CN113346951A - 一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法和系统，方法包括：获取数据业务信息；根据业务信息进行光/射频无线融合优化；根据优化结果通过自适应算法合理进行业务调度与资源分配。系统包括：数据业务获取模块，用于获取安全类业务和非安全类业务信息；光无线融合模块，用于根据业务信息进行光/射频无线融合优化，获取业务、调度与资源分配信息；光无线模块：通过LiFi系统进行信息传输；射频无线模块：通过射频系统进行信息传输。本发明能够解决真空管道高速飞行列车车地通信中存在的绝对频繁的越区切换和严重的多普勒效应等问题，实现真空管道高速飞行列车安全、高可靠、高速、低时延、无中断、免切换的车地光无线融合通信系统。

Description

一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法和系统
技术领域
本发明属于高速列车车地通信、无线光通信领域，尤其涉及一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法和系统。
背景技术
真空管道高速飞行列车作为下一代高速轨道交通技术，在地上或地下铺设密闭管道，并通过抽取空气令管道内部达到接近真空的低压环境，使磁悬浮列车在真空管道内以低机械摩擦、低气动阻力、低噪声模式全天候超高速(超过1000km/h)运行。真空管道高速飞行列车安全、高效地运行及业务调度离不开车地无线通信技术的支持，然而传统的宽带无线通信技术(LTE、毫米波、EUHT、5G)只能支撑现有轨道交通(速度500km/h以下)的车地通信需求，而不支持时速超过1000km/h的超高速移动场景，因此无法满足真空管道高速飞行列车车地通信需求。
无线光通信(Optical Wireless Communication,OWC)是一种新型无线传输技术，利用光作为信息载体，在空气中进行光信号传输以实现无线通信，可达到传统射频无线通信数百上千倍的速率，且具有低成本、大频带、高安全性等优势。无线光通信多采用强度调制与包络检波，对相位偏移不敏感，因此对多普勒效应不敏感。此外无线光可实现全覆盖、免切换。
发明内容
为了解决真空管道高速飞行列车车地通信中存在的绝对频繁的越区切换和严重的多普勒效应等问题，实现真空管道高速飞行列车车地通信高速、低时延、无中断数据传输。本发明提供一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法和系统。
本发明的一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法，包括以下步骤：
S1：通过地面接入网获取数据业务信息。
S2：根据业务信息进行光/射频无线融合优化，根据系统信道条件及业务需求建立优化目标，并以需要满足的基本条件作为约束，通过松弛算法、拉格朗日乘子算法或博弈论算法对问题进行求解。
S3：根据优化结果通过自适应算法合理进行业务调度与资源分配。
进一步的，数据业务信息包括安全类业务和非安全类业务，其中安全类业务包括列车控制反馈、列车运行状态、运行语音通信和列车安全监控业务；非安全类业务包括语音数据、高清视频、在线办公、互联网和云数据业务。
本发明的一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统，包括：
数据业务获取模块：通过地面接入网获取安全类业务和非安全类业务信息。
光无线融合模块：用于根据业务信息进行光/射频无线融合优化，获取业务、调度与资源分配信息。
光无线收发模块：包括真空管内设置的光收发机和车体顶部设置的光收发机；通过无线光系统(如红外、可见光通信系统等)进行信息传输。
射频无线收发模块：包括真空管内设置的射频天线和车体顶部设置的射频天线；通过射频系统进行信息传输。
进一步的，数据业务获取模块采用光纤进行数据传输，光纤中采用波分复用技术实现系统上下行分离、多频段无线系统分离、多列车无线频段分离。
进一步的，所述无线光系统的下行链路可采用LED或LD作为光源，PD作为接收器，上行链路可采用红外信号发射器和红外信号接收器。
进一步的，射频系统采用法向辐射的漏泄波导进行信号覆盖。
进一步的，地面接入网采用光载无线技术，云端通过光交换来实现光开关的切换。
进一步的，车厢内部也采用无线光和射频无线系统为乘客提供无线接入。
本发明的有益技术效果为：
本发明实现多频段(光、射频)、多制式异构化的光无线一体化融合通信系统，车厢内类似。无线光通信利用常规光载无线(RoF)回传光纤，光辐射通过无源光器件直接辐射或光电转换后有源发光器件辐射。由于单一的通信制式难免发生突发情况，使通信中断，故提出的光无线融合技术为车地低时延无中断通信提供双重保障，且光无线融合技术采用的光无线通信和射频无线通信频段互不影响。通过新兴无线光通信技术与传统光载无线通信技术的深度融合，实现安全、高可靠、高速、低时延、无中断、免切换的车地光无线融合通信系统。
附图说明
图1为本发明的真空管道高速飞行列车光无线融合方法的流程图。
图2为本发明的真空管道高速飞行列车光无线融合系统示意图。
图3为本发明的真空管道高速飞行列车光无线融合系统车地无线网络接入架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法如图1所示，包括以下步骤：
S101：通过地面接入网获取数据业务信息。数据业务信息包括安全类业务和非安全类业务，其中安全类业务包括列车控制反馈、列车运行状态、运行语音通信、列车安全监控等业务，非安全类业务包括语音数据、高清视频、在线办公、互联网、云数据等业务。
S102：根据业务信息进行光/射频无线融合优化，根据系统信道条件及业务需求(系统容量、频谱效率、业务类型等)建立优化目标，并以需要满足的基本条件(总传输功率、系统传输可靠性等)作为约束，通过优化算法对问题进行求解，其中优化算法包括松弛算法、拉格朗日乘子算法、博弈论等。
S103：根据优化结果通过自适应算法合理进行业务调度与资源分配。最常用的自适应算法有迫零算法、最陡下降算法、最小均方误差算法(LMS算法)、递推最小二乘法(RLS算法)以及各种盲均衡算法等。
本发明的一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统如图2所示，包括：
数据业务获取模块S201，用于获取安全类业务和非安全类业务信息；光无线融合模块S202，用于根据业务信息进行光/射频无线融合优化，获取业务、调度与资源分配信息；光/射频无线发射模块S203，用于根据所述业务调度与资源分配分配信息进行发射光/射频无线通信数据；光/射频无线接收模块S204，用于进行接收光/射频无线通信数据。
进一步的，数据业务获取模块采用光纤进行数据传输，光纤中采用波分复用技术实现系统上下行分离、多频段无线系统分离、多列车无线频段分离。
进一步的，无线光系统(如红外、可见光通信系统等)的下行链路可采用LED(Light-emitting Diode，发光二极管)或LD(Laser Diode，激光二极管)作为光源，PD(Photo-Diode，光电二极管)作为接收器，上行链路可采用红外信号发射器和红外信号接收器。无线光通信系统多采用强度调制与直接检测，对相位信息不敏感，因此对多普勒效应不敏感。
进一步的，射频系统用法向辐射的漏泄波导进行信号覆盖，遏制多普勒效应。
由于两种通信方式均对多普勒效应不敏感，故能够解决真空管道高速飞行列车车地通信中存在的严重的多普勒效应问题，同时也解决了多普勒扩展等问题。
如图3所示，该真空管道高速飞行列车车地无线网络包括地面接入网、真空管内覆盖网、车内网。真空管内覆盖网在相同光纤子载波下，无线光系统发射相同光信号，形成单频网，确保每列超高速列车的列车接收机至少接收到一个发射机的光信号。真空管内覆盖网将射频天线、无线光系统光收发机布置在管道内，减少管道壁的穿透损耗。
进一步的，地面接入网采用光载无线(Radio over Fiber,RoF)技术，云端通过光交换来实现光开关的切换，打破传输信号与光载波波长之间的对应关系，并将传输信号调制到不同的光载波，实现免切换移动小区与光无线全覆盖，解决了真空管道高速飞行列车车地通信中存在的绝对频繁的越区切换问题。
进一步的，车内网采用车载中继的两跳结构，克服车厢穿透损耗，且车厢内部也采用光无线融合系统，即同时采用无线光系统和射频无线系统为乘客提供无线接入，实现高可靠低时延的通信服务。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，该技术不仅适用真空管道高速飞行列车，也适用于普通铁路、高速铁路、客运专线、地铁、磁悬浮列车等轨道交通领域的隧道等场景；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 (8)

