CN115278177A - 基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法及装置，该方法包括以下步骤：在铁路沿线的通信铁塔制高点，部署无线微站；无线微站和其他通信铁塔上的高空摄像头无线连接；高空摄像头将视频数据汇聚传输至无线微站；无线微站将视频数据发送至另一相邻通信铁塔上的无线微站；重复上述步骤，直至无线微站将视频数据发送至靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站；靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站和监控中心通过光纤连接；靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站将接收到的视频数据通过光纤网络传输至监控中心。优点在于：可解决铁路沿线、河道沿线、公路沿线等线性场景下的无线覆盖成本高、现有无线传输技术不稳定的问题。

Description

基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法及装置

技术领域

本发明涉及铁路沿线监控技术领域，特别是涉及一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法及装置。

背景技术

目前，铁路沿线视频监控几乎空白，所发生的火车事故都无法及时记录发生事故时的具体情况，也没有实时视频对铁路沿线情况做预防性分析。现如今图像分析技术、摄像头传感技术、4G/5G通信技术都较为成熟，但铁路沿线地处偏远，无便利的光纤网络、供电线路以及公网信号覆盖，所以目前无有效和低成本的方式把视频数据从偏远的区域实时传输出来。

现有铁路沿线的通信方式有无线和有线两种方式，无线包括GSM-R通信系统和有线包括光纤通信。

基于GSM-R技术的信号控制网络，专用于铁路的日常运营管理，是非常有效的调度指挥通信工具，但无法实现宽带视频数据的实时传输，且是独立的通信系统，不对外开放。

铁路沿线的光纤通信主要是已有铁路通信基站的接入主干网络，不对外开放。如在铁路沿线增加布设光纤网络，建立一套安防监控体系，那么会导致成本投入过高。且现有铁路沿线50米内为保护区，不允许动土，如果有需要施工，还需要向铁路有关部门申请，审批流程时间长且复杂。

因现有的铁路沿线的设施属于专用设施，不能直接利用也无法利用，那么在铁路沿线上还可利用的有公网4G/5G、无线微波等方式搭建无线宽带通信。

使用公网4G/5G方式时，如在城市及城市周边4G/5G信号良好的情况下，可以通过公网把视频传输出来。但铁路沿线绝大部分都地处偏远农村、山区等区域，公网信号覆盖稀疏，实际监控场景无法直接使用公网传输视频数据。

使用无线微波、无线网桥等方式时，无线传输底层协议是基于802.11，在抗干扰能力，低功耗能力、无线传输距离上存在明显弱势。在雨雾霾等天气情况下，会严重影响无线传输的性能，抗干扰能力较弱。为了达到远距离无线传输，一般是采用高增益定向天线和加大无线信号功放，而加大无线信号功放则直接加大了设备的整体功耗。由于在偏远地区无供电线路，因此设备的供电一般只能采用太阳能或风能供电，而设备的耗电功耗高居不下，则直接增加了太阳能或风能供电的成本，导致投入也居高不下

关于有线方案，一般通过光纤网络进行传输，或在铁路沿线两侧进行拉线，如果只是完成监控功能，则投入成本高昂，且线缆经常被破坏，导致维护成本也高。

关于无线方案，一种是通过公网运营商的4G网络进行传输，因偏远地区信号不稳定，视频时延大，体验差，且运营商流量费较高，导致无法有效使用。另一种通过无线微波和无线网桥的点对点传输，因信号易受到干扰，导致视频传输不稳定，同时供电成本也无法降低。

专利文献：CN212847137U，公告日：20210330，公开了一种基于无线通信的铁路轨道监控系统，包括至少两个铁路轨道监测节点、监控装置和供电电源，铁路轨道监测节点包括温度传感器、振动传感器、摄像头、第一处理器和锂电池，监控装置包括第二处理器、存储器和LORA天线，各第一处理器与第二处理器通信连接，供电电源包括CT取电线圈、整流滤波模块、DC/DC模块、稳压模块、蓄电池和电源切换模块，CT取电线圈设置在交流线路上，用于从交流线路上取电，电源切换模块实现两路电源的切换输出。

