CN115643804A - 用于在高速铁路上提供高速通信的方法和系统 - Google Patents

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CN115643804A CN202180031471.7A CN202180031471A CN115643804A CN 115643804 A CN115643804 A CN 115643804A CN 202180031471 A CN202180031471 A CN 202180031471A CN 115643804 A CN115643804 A CN 115643804A
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Abstract

本发明涉及通信领域，尤其是在高速铁路上提供高速通信的方法和系统。技术结果是，由“车对地”类无线电中继链路提供的更好质量的通信信道。要求保护的在高速铁路上提供高速通信的系统包括内部和外部数据交换网络。内部网络将尾部射频模块(安装在列车后部且配备窄方向天线)、头部射频模块(安装在列车前部且配备窄方向天线)和交换设备(能够处理来自所述模块的信号并向与该设备相关联的网络设备提供对外部数据交换网络的访问)联合起来。外部数据交换网络将基站与窄方向天线结合在一起，基站能够与列车中的尾部和头部射频模块建立通信，并沿列车路线安装在铁路限界附近。基站及列车中射频模块的天线配置为发射短毫米波范围内的无线电波。

Description

用于在高速铁路上提供高速通信的方法和系统
技术领域
本发明涉及通信领域，即在高速铁路上提供高速通信的方法和系统。本发明可用于“车对地”类的计算机网络。
背景技术
"High-speedandhandover-freecommunicationsforhigh-speedtrainsusingswitchedWDMfiber-wirelesssystem."(Dat,PhamTien,etal.2018OpticalFiberCommunicationsConferenceandExposition(OFC).IEEE,2018.)文章公开了一种用于高速铁路运输的已知通信系统。已知系统包括连接到基站的多个远程天线单元，其接收通过在集中收发器节点中生成的光纤通信路径传输的信号，并由射频信号调制。然后，将天线单元上的这些信号传输到毫米频率范围，并传输到安装在移动列车上的接收器。要在蜂窝(列车在移动过程中在蜂窝中结束)之间切换天线，系统中引入了快速可调谐激光器，以改变信号波长。在所描述的示例中，使用了两个激光器，第一个激光器改变信号波长以在列车路径中的第一个和第三个蜂窝之间切换，第二个激光器改变信号波长以在第二个和第四个蜂窝之间切换。设计用于传输到列车接收机的信号路由是通过使用无缝信道频谱复用技术来实现的。
第US10292058B2号发明专利(公布日期：2019年5月14日，英文标题：“Radiooverfiberantennaextendersystemsandmethodsforhighspeed trains”)公开了一种用于在铁路运输中提供宽带互联网接入的系统。已知系统包括安装在列车车厢外部的多个天线、安装在列车车厢内部的多个无线接入点以及控制系统。天线能够与蜂窝通信网络交换数据。天线和接入点分别相互连接，并通过光纤通信路径连接到控制单元。控制系统能够与基站建立通信信道，收集列车速度以及列车天线和基站之间的信号接收和传输时间的数据。基于此数据，控制系统能够适应数据处理程序。
第US20160249233A1号专利申请(公布日期：2016年8月25日，英文标题：“Providingbroadbandservicetotrains”)公开了一种提供与安装在车辆上的网络网关连接的方法。已知方法假设所述网络网关被配置为向车辆内用户的移动设备提供蜂窝无线电通信。为此，该方法提供了车辆路线的蜂窝覆盖。在这种情况下，每个网络蜂窝被设计用于与所述网关通信，并且所有蜂窝集被配置为在车辆网关和核心蜂窝无线电网络之间提供通信。
然而，尽管已知发明提供了程序指令的执行，该程序指令旨在补偿由于列车的高速导致的用户和基站之间的通信丢失，但从基站到列车的数据传输可能会出现错误。
此外，要计算对传输数据中的噪声进行补偿的模型，有必要使用列车时刻表、列车在整个行程中的速度，并考虑天气条件等。这种模型极难实现，很难用于为旅客列车用户提供互联网的计算机网络。
此外，一般来说，为了提供连接到基站的能力，其可用性是必要的，这在整个客运列车路线上并不总是可能的，并且由于缺乏经常在列车路线上的用户，因此在经济上是无利可图的。如人们所知，火车大部分通过无人居住或人口稀少的地区行驶。