1.一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过地面接入网获取数据业务信息；
S2：根据业务信息进行光/射频无线融合优化，根据系统信道条件及业务需求建立优化目标，并以需要满足的基本条件作为约束，通过松弛算法、拉格朗日乘子算法或博弈论算法对问题进行求解；
S3：根据优化结果通过自适应算法合理进行业务调度与资源分配。
2.根据权利要求1所述的一种真空管道高速飞行列车光无线融合方法，其特征在于，所述数据业务信息包括安全类业务和非安全类业务，其中安全类业务包括列车控制反馈、列车运行状态、运行语音通信和列车安全监控业务；非安全类业务包括语音数据、高清视频、在线办公、互联网和云数据业务。
3.一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统，其特征在于，包括：
数据业务获取模块：通过地面接入网获取安全类业务和非安全类业务信息；
光无线融合模块：用于根据业务信息进行光/射频无线融合优化，获取业务、调度与资源分配信息；
光无线收发模块：包括真空管内设置的光收发机和车体顶部设置的光收发机；通过无线光系统进行信息传输；
射频无线收发模块：包括真空管内设置的射频天线和车体顶部设置的射频天线；通过射频系统进行信息传输。
4.根据权利要求3所述的一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统，其特征在于，所述数据业务获取模块采用光纤进行数据传输，光纤中采用波分复用技术实现系统上下行分离、多频段无线系统分离、多列车无线频段分离。
5.根据权利要求3所述的一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统，其特征在于，所述无线光系统的下行链路采用LED或LD作为光源，PD作为接收器，上行链路采用红外信号发射器和红外信号接收器。
6.根据权利要求3所述的一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统，其特征在于，所述射频系统用法向辐射的漏泄波导进行信号覆盖。
7.根据权利要求3所述的一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统，其特征在于，所述地面接入网采用光载无线技术，云端通过光交换来实现光开关的切换。
8.根据权利要求3所述的一种真空管道高速飞行列车光无线融合系统，其特征在于，车厢内部也采用光无线融合系统为乘客提供无线接入。
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