优点在于：该铁路轨道监控系统能够实现铁路轨道的全天24小时实时监控，无需专门增设巡视人员，降低人工成本，提升监测效率，可靠性得到很大地提升。但是该技术方案还是要基于公网4G/5G方式进行传输，并不适用于偏远地区信号不稳定的场景，导致该系统无法有效使用。

前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法及装置，该方法可解决铁路沿线、河道沿线、公路沿线等线性场景下的无线覆盖成本高、现有无线传输技术不稳定的问题。

本发明提供一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，包括以下步骤：

S1：在铁路沿线的通信铁塔制高点，部署无线微站；

S2：无线微站和其他通信铁塔上的高空摄像头无线连接；

S3：高空摄像头将视频数据汇聚传输至无线微站；

S4：无线微站将视频数据发送至另一相邻通信铁塔上的无线微站；

S5：重复步骤S2、S3和S4，直至无线微站将视频数据发送至靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站；

S6：靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站和监控中心通过光纤连接；

S7：靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站将接收到的视频数据通过光纤网络传输至监控中心。

进一步地，所述步骤S3包括步骤：

S31：无线微站5公里半径内的其他通信铁塔上的高空摄像头采用线型多SHF频段无线组网的方式，把视频数据无线汇聚至无线微站。

进一步地，所述步骤S7包括步骤：

S71：低空摄像头通过就近的无线微站，通过星型多UHF频段无线组网的方式，在具有一定遮挡障碍的前提下，把低空视频数据传输汇聚至具有光纤接入的无线微站。

进一步地，所述线型多SHF频段无线组网的方式包括：

根据业务流的线性方向，判断组网策略，并实时交互线性高空各设备回环频段状态信息，不断实时调整线性组网路由，以达到线型多频组网策略。

进一步地，所述星型多UHF频段无线组网的方式包括：

在设备一定距离半径下，需实时获取低空设备回环频段状态信息，不断实时调整星型组网UHF频段，以此达到星型多频组网策略。

本发明还提供一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置，所述基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置应用于上述中任意一项所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法。

进一步地，所述基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置包括无线微站，所述无线微站包括轻量级低频无线专网通信模块，所述轻量级低频无线专网通信模块包括物理协议控制单元、数字处理算法单元、硬件接口单元和无线单元；所述物理协议控制单元负责根据LTE-OFDM协议模块的指令，完成物理协议过程控制功能，包括协同处理资源、收发控制、算法调用、结果汇总上报，同时对业务传输协议过程进行流程上的控制；所述数字处理算法单元负责提供数字算法库，根据协议要求，完成对收发数据的处理，包括数据扫描、数据检测、数据生成、接收数据解调、数据译码处理过程；所述硬件接口单元负责无线单元的配置、使能、关闭，底层响应处理，事件控制处理，睡眠处理；所述无线单元负责低频转换的软件定义配置，发射功率的软件定义配置。

进一步地，所述无线微站还包括LTE-OFDM协议模块，所述LTE-OFDM协议模块包括入口通道管理单元、无线资源控制管理单元、正交频分复用单元、数据流高低转换单元和物理适配单元；所述入口通道管理单元负责提供入口通道指令转换处理，将外部指令转换为内部处理指令，负责数据层面的接入传递；所述无线资源控制管理单元负责资源的控制管理，控制底层参数动态配置，控制设备接入，控制设备连接，管理设备移动性，控制无线链路失败的恢复机制，完成数据检测、映射、控制和传输；所述正交频分复用单元负责解决复杂无线传输环境中的频率选择性衰落，配置上行和下行资源转换，用于实现不对称上行和下行业务配置，实现单向不对称业务的资源最大化利用；所述数据流高低转换单元负责将高速的业务数据流分解为多业务并行的低速数据流，把业务数据分配到独立子载波，利用信道衰落的独立性，使用联合独立子载波分配带来的多业务数据分集增益提高复杂场景下无线宽带性能，达到宽带传输能力；所述物理适配单元负责完成与轻量级低频无线专网通信模块的信息格式适配和中转传递。

