制站，目标中心控制站为列车运行前方的下一个逻辑小区所属的中心控制站。
本发明采用“Small Cell+车载中继+无线回程”的技术路线。其中，Small Cell以车厢为单位，提供多种形式灵活接入，包括WiFi、移动；车载中继站连接着车载天线，车载天线置于车厢顶部并采用透波设计，避免了超高速磁悬浮列车厢体的穿透损耗以及发热导致车地通信无法正常使用的问题；车载中继站作为一个单站，进行无线回程，真空管道的管壁天线采用定向天线覆盖，使用分布式架构，极大扩展小区范围，避免频繁切换。
附图说明
图1是本发明车地通信组成框图，
图2是本发明信号交换示意图，
图3是本发明天线安装示意图，
图4是本发明越区通信切换示意图。
具体实施方式
一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统，如图1所示，包括三个通信模块：
第一通信模块用于列车内部之间的信息交互，包括车载中继站、无线接入点、车载天线、用户终端，组成列车内部的第一局域网LAN1，车载中继站作为该局域网网关，将用户信息汇集于车载中继站上；车载中继站与无线接入点均放置在列车车厢内部，车载天线放置在车厢内顶部，信号通过透波天窗实现接收与发射；用户终端为车厢中每一个人的手持终端，有其自身的IP地址；每一节车厢配置若干个无线接入点，每个无线接入点间通过光纤相连；用户终端通过网络协议与车厢中的无线接入点进行通信，以IP数据包的形式传递信息；所述网络协议包括CDMA、GSM、TCP/IP、UDP。车载天线包括前天线6和后天线1，如图3所示，前天线6位于车头车厢顶部，后天线1位于车尾车厢顶部，构成双天线，实现发送和接收的空间分集，前天线6和后天线1均包括两根特定覆盖角度的定向天线，分别是第一前天线5、第二前天线4和第一后天线3、第二后天线2；第一前天线5与第二前天线4、第一后天线3与第二后天线2指向方向相差180°，用以实现接收方向的分集。第一前天线5通过频分复用的方式，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号，同时以f2或f4的频率向天线单元发送数据；第二前天线4只有接收功能，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号；第一后天线3通过频分复用的方式，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号，同时以f2或f4的频率向天线单元发送数据；第二后天线2只有接收功能，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号；车载中继站通过光纤与车厢顶部的前天线6、后天线1进行连接，安装前天线6、后天线1的车顶部分采用透波材料，从而有效避免车厢穿透损耗。
第二通信模块用于超高速磁悬浮列车与地面控制中心间的信息交互，包括车载中继站、中心控制站、宏站、天线单元，构成超高速磁悬浮列车与地面控制中心间信息交互的第二局域网LAN2，宏站是LAN2的网关；在地面安装时，由于超高速磁悬浮列车管壁内与车厢外部空间为高温极端条件，将天线单元放置于真空管道管壁内顶部，并用隔热透波材料制成保护罩，保证不受高温影响，减小信号穿透损耗；宏站位于地面控制中心，与真空管道相距较远，宏站与所有中心控制站通过光缆相连，以数字基带信号的形式进行远距离传输。中心控制站位于真空管道外部，中心控制站间通过光缆连接，每隔若干距离部署一个；天线单元采用分布式架构布置，在一个逻辑小区内分散部署多个天线单元；所述逻辑小区为一个中心控制站控制的范围。超高速磁悬浮列车所处的覆盖小区所属中心控制站为当前服务的中心控制站，列车运行前方的下一个逻辑小区所属中心控制站为目标中心控制站。
第三通信模块用于地面控制中心与公共交换电信网络间的信息交互，包括宏站和公共交换电信网络；宏站将所管理的各个中心控制站的信息通过光纤与公共交换电信网络进行数据交换；所述数据交换过程包括将第二局域网LAN2的数据发送至广域网以及接收来自广域网的数据。
在列车行驶过程中，车载中继站与最近的中心控制站通过车载天线与天线单元保持双向数据传输。中心控制站与车载中继站的上行传输链路和下行传输链路相分开，在不同的光纤中进行信息传输，如图2所示，
