CN113690614A - 车载相控阵天线波束调节方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种车载相控阵天线波束调节方法，包括：在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息；根据该位置信息和当前通信的地面相控阵天线的位置信息，对车载相控阵天线的波束角度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束对准地面相控阵天线；基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束宽度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束的接收功率和接收信噪比最大。应用本申请所提供的技术方案，实现了相控阵天线的实时对准和实时动态的波束形状调节，提高了线路整体覆盖性和通信可靠性。本申请还公开了一种车载相控阵天线波束调节装置、设备及存储介质，具有相应技术效果。

Description

车载相控阵天线波束调节方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种车载相控阵天线波束调节方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

随着科学技术的进步，高速铁路的建设力度越来越大，为人们的出行提供了很多便利。在高速铁路列车运行过程中，车地通信系统发挥着重要作用。

目前，基于38GHz的磁浮车地通信系统使用的是固定波束天线，其组成示意图如图1所示，射频电路的输出信号经波导馈源辐射出高频电磁波，然后通过反射面波束赋形。这种天线具有尺寸大、波束固定、射频通道数少等缺点。而且，因为线路周边的地理环境多样化，线路中长直路段、弯道、坡道、隧道等兼而有之，这种固定波束天线方案容易造成线路整体覆盖差，通信可靠性低，不容易满足当前不同场景的覆盖需求，及列车在高速移动下系统低时延、高可靠性的现代化铁路的发展需要。

发明内容

本申请的目的是提供一种车载相控阵天线波束调节方法、装置、设备及存储介质，以提高线路整体覆盖性，提高通信可靠性。

为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种车载相控阵天线波束调节方法，包括：

在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息，在所述列车行驶方向上，所述预定点在所述目标点的前方；

根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息；

根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束对准所述地面相控阵天线，接收功率最大；

基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大。

在本申请的一种具体实施方式中，所述基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，包括：

基于所述预定点对应的环境数据，确定所述预定点的第一障碍物密集度；

如果所述第一障碍物密集度大于预设的密集阈值，则在所述预定点的环境特征对应的第一关系表中查找与所述第一障碍物密集度对应的第一波束宽度；

基于所述第一波束宽度，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，还包括：

如果所述第一障碍物密集度小于或等于所述密集阈值，则根据所述车载相控阵天线和所述地面相控阵天线间的轨道面数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，所述基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，包括：

基于所述预定点对应的环境数据，确定所述预定点的环境特征及第二障碍物密集度；

在所述预定点的环境特征对应的第二关系表中查找与所述第二障碍物密集度对应的第二波束宽度；

基于所述第二波束宽度，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，通过以下步骤建立每种环境特征对应的关系表：

采集轨道沿线的环境数据；

对采集到的环境数据进行分析，确定每种环境特征对应的障碍物密集度；

针对每种环境特征对应的每个障碍物密集度，在具有该障碍物密集度的位置，通过相控阵天线重复扫描训练，获得不同发射波束宽度下的接收信噪比，将该障碍物密集度与最大接收信噪比的波束宽度的对应关系加入到该环境特征对应的关系表中。

在本申请的一种具体实施方式中，所述根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，包括：

根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，确定在所述预定点所述车载相控阵天线与所述地面相控阵天线之间的直线相对当前波束方向的水平夹角和垂直夹角；

基于所述水平夹角和所述垂直夹角，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，所述目标点包括轨道梁的起始点和/或终止点。

一种车载相控阵天线波束调节装置，包括：

车载相控阵天线位置获取模块，用于在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息，所述预定点在所述目标点的前方；

地面相控阵天线位置确定模块，用于根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息；

波束角度调节模块，用于根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束对准所述地面相控阵天线，接收功率最大；

波束宽度调节模块，用于基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大。

一种车载相控阵天线波束调节设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的车载相控阵天线波束调节方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的车载相控阵天线波束调节方法的步骤。

应用本申请实施例所提供的技术方案，在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取到车载相控阵天线在预定点的位置信息，同时根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息，根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，并基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。实现了车载相控阵天线与地面相控阵天线的实时对准和实时动态的波束形状调节，可以使得特定方向上波束增益最大，同时，通过波束角度和宽度的调节还可以降低信号的多径传输，保证较佳的无线覆盖，提高线路整体覆盖性，提高通信可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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为相关技术中磁浮38GHz天线组成示意图；