本发明提供的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，在成本可控的情况下解决铁路沿线无网无电的现状，并对铁路沿线进行立体全方位监控覆盖，保证铁路沿线可视可控；与现有的技术方案相比较，可解决铁路沿线、河道沿线、公路沿线等线性场景下的无线覆盖成本高、现有无线传输技术不稳定的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的多频跳转的模块图。

图3是本发明实施例提供的线型多SHF频段无线组网的模块图。

图4是本发明实施例提供的星型多UHF频段无线组网的模块图。

图5是本发明实施例提供的低信噪低功无线发射机制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例1

图1是本发明实施例提供的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法流程图。请参阅图1，本发明提供的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，包括以下步骤：

S1：在铁路沿线的通信铁塔制高点，部署无线微站；

需要说明的是，利用铁路沿线现有的通信铁塔，虽然通信铁塔上的公网信号因信号覆盖不全无法直接传输视频数据，但可以继续使用铁塔的制高点，用于部署高空全向无线微站。

S2：无线微站和其他通信铁塔上的高空摄像头无线连接；

S3：高空摄像头将视频数据汇聚传输至无线微站；具体地，无线微站5公里半径内的其他通信铁塔上的高空摄像头采用线型多SHF频段无线组网的方式，把视频数据无线汇聚至无线微站。

需要说明的是，因运营商光纤传输费用居高不下，为了降低铁路沿线每台高空摄像头的光纤的使用数量，进而大幅节省光纤传输费用；高空无线微站5公里半径内的其他高空摄像头采用线型多SHF频段无线组网的方式，把视频数据无线汇聚至无线微站，保证高速率的传输能力，同时把光纤传输费用直接降低至1/4；

图4是本发明实施例提供的星型多UHF频段无线组网的模块图。如图4所示，所述星型多UHF频段无线组网的方式包括：在设备一定距离半径下，需实时获取低空设备回环频段状态信息，不断实时调整星型组网UHF频段，以此达到星型多频组网策略。

具体地，星型多UHF频段无线组网策略，在设备一定距离半径下，低空末端每台设备所处环境不一样，为了确保低空末端每台设备在通视无遮挡或者非可视一定遮挡的环境下，还可保证无线信道稳定传输，需实时获取低空设备回环频段状态信息，不断实时调整星型组网UHF频段，以此达到星型多频组网策略。自适应侦测：实时侦测低空末设备所在频段信道信噪情况，调整无线UHF频段配置，确保星型组网的策略有利于数据的稳定传输。星型组网：设备在保证线型主干组网的链路稳定连接的情况下，还可在全向一定距离半径内，提供星型的设备组网接入。在对个设备回环信息的处理上，生成星型频段选择策略表。

S4：无线微站将视频数据发送至另一相邻通信铁塔上的无线微站；

S5：重复步骤S2、S3和S4，直至无线微站将视频数据发送至靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站；

S6：靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站和监控中心通过光纤连接；

S7：靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站将接收到的视频数据通过光纤网络传输至监控中心。

进一步地，所述步骤S7包括步骤：

S71：低空摄像头通过就近的无线微站，通过星型多UHF频段无线组网的方式，在具有一定遮挡障碍的前提下，把低空视频数据传输汇聚至具有光纤接入的无线微站。

图3是本发明实施例提供的线型多SHF频段无线组网的模块图。如图3所示，所述线型多SHF频段无线组网的方式包括：根据业务流的线性方向，判断组网策略，并实时交互线性高空各设备回环频段状态信息，不断实时调整线性组网路由，以达到线型多频组网策略。自适应侦测：实时侦测业务流传输方向，调整无线时隙信道配置，确保线型组网的策略有利于数据的稳定传输。线型组网：设备在提供星型组网能力的情况下，确保组成一路根据业务流方向的线型主干组网的链路连接，在对个设备回环信息的处理上，生成线型路由连接策略表。

需要说明的是，通信铁塔一般具有供电措施，因此可直接为无线微站和高空摄像头进行不间断供电；低空摄像头和低空无线终端所处位置因无供电措施，因此需要采用太阳能和风能进行必要的供电；低空最大的耗电来源于无线传输设备，为了降低无线传输设备带来的额外功耗，减少太阳能和风能的成本，无线传输设备采用了低信噪低功无线发射机制，在无线信道低信噪比的前提下，还可以以低无线功率发射信号，大幅降低设备所需功耗。