对于下行场景，中心控制站将基带信号上变频至1.4GHz的中频模拟信号进行传输，通过模数转换器将模拟信号转换成为数字信号，由光载无线通信电光调制器将中频数字信号调制到光载波上，通过光纤传输至天线单元。天线单元接收光信号，将该光信号通过光电探测器解调为中频数字信号，通过数模转换器将数字信号还原为模拟信号，经过上变频将其转换为12.7GHz的射频信号，经功率放大器放大，天线单元通过射频发送至列车的车载天线，从而完成中心控制站到车载中继站的下行信息传输。
对于上行的场景，同一中心控制站小区内的多个天线单元共同接收车载天线发送的射频信号，距离列车最近的天线单元接收信号强度最大。天线单元将接收到的射频信号通过低噪放大器进行放大，下变频至1.4GHz，通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，通过电光调制器将中频数字信号调制到光载波上，通过光纤链路传输至光电探测器，光电探测器将光信号解调为中频数字信号，通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号，下变频为基带信号，传输至当前正在使用服务的中心控制站。
列车在同一个逻辑小区内移动时，由于同一个中心控制站控制下所有的天线单元发送的数据是相同的，多个天线的发送分集，将载有同一消息的信号经由多个相关性很小的支路传输至车载中继站。
超高速磁悬浮列车运行至当前服务的中心控制站与目标中心控制站的覆盖重叠区时，会触发越区切换，如图4所示，两个小区下行信号的载波频率会互相干扰，对切换不利。因此使用异频切换的方式，即相邻小区使用不同的上下行频率，以保证切换时两个小区的数据互不干扰。超高速磁悬浮列车位于重叠覆盖区时，使用f1或f3的下行频率、f2或f4的上行频率与当前服务的中心控制站通信，使用f3或f1的下行频率、f4或f2的上行频率与目标中心控制站建立连接。
当触发切换时，后天线1依然保持与当前服务的中心控制站的用户业务数据双向传输，而前天线6负责与目标中心控制站进行切换控制类数据的交互。前天线6切换成功后，便与目标中心控制站建立链路，传输业务数据，并向目标中心控制站申请后天线1的信道资源，目标中心控制站允许接入后，后天线1再执行切换，与前天线6一同工作。过程中前后天线先后切换，始终都有链路传输着业务数据，保证越区切换时数据传输不中断。切换完成后，目标中心控制站成为当前服务的中心控制站，下一个目标中心控制站被激活，上一个当前服务的中心控制站会被关闭。
例如，超高速磁悬浮列车所处当前服务的中心控制站与目标中心控制站的覆盖重叠区，此时使用f1的下行频率、f2的上行频率与当前服务的中心控制站通信，使用f3的下行频率、f4的上行频率与目标中心控制站建立连接。
当切换完成后，上一个当前服务的中心控制站关闭，目标中心控制站成为当前服务的中心控制站，下一个目标中心控制站被激活，之后在此小区运行过程中一直使用f3与f4的频率进行通信。直到列车运行至下一个覆盖重叠区时，此时使用f3的下行频率、f4的上行频率与当前服务的中心控制站通信，使用f1的下行频率、f2的上行频率与目标中心控制站建立连接。如此循环使用切换。

Claims (1)

1.一种超高速磁悬浮列车的车地无线通信系统，其特征是包括三个通信模块：
第一通信模块用于列车内部之间的信息交互，包括车载中继站、无线接入点、车载天线、用户终端，组成列车内部的第一局域网LAN1，车载中继站作为该局域网网关，将用户信息汇集于车载中继站上；车载中继站与无线接入点均放置在列车车厢内部，车载天线放置在车厢内顶部，信号通过透波天窗实现接收与发射；车载中继站通过光纤与车载天线连接；用户终端为车厢中每一个人的手持终端，有其自身的IP地址；每一节车厢配置若干个无线接入点，每个无线接入点间通过光纤相连；用户终端通过网络协议与车厢中的无线接入点进行通信，以IP数据包的形式传递信息；
第二通信模块用于超高速磁悬浮列车与地面控制中心间的信息交互，包括车载中继站、中心控制站、宏站、天线单元，构成超高速磁悬浮列车与地面控制中心间信息交互的第二局域网 LAN2，宏站是LAN2的网关；天线单元放置于真空管道管壁内顶部，并用隔热透波材料制成保护罩；宏站位于地面控制中心，宏站与所有中心控制站通过光缆相连，以数字基带信号的形式进行远距离传输；中心控制站位于真空管道外部，中心控制站间通过光缆连接；