图2为本申请实施例中基于毫米波相控阵天线的磁浮车地无线通信系统的架构图；

图3为本申请实施例中毫米波相控阵天线的内部结构示意图；

图4为本申请实施例中一种车载相控阵天线波束调节方法的实施流程图；

图5为本申请实施例中障碍物较为密集场景示意图；

图6为本申请实施例中障碍物较少场景示意图；

图7为本申请实施例中一种车载相控阵天线波束调节装置的结构示意图；

图8为本申请实施例中一种车载相控阵天线波束调节设备的结构示意图。

具体实施方式

在实际列车运行场景中，车地无线通信系统必须无缝覆盖全线所有分区，且需满足系统对传输时延、时延抖动的要求。但是，因为铁路沿线环境复杂，障碍物密集程度各不相同，同时，轨道面的坡度和曲率也随列车运行而变化，相关技术中的固定波束天线不能动态改变波束角度和宽度，在不同场景下的覆盖效果也时好时差，导致传输性能不稳定，影响车地业务的正常交互和列车安全、可靠运行。

本申请的核心是提供一种车载相控阵天线波束调节方法，具体为一种基于位置的车载毫米波相控阵天线波束调节方法。通过对车载相控阵天线波束的水平角度、垂直角度、水平宽度、垂直宽度的调节，实现特定方向上波束增益最大，降低信号的多径传输，提高接收信噪比，保证较好的无线覆盖。

基于毫米波相控阵天线的磁浮车地无线通信系统可以采用图2所示架构。在图2中，地面毫米波相控阵RBS以梳状形式交叉部署在轨旁，受分区无线电控制单元控制。车载毫米波相控阵MBS部署在车头和车尾，受车载无线电控制单元控制。地面毫米波相控阵RBS与车载毫米波相控阵MBS之间通过5G毫米波进行通信。

地面毫米波相控阵RBS与车载毫米波相控阵MBS内部结构相同，主要包括毫米波相控阵天线和基带处理单元，基带处理单元主要实现信号调制解调和与外部的互联，毫米波相控阵天线主要实现毫米波信号接收与发射、波束赋形、信号变频、滤波器、本振频率产生等功能，波束调节功能主要在这部分实现。

图3所示为毫米波相控阵天线的内部结构。毫米波相控阵天线采用双面双向辐射架构。其中，地面毫米波相控阵天线配置成固定的波束指向和波束宽度，由于车载毫米波相控阵MBS的波束宽度要适应不同地形和不同轨道面坡度、曲率的需求，需要对波束进行实时动态调整。如图3所示，数字中频与波束控制单元可以通过控制TR组件阵列和相控阵天线阵列实现多个有源通道的波束指向和波束宽度的调节，实现多个通道上的波束赋形和空间波束合成，完成毫米波信号的定向接收和发射，有助于有效提升所需方向上的接收功率，增加信号覆盖范围。

在本申请实施例中，毫米波相控阵天线内的数字中频与波束控制单元可以采用“FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)+DSP(Digital SignalProcess，数字信号处理)”的软件无线电设计架构，波束指向和宽度通过软件中的波束调节算法自动调节。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图4所示，为本申请实施例所提供的车载相控阵天线波束调节方法的实施流程图，该方法可以包括以下步骤：

S410：在列车运行过程中达到轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息。

其中，在列车行驶方向上，预定点在目标点的前方。

在本申请实施例中，可以预先设定触发本申请实施例技术方案执行的位置点，即轨道梁上的目标点，在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，触发本申请实施例技术方案的执行，对车载相控阵天线的波束进行调节，以使得列车到达预定点时车载相控阵天线的波束角度和波束宽度调节完成，保证相控阵天线波束调节的实时有效，降低可能的误调节，增强系统稳定性。

另外，因为相控阵天线波束调节所需时间一般为毫秒级别，远小于列车行过一根轨道梁所需的时间，且轨道梁为直线段，对于同一个轨道梁而言，其轨道面曲率与坡度不会有大的改变，因此，本申请实施例可以选择在列车开始进入轨道梁时触发波束调节操作，或者，选择在列车到达轨道梁尾部区域时触发波束调节操作。即目标点可以包括轨道梁的起始点和/或终止点。相应的，当目标点为轨道梁的起始点时，预定点即为该轨道梁的尾部区域中的点，当目标点为轨道梁的终止点时，预定点即为该轨道梁首部区域中的点。