本发明的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，线性组网采用多频跳转技术，确保了在具有光纤接入无线微站5KM半径内的其他高低空无线设备都可以随时接入；高空采用高频段，保证高带宽速率；低空采用低频段，保证有一定噪障碍物的无线绕射能力。

图5是本发明实施例提供的低信噪低功无线发射机制的流程图。如图5所示，本发明的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，无线设备采用低信噪低功无线发射机制，确保无线设备就近接入最近的无线微站，且能在无线信道信噪比低的情况下，还可以以低发射功率进行无线通信，大幅降低无线设备整体功耗。

具体地，低信噪低功无线发射机制，设备不追求最大最优的无线信道信噪比，而是判断如何计算出最小临界信噪比，并不断调整稳定在临界信噪比，从而降低设备最耗电的射频前端功耗，同时还可确保在一定无线传输距离内低空设备的无线宽带传输质量。

图2是本发明实施例提供的多频跳转的模块图。如图2所示，多频跳转技术，无线设备全向搜索UHF和SHF频段，根据设备类型和所处位置，计算其他设备的无线通信距离，通过频段回环选择，择优选择距离最近，信号最好的无线设备进行连接，并跳转调用最优的频段通信，并不断通过频段回环进行重新判断选择。频段回环选择：全向搜索一定距离半径可用频段，对UHF和SHF各频段信道情况进行计算判断，并在业务应用层根据判断结果给出排序。频段跳转调用：根据预设线性路径方向，再根据频段回环结果排序，计算出合适频段进行跳转调用。如线性路径的其中一个设备出现问题，或者受到无线干扰，继续通过实时频段回环结果排序，重新跳转调用合适频段。

本发明还提供一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置，应用于上述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法。

进一步地，基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的包括无线微站，所述无线微站包括轻量级低频无线专网通信模块，所述轻量级低频无线专网通信模块包括物理协议控制单元、数字处理算法单元、硬件接口单元和无线单元；所述物理协议控制单元负责根据LTE-OFDM协议模块的指令，完成物理协议过程控制功能，包括协同处理资源、收发控制、算法调用、结果汇总上报，同时对业务传输协议过程进行流程上的控制；所述数字处理算法单元负责提供数字算法库，根据协议要求，完成对收发数据的处理，包括数据扫描、数据检测、数据生成、接收数据解调、数据译码处理过程；所述硬件接口单元负责无线单元的配置、使能、关闭，底层响应处理，事件控制处理，睡眠处理；所述无线单元负责低频转换的软件定义配置，发射功率的软件定义配置。

本发明的无线微站还包括LTE-OFDM协议模块，所述LTE-OFDM协议模块包括入口通道管理单元、无线资源控制管理单元、正交频分复用单元、数据流高低转换单元和物理适配单元；所述入口通道管理单元负责提供入口通道指令转换处理，将外部指令转换为内部处理指令，负责数据层面的接入传递；所述无线资源控制管理单元负责资源的控制管理，控制底层参数动态配置，控制设备接入，控制设备连接，管理设备移动性，控制无线链路失败的恢复机制，完成数据检测、映射、控制和传输；所述正交频分复用单元负责解决复杂无线传输环境中的频率选择性衰落，配置上行和下行资源转换，用于实现不对称上行和下行业务配置，实现单向不对称业务的资源最大化利用；所述数据流高低转换单元负责将高速的业务数据流分解为多业务并行的低速数据流，把业务数据分配到独立子载波，利用信道衰落的独立性，使用联合独立子载波分配带来的多业务数据分集增益提高复杂场景下无线宽带性能，达到宽带传输能力；所述物理适配单元负责完成与轻量级低频无线专网通信模块的信息格式适配和中转传递。