第三通信模块用于地面控制中心与公共交换电信网络间的信息交互，包括宏站和公共交换电信网络；宏站将所管理的各个中心控制站的信息通过光纤与公共交换电信网络进行数据交换；所述数据交换过程包括将第二局域网LAN2的数据发送至广域网以及接收来自广域网的数据；
第一通信模块中所述网络协议包括CDMA、GSM、TCP/IP或UDP；
所述车载天线包括前天线(6)和后天线(1)，前天线(6)位于车头车厢内顶部，后天线(1)位于车尾车厢内顶部，前天线(6)和后天线(1)均包括两根特定覆盖角度的定向天线，分别是第一前天线(5)、第二前天线(4)和第一后天线(3)、第二后天线(2)；第一前天线(5)与第二前天线(4)、第一后天线(3)与第二后天线(2)指向方向相差180°，用以实现接收方向的分集；
所述第一前天线(5)通过频分复用的方式，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号，同时以f2或f4的频率向天线单元发送数据；第二前天线(4)只有接收功能，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号；第一后天线(3)通过频分复用的方式，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号，同时以f2或f4的频率向天线单元发送数据；第二后天线(2) 只有接收功能，以f1或f3的频率接收来自附近天线单元的信号；
安装所述车载天线的车顶部分采用透波材料；
所述中心控制站每隔若干距离部署一个；天线单元采用分布式架构布置，在一个逻辑小区内分散部署多个天线单元；所述逻辑小区为一个中心控制站所控制的范围；
所述车载中继站与最近的中心控制站通过车载天线与天线单元保持双向数据传输；中心控制站与车载中继站的上行传输链路和下行传输链路相分开，在不同的光纤中进行信息传输，对于下行场景，中心控制站将基带信号上变频至1.4GHz的中频模拟信号进行传输，通过模数转换器将模拟信号转换成为数字信号，由光载无线通信电光调制器将中频数字信号调制到光载波上，通过光纤传输至天线单元；天线单元接收光信号，将该光信号通过光电探测器解调为中频数字信号，通过数模转换器将数字信号还原为模拟信号，经过上变频将其转换为12.7GHz的射频信号，经功率放大器放大，天线单元通过射频发送至列车的车载天线，从而完成中心控制站到车载中继站的下行信息传输；对于上行的场景，同一中心控制站小区内的多个天线单元共同接收车载天线发送的射频信号，距离列车最近的天线单元接收信号强度最大；天线单元将接收到的射频信号通过低噪放大器进行放大，下变频至1.4GHz，通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，通过电光调制器将中频数字信号调制到光载波上，通过光纤链路传输至光电探测器，光电探测器将光信号解调为中频数字信号，通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号，下变频为基带信号，传输至当前正在使用服务的中心控制站；
所述超高速磁悬浮列车运行至当前服务的中心控制站与目标中心控制站的覆盖重叠区时，相邻小区使用不同的上下行频率，以保证切换时两个小区的数据互不干扰；超高速磁悬浮列车位于重叠覆盖区时，使用f1或f3的下行频率、f2或f4的上行频率与当前服务的中心控制站通信，使用f3或f1的下行频率、f4或f2的上行频率与目标中心控制站建立连接；当触发切换时，后天线(1)依然保持与当前服务的中心控制站的用户业务数据双向传输，前天线(6)负责与目标中心控制站进行切换控制类数据的交互；前天线(6)切换成功后，与目标中心控制站建立链路，传输业务数据，并向目标中心控制站申请后天线(1)的信道资源，目标中心控制站允许接入后，后天线(1)再执行切换，与前天线(6)一同工作，切换完成后，目标中心控制站成为当前服务的中心控制站，下一个目标中心控制站被激活，上一个当前服务的中心控制站会被关闭；所述当前服务的中心控制站为超高速磁悬浮列车所处逻辑小区所属的中心控制站，目标中心控制站为列车运行前方的下一个逻辑小区所属的中心控制站。
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