在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，可以获取车载相控阵天线在预定点的位置信息。具体的，可以通过定位信息预测车载相控阵天线在预定点的位置信息。

S420：根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息。

在本申请实施例中，通过数据采集或者与通过铁路运营部门，可以获得线路数据。线路数据中可以包括轨道旁部署的地面相控阵天线的位置信息。根据线路数据，可以查询列车当前通信的地面相控阵天线的位置信息。

S430：根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束对准地面相控阵天线，接收功率最大。

在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取到车载相控阵天线在预定点的位置信息，同时根据线路数据，可以确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息，根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，可以对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使得列车到达预定点时车载相控阵天线的波束对准地面相控阵天线，使得列车到达预定点时车载相控阵天线的波束的接收功率最大。

具体的，可以根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，确定在预定点车载相控阵天线与地面相控阵天线之间的直线相对当前波束方向的水平夹角和垂直夹角，再基于水平夹角和垂直夹角，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节。可以使得调节后的车载相控阵天线的波束与在预定点车载相控阵天线和地面相控阵天线之间的直线的水平夹角和垂直夹角尽可能小，保持在设定角度范围内，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束对准地面相控阵天线。当车载相控阵天线的波束对准地面相控阵天线时，其接收功率最大。

S430：基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大。

在本申请实施例中，通过数据采集等方式可以获得轨道周围环境数据。环境数据可以包括轨道信息，如长直轨道、弯道、坡道、隧道等，还可以包括障碍物信息，如障碍物类型、是否密集等。预定点对应的环境数据，可以是预定点到当前通信的地面相控阵天线之间一定范围内的环境数据。

基于预定点对应的环境数据，可以对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，使得列车到达预定点时车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大，使得特定方向上波束增益达到最大。

应用本申请实施例所提供的方法，在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取到车载相控阵天线在预定点的位置信息，同时根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息，根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，并基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。实现了车载相控阵天线与地面相控阵天线的实时对准和实时动态的波束形状调节，可以使得特定方向上波束增益最大，同时，通过波束角度和宽度的调节还可以降低信号的多径传输，保证较佳的无线覆盖，提高线路整体覆盖性，提高通信可靠性。

在本申请的一个实施例中，基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，可以包括以下步骤：

步骤一：基于预定点对应的环境数据，确定预定点的第一障碍物密集度；

步骤二：如果第一障碍物密集度大于预设的密集阈值，则在预定点的环境特征对应的第一关系表中查找与第一障碍物密集度对应的第一波束宽度；

步骤三：基于第一波束宽度，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

为方便描述，将上述三个步骤结合起来进行说明。

在本申请实施例中，通过测试、实地探测等方式可以预先建立每种环境特征对应的关系表，对于每种环境特征而言，该环境特征对应的关系表中可以包括在该环境特征下不同障碍物密集度对应的最大接收信噪比的波束宽度。

可以先获得预定点对应的环境数据，基于预定点对应的环境数据，可以确定预定点的第一障碍物密集度。具体的，可以根据预定点对应的环境数据中障碍物总数量或者单位面积内障碍物数量确定预定点的第一障碍物密集度。如，如果预定点对应的环境数据中障碍物总数量大于设定第一阈值，则可以确定预定点的第一障碍物密集度为一级，如果预定点对应的环境数据中障碍物总数量小于或等于第一阈值，大于第二阈值，则可以确定预定点的第一障碍物密集度为二级，如果预定点对应的环境数据中障碍物总数量小于第二阈值，则可以确定预定点的第一障碍物密集度为三级。其中第一阈值大于第二阈值。还可以根据预定点对应的环境数据中不同障碍物的数量或覆盖程度确定预定点的第一障碍物密集度，如预定点对应的环境数据为山地环境，则可以通过山峰数和植被的覆盖程度确定预定点的第一障碍物密集度，预定点对应的环境数据为城市环境，则可以通过建筑物和植被的覆盖程度确定预定点的第一障碍物密集度。