基于上文的描述可知，本发明优点在于：

1、本发明提供的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，在成本可控的情况下解决铁路沿线无网无电的现状，并对铁路沿线进行立体全方位监控覆盖，保证铁路沿线可视可控；与现有的技术方案相比较，可解决铁路沿线、河道沿线、公路沿线等线性场景下的无线覆盖成本高、现有无线传输技术不稳定的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在铁路沿线的通信铁塔制高点，部署无线微站；

S2：无线微站和其他通信铁塔上的高空摄像头无线连接；

S3：高空摄像头将视频数据汇聚传输至无线微站；

S4：无线微站将视频数据发送至另一相邻通信铁塔上的无线微站；

S5：重复步骤S2、S3和S4，直至无线微站将视频数据发送至靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站；

S6：靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站和监控中心通过光纤连接；

S7：靠近监控中心的通信铁塔上的无线微站将接收到的视频数据通过光纤网络传输至监控中心。

2.根据权利要求1所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，其特征在于，所述步骤S3包括步骤：

S31：无线微站5公里半径内的其他通信铁塔上的高空摄像头采用线型多SHF频段无线组网的方式，把视频数据无线汇聚至无线微站。

3.根据权利要求1所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，其特征在于，所述步骤S7包括步骤：

S71：低空摄像头通过就近的无线微站，通过星型多UHF频段无线组网的方式，在具有一定遮挡障碍的前提下，把低空视频数据传输汇聚至具有光纤接入的无线微站。

4.根据权利要求2所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，其特征在于，所述线型多SHF频段无线组网的方式包括：

根据业务流的线性方向，判断组网策略，并实时交互线性高空各设备回环频段状态信息，不断实时调整线性组网路由，以达到线型多频组网策略。

5.根据权利要求3所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法，其特征在于，所述星型多UHF频段无线组网的方式包括：

在设备一定距离半径下，需实时获取低空设备回环频段状态信息，不断实时调整星型组网UHF频段，以此达到星型多频组网策略。

6.一种基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置，其特征在于，所述基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置应用于权利要求1至5中任意一项所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的方法。

7.根据权利要求6所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置，其特征在于，所述基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置包括无线微站，所述无线微站包括轻量级低频无线专网通信模块，所述轻量级低频无线专网通信模块包括物理协议控制单元、数字处理算法单元、硬件接口单元和无线单元；

所述物理协议控制单元负责根据LTE-OFDM协议模块的指令，完成物理协议过程控制功能，包括协同处理资源、收发控制、算法调用、结果汇总上报，同时对业务传输协议过程进行流程上的控制；

所述数字处理算法单元负责提供数字算法库，根据协议要求，完成对收发数据的处理，包括数据扫描、数据检测、数据生成、接收数据解调、数据译码处理过程；

所述硬件接口单元负责无线单元的配置、使能、关闭，底层响应处理，事件控制处理，睡眠处理；

所述无线单元负责低频转换的软件定义配置，发射功率的软件定义配置。

8.根据权利要求7所述的基于线性规模无线组网的铁路护路无线监控的装置，其特征在于，所述无线微站还包括LTE-OFDM协议模块，所述LTE-OFDM协议模块包括入口通道管理单元、无线资源控制管理单元、正交频分复用单元、数据流高低转换单元和物理适配单元；

所述入口通道管理单元负责提供入口通道指令转换处理，将外部指令转换为内部处理指令，负责数据层面的接入传递；

所述无线资源控制管理单元负责资源的控制管理，控制底层参数动态配置，控制设备接入，控制设备连接，管理设备移动性，控制无线链路失败的恢复机制，完成数据检测、映射、控制和传输；

所述正交频分复用单元负责解决复杂无线传输环境中的频率选择性衰落，配置上行和下行资源转换，用于实现不对称上行和下行业务配置，实现单向不对称业务的资源最大化利用；

所述数据流高低转换单元负责将高速的业务数据流分解为多业务并行的低速数据流，把业务数据分配到独立子载波，利用信道衰落的独立性，使用联合独立子载波分配带来的多业务数据分集增益提高复杂场景下无线宽带性能，达到宽带传输能力；

所述物理适配单元负责完成与轻量级低频无线专网通信模块的信息格式适配和中转传递。

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