障碍物可以包括植被、建筑物、山峰等。

基于预定点对应的环境数据，还可以确定预定点的环境特征。环境特征用于表示预定点所在环境的特点。在确定出预定点的第一障碍物密集度后，进一步可以将第一障碍物密集度与预设的密集阈值进行比较，如果第一障碍物密集度大于密集阈值，则可以认为预定点所在环境中障碍物过于密集，对相控阵天线信号传输等影响较大。

如图5所示，为障碍物较为密集的场景。在这种情况下，可以在预定点的环境特征对应的第一关系表中查找与第一障碍物密集度对应的第一波束宽度。在第一关系表中包括在预定点的环境特征下不同障碍物密集度对应最大接收信噪比的波束宽度，即查找到的第一障碍物密集度对应的第一波束宽度可以达到最大接收信噪比。

查找到第一波束宽度后，可以基于第一波束宽度，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使车载相控阵天线的波束达到最大接收信噪比。

在第一障碍物密集度大于密集阈值时，通过预定点的环境特征对应的第一关系表查找第一障碍物密集度对应的第一波束宽度，并基于该第一波束宽度，对车载相控阵天线的波束宽度进行调节，使其达到最大接收信噪比，提高通信可靠性。

在本申请的一个实施例中，该方法还可以包括以下步骤：

如果第一障碍物密集度小于或等于密集阈值，则根据车载相控阵天线和地面相控阵天线间的轨道面数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

在本申请实施例中，在确定出预定点的第一障碍物密集度，并将第一障碍物密集度与预设的密集阈值进行比较后，如果第一障碍物密集度小于或等于密集阈值，则可以认为预定点所在环境中障碍物较少，对相控阵天线信号传输等影响较小，如图6所示，为障碍物较少的场景。在这种情况下，可以主要考虑轨道面反射带来的影响。可以根据车载相控阵天线和地面相控阵天线间的轨道面数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

轨道面数据可以包括轨道面的坡度和曲率。具体的，可以通过轨道面的坡度和曲率确定波束水平宽度和垂直宽度，并进行调节，以避免通信区域内的轨道面反射，减少多径效应。

即在第一障碍物密集度较小时，直接通过车载相控阵天线和地面相控阵天线间的轨道面数据，对车载相控阵天线的波束宽度进行调节，避免轨道面反射，减少多径效应。在第一障碍物密集度较大时，通过简单计算可能无法达到较好效果，所以，通过预先建立的与预定点的环境特征对应的关系表查找第一障碍物密集度对应的第一波束宽度，基于该第一波束宽度对车载相控阵天线的波束宽度进行调节，降低多径效应带来的影响。

在本申请的一个实施例中，基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，可以包括以下步骤：

第一个步骤：基于预定点对应的环境数据，确定预定点的环境特征及第二障碍物密集度；

第二个步骤：在预定点的环境特征对应的第二关系表中查找与第二障碍物密集度对应的第二波束宽度；

第三个步骤：基于第二波束宽度，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

为方便描述，将上述三个步骤结合起来进行说明。

在本申请实施例中，先获得预定点对应的环境数据，基于预定点对应的环境数据，可以确定预定点的第二障碍物密集度。具体的，可以根据预定点对应的环境数据中障碍物总数量或者单位面积内障碍物数量/覆盖程度等确定预定点的第二障碍物密集度。障碍物可以包括植被、建筑物、山峰等。

基于预定点对应的环境数据，还可以确定预定点的环境特征。在确定出预定点的第二障碍物密集度后，可以在预定点的环境特征对应的第二关系表中查找与第二障碍物密集度对应的第二波束宽度。在第二关系表中包括在预定点的环境特征下不同障碍物密集度对应最大接收信噪比的波束宽度，即查找到的第二障碍物密集度对应的第二波束宽度可以达到最大接收信噪比。

查找到第二波束宽度后，可以基于第二波束宽度，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使车载相控阵天线的波束达到最大接收信噪比。

在本申请的一个实施例中，可以通过以下步骤建立每种环境特征对应的关系表：

步骤一：采集轨道沿线的环境数据；

步骤二：对采集到的环境数据进行分析，确定每种环境特征对应的障碍物密集度；

步骤三：针对每种环境特征对应的每个障碍物密集度，在具有该障碍物密集度的位置，通过相控阵天线重复扫描训练，获得不同发射波束宽度下的接收信噪比，将该障碍物密集度与最大接收信噪比的波束宽度的对应关系加入到该环境特征对应的关系表中。

为方便描述，将上述三个步骤结合起来进行说明。

在本申请实施例中，可以预先采集轨道沿线的环境数据，环境数据可以包括地形地貌数据、人口流量数据等，轨道沿线不局限于某一条轨道，可以是多条轨道，采集到的环境数据越多对于后续关系表的建立越准确。

采集到轨道沿线的环境数据后，可以对环境数据进行分析，从环境数据中得到多种环境特征，并基于环境数据确定不同种环境特征对应的障碍物密集度。同一种环境特征可以对应多个障碍物密集度。

针对每种环境特征对应的每个障碍物密集度，可以在具有该障碍物密集度的位置，通过相控阵天线重复扫描训练，获得不同发射波束宽度下的接收信噪比，得到该障碍物密集度与最大接收信噪比的波束宽度的对应关系，将该对应关系加入到该环境特征对应的关系表中。

具体的，采集得到轨道沿线的环境数据后，可以对线路周边障碍物密集区域，选取典型的具有不同障碍物密集度的环境特征的场景进行多径效应的测试，对于每一种环境特征，在具有不同障碍物密集度的位置，通过相控阵天线重复扫描训练，如图5所示，测量在不同发射波束宽度的情况下的接收功率值，找出不同障碍物密集度下实现最大接收信噪比的波束宽度，并以此绘制出在各种环境特征的条件下障碍物密集度与最优波束宽度对应关系表。

预先建立每种环境特征对应的关系表，在关系表中记录相应环境特征下不同障碍物密集度与最优波束宽度的对应关系，有助于在进行波束宽度调节时基于相应的关系表得到最优波束宽度，从而可以进行波束宽度的准确调节。

在本申请的另一种实施方式中，还可以基于机器学习算法得到不同环境特征下障碍物密集度与最优波束宽度的关系表，并不断更新优化。

另外，除了考虑了地形、障碍物密集度及轨道面坡度和曲率等因素外，在列车实际运行中天气、运行速度等因素也会对无线覆盖造成影响，可以综合这些因素对波束进行相应调节。

综合来看，本申请实施例所提供的技术方案主要有以下优点：

结合5G毫米波相控阵技术与软件无线电技术的优势，通过对车载毫米波相控阵天线的自动波束调节实现了波束的高指向性和灵活覆盖；

通过障碍物密集度划分不同的场景，在障碍物密集度较高的地段采取波束扫描训练得到关系表，通过查找关系表确定波束宽度的方法，在障碍物密集度较低的地段采取基于轨道坡度和曲率的波束反射规避的方法，既实现算法的低复杂度又保证波束调节在实际复杂环境中的实效；

在障碍物密集区域，通过预先对几个典型地形环境的路段进行重复波束扫描训练，得到建筑物密集度与最优波束宽度对应关系表，保证在不同场景下波束调节的实效性。铁路沿线地形、轨道面数据及建筑物密集度与最优波束宽度对应的关系表可以保存在车载本地设备上，不需要复杂的车地数据交互和处理，保证列车在高速运行下的快速波束调节；

列车在到达预定点之前预先对该位置进行波束调节计算，保证相控阵天线波束调节的实时有效，降低可能的误调节，增强系统稳定性；

可适应不同环境特征和轨道面坡度、曲率，实效性强。对于环境和轨道面坡度曲率变化，本申请实施例考虑了不同环境特征、不同轨道面坡度和曲率对无线覆盖的影响，能对不同环境及障碍物密集程度的场景采取不同的波束调节算法，通过预先完成的波束扫描训练得到与实际环境条件相匹配的障碍物密集程度与最优波束宽度对应表，以此实现在不同环境特征和轨道面坡度、曲率下的覆盖优化；

有效降低信道快衰落和时延扩展。由于实际线路的环境特征及障碍物密集度各不相同，通过简单传播模型的多径计算进行实际线路的相控阵天线部署效果较差，而通过线路上的波束扫描训练得到不同障碍物密集度下的最优波束宽度更具有实际参考意义，能真正降低多径效应带来的影响；

辐射功率大，覆盖距离远。通过相控阵波束调节实现多个通道的空间定向合成，其目标方向上辐射功率密度有所增加；

接收信号信噪比高。相控阵通过多个接收通道的空间波束赋形实现定向接收，可实现信号的信噪比有效提升，从而降低了接收机的底噪进而提升接收灵敏度；

实时性高。通过预先对列车行进前方的位置进行波束调节计算，保证了波束调节的实时有效，避免由于波束调节的不及时导致实际覆盖效果的下降。

可靠性高。对不同环境特征下障碍物密集度与最优波束宽度的计算在线路运营前已采集并计算完成，因而可以降低相控阵天线软硬件的实时计算量，避免因计算量超过设备的处理门限而导致的通信故障。

相应于上面的方法实施例，本申请实施例还提供了一种车载相控阵天线波束调节装置，下文描述的车载相控阵天线波束调节装置与上文描述的车载相控阵天线波束调节方法可相互对应参照。

参见图7所示，该装置可以包括以下模块：

车载相控阵天线位置获取模块710，用于在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息，在列车行驶方向上，预定点在目标点的前方；

地面相控阵天线位置确定模块720，用于根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息；

波束角度调节模块730，用于根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束对准地面相控阵天线，接收功率最大；

波束宽度调节模块740，用于基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大。

应用本申请实施例所提供的装置，在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取到车载相控阵天线在预定点的位置信息，同时根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息，根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，并基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。实现了车载相控阵天线与地面相控阵天线的实时对准和实时动态的波束形状调节，可以使得特定方向上波束增益最大，同时，通过波束角度和宽度的调节还可以降低信号的多径传输，保证较佳的无线覆盖，提高线路整体覆盖性，提高通信可靠性。

在本申请的一种具体实施方式中，波束宽度调节模块740，用于：

基于预定点对应的环境数据，确定预定点的第一障碍物密集度；

如果第一障碍物密集度大于预设的密集阈值，则在预定点的环境特征对应的第一关系表中查找与第一障碍物密集度对应的第一波束宽度；

基于第一波束宽度，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，波束宽度调节模块740，还用于：

如果第一障碍物密集度小于或等于密集阈值，则根据车载相控阵天线和地面相控阵天线间的轨道面数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，波束宽度调节模块740，用于：

基于预定点对应的环境数据，确定预定点的环境特征及第二障碍物密集度；

在预定点的环境特征对应的第二关系表中查找与第二障碍物密集度对应的第二波束宽度；

基于第二波束宽度，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，还包括关系表建立模块，用于通过以下步骤建立每种环境特征对应的关系表：

采集轨道沿线的环境数据；

对采集到的环境数据进行分析，确定每种环境特征对应的障碍物密集度；

针对每种环境特征对应的每个障碍物密集度，在具有该障碍物密集度的位置，通过相控阵天线重复扫描训练，获得不同发射波束宽度下的接收信噪比，将该障碍物密集度与最大接收信噪比的波束宽度的对应关系加入到该环境特征对应的关系表中。

在本申请的一种具体实施方式中，波束角度调节模块730，用于：

根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，确定在预定点车载相控阵天线与地面相控阵天线之间的直线相对当前波束方向的水平夹角和垂直夹角；

基于水平夹角和垂直夹角，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节。

在本申请的一种具体实施方式中，在列车行驶方向上，预定点在目标点之前，目标点包括轨道梁的起始点和/或终止点。

相应于上面的方法实施例，本申请实施例还提供了一种车载相控阵天线波束调节设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现上述车载相控阵天线波束调节方法的步骤。

如图8所示，为车载相控阵天线波束调节设备的组成结构示意图，车载相控阵天线波束调节设备可以包括：处理器10、存储器11、通信接口12和通信总线13。处理器10、存储器11、通信接口12均通过通信总线13完成相互间的通信。

在本申请实施例中，处理器10可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、特定应用集成电路、数字信号处理器、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件等。

处理器10可以调用存储器11中存储的程序，具体的，处理器10可以执行车载相控阵天线波束调节方法的实施例中的操作。

存储器11中用于存放一个或者一个以上程序，程序可以包括程序代码，程序代码包括计算机操作指令，在本申请实施例中，存储器11中至少存储有用于实现以下功能的程序：

在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息，在列车行驶方向上，预定点在目标点的前方；

根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息；

根据车载相控阵天线在预定点的位置信息和地面相控阵天线的位置信息，对车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束对准地面相控阵天线，接收功率最大；

基于预定点对应的环境数据，对车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使列车到达预定点时车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大。

在一种可能的实现方式中，存储器11可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统，以及至少一个功能(比如位置确定功能、数据处理功能)所需的应用程序等；存储数据区可存储使用过程中所创建的数据，如波束角度数据、波束宽度数据等。

此外，存储器11可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件或其他易失性固态存储器件。

通信接口12可以为通信模块的接口，用于与其他设备或者系统连接。

当然，需要说明的是，图8所示的结构并不构成对本申请实施例中车载相控阵天线波束调节设备的限定，在实际应用中车载相控阵天线波束调节设备可以包括比图8所示的更多或更少的部件，或者组合某些部件。

相应于上面的方法实施例，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述车载相控阵天线波束调节方法的步骤。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种车载相控阵天线波束调节方法，其特征在于，包括：

在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息，在所述列车行驶方向上，所述预定点在所述目标点的前方；

根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息；

根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束对准所述地面相控阵天线，接收功率最大；

基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大。

2.根据权利要求1所述的车载相控阵天线波束调节方法，其特征在于，所述基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，包括：

基于所述预定点对应的环境数据，确定所述预定点的第一障碍物密集度；

如果所述第一障碍物密集度大于预设的密集阈值，则在所述预定点的环境特征对应的第一关系表中查找与所述第一障碍物密集度对应的第一波束宽度；

基于所述第一波束宽度，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

3.根据权利要求2所述的车载相控阵天线波束调节方法，其特征在于，还包括：

如果所述第一障碍物密集度小于或等于所述密集阈值，则根据所述车载相控阵天线和所述地面相控阵天线间的轨道面数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

4.根据权利要求1所述的车载相控阵天线波束调节方法，其特征在于，所述基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，包括：

基于所述预定点对应的环境数据，确定所述预定点的环境特征及第二障碍物密集度；

在所述预定点的环境特征对应的第二关系表中查找与所述第二障碍物密集度对应的第二波束宽度；

基于所述第二波束宽度，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节。

5.根据权利要求2至4之中任一项所述的方法，其特征在于，通过以下步骤建立每种环境特征对应的关系表：

采集轨道沿线的环境数据；

对采集到的环境数据进行分析，确定每种环境特征对应的障碍物密集度；

针对每种环境特征对应的每个障碍物密集度，在具有该障碍物密集度的位置，通过相控阵天线重复扫描训练，获得不同发射波束宽度下的接收信噪比，将该障碍物密集度与最大接收信噪比的波束宽度的对应关系加入到该环境特征对应的关系表中。

6.根据权利要求1所述的车载相控阵天线波束调节方法，其特征在于，所述根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，包括：

根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，确定在所述预定点所述车载相控阵天线与所述地面相控阵天线之间的直线相对当前波束方向的水平夹角和垂直夹角；

基于所述水平夹角和所述垂直夹角，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节。

7.根据权利要求1至4、6任一项所述的车载相控阵天线波束调节方法，其特征在于，所述目标点包括轨道梁的起始点和/或终止点。

8.一种车载相控阵天线波束调节装置，其特征在于，包括：

车载相控阵天线位置获取模块，用于在列车运行过程中到达轨道梁的目标点时，获取车载相控阵天线在预定点的位置信息，在所述列车行驶方向上，所述预定点在所述目标点的前方；

地面相控阵天线位置确定模块，用于根据线路数据，确定当前通信的地面相控阵天线的位置信息；

波束角度调节模块，用于根据所述车载相控阵天线在所述预定点的位置信息和所述地面相控阵天线的位置信息，对所述车载相控阵天线的波束的水平角度和垂直角度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束对准所述地面相控阵天线，接收功率最大；

波束宽度调节模块，用于基于所述预定点对应的环境数据，对所述车载相控阵天线的波束的水平宽度和垂直宽度进行调节，以使所述列车到达所述预定点时所述车载相控阵天线的波束的接收信噪比最大。

9.一种车载相控阵天线波束调节设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的车载相控阵天线波束调节方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的车载相控阵天线波束调节方法的步骤。

Images