最后，使用长期演进技术(LTE)，目前不可能提供高达10Gbps的数据传输速率，因为在该技术的实现中缺乏所使用的频带，在该频带中，可以以这样的速率进行数据交换。只要在毫米射频范围内交换数据，基站和移动列车之间具有这种容量的信道是可能的。然而，为了保证高达10Gbps的数据传输速率，有必要遵守在基站和移动列车之间提供直接可见性的条件，这是现实的技术问题，因为列车行驶的地区有大量传播波自然障碍物。
对于基于Wi-Fi技术的使用来说，这些技术目前在高速列车上提供互联网接入方面也有很大的局限性。Wi-Fi信号对多普勒频移很敏感。实际上，这意味着数据速率随着列车速度的增加而下降。此外，当列车从一个接入点移动到另一个接入点时，Wi-Fi信号会快速衰减。廉价的Wi-Fi技术在高速列车上提供宽带连接变得极其昂贵，因为它需要列车沿线基站之间的短距离。
PCT国际专利申请(公布日期：2012年7月26日，于2011年1月18日第CN2011100205309A号申请优先权，英文标题：“High-speedrailwaymicrowavecommunicationnetwork”)公开了一种高速铁路无线中继通信系统。已知系统包括沿铁路轨道放置的多个无线电中继收发器，安装在移动车辆上的无线电中继收发器，而所述收发器形成覆盖区域。安装在车辆上的至少一个收发器在沿铁路轨道安装的设备(包括在车辆方向的覆盖区域内)和车辆内部网络之间中继无线电信号。无线电信号的频率范围对应于4GHz～42GHz范围。
发明内容
本发明的技术问题是通过“车对地”类的无线中继通信线路，以2-10Gbps的信息传输速率，在移动列车和地面设备之间提供宽带连接，以便使用OSI/ISO网络模型进行数据交换。
在本发明实施中实现的技术结果是提高由“车对地”类无线中继通信线路提供的通信信道的质量。
本发明的第一方面公开了一种在高速铁路上提供高速通信的方法，其中连接到外部数据传输网络的基站沿着列车的路线安装；基站配备有高度定向的天线，能够与列车上安装的头部和尾部射频模块通信，还配备窄方向天线，并集成到内部数据传输网络中，基站相对于铁路限界的位置提供了基站天线和安装在列车上的无线电中继模块天线之间的直接可见性，而该方法包括以下步骤：
-在移动列车的基站和射频模块的天线上发射短毫米波范围内的无线电波；
-在第一个头部模块和位于其前面的最近基站之间以及在第一尾部模块和位于其后面的最靠近它的基站之间建立通信信道；
-在经过位于前面的基站之前，在第二个头部模块与距离列车最近的下一个基站之间建立通信信道；
-在经过位于列车前方的基站的列车后，在第二尾部模块和该基站之间建立通信信道；
此外，通过已建立的通信信道进行交换的无线电信号在与射频模块相关的交换设备上进行处理，并向列车上的网络设备提供对外部数据交换网络的访问。
本发明的附加优点和基本特征可以在以下特定实施例中呈现。
具体来说，第一和第二头部模块的天线朝向位于移动列车前方的基站，第一和第二尾部模块的天线朝向位于列车后方的基站。
具体来说，基站的无线电中继天线配置为发射波束宽度较窄的波。
具体来说，铁路列车基站收发器和无线中继模块收发器之间的通信信道设置为全双工模式，信道进行频率和极化划分。
具体来说，发射的无线电波位于从V波段、E波段、W波段、F波段和D波段组中选择的一个射频波段中。
本发明的第二方面公开了一种在高速铁路上提供高速通信的方法，其中连接到外部数据传输网络的基站沿着列车的路线安装；基站配备有高度定向的天线，能够与列车上安装的头部和尾部射频模块通信，还配备窄方向天线，并集成到内部数据传输网络中，基站相对于铁路限界的位置提供了基站天线和安装在列车上的无线电中继模块天线之间的直接可见性，而该方法包括以下步骤：
-在移动列车的基站和射频模块的天线上发射短毫米波范围内的无线电波；
-在第一头部模块、第一尾部模块和位于其后面的最靠近它们的基站之间建立通信信道，同时在第二头部模块和位于基站前面的最近模块之间建立通信信道；
-在经过位于前面的基站之前，在第二尾部模块与该基站之间建立通信信道；
此外，通过已建立的通信信道进行交换的无线电信号在与射频模块相关的交换设备上进行处理，并向列车上的网络设备提供对外部数据交换网络的访问。
第二发明解决了第一发明也解决的技术问题。第二发明的个别实施例假设第一头部和第一尾部模块的天线朝向位于移动列车后面的基站，第二头部和第二尾部模块的天线朝向位于列车前面的基站。
本发明的第三方面公开了一种用于在高速铁路上提供高速通信的系统，该系统包括内部和外部数据交换网络，同时：
-内部网络由安装在列车后部的尾部射频模块(配备窄方向天线)、安装在所述列车前部的头部射频模块(配备窄方向天线)和交换设备(能够处理来自所述模块的信号，并向与该设备相关联的网络设备提供对外部数据交换网络的访问)组成。
-外部数据交换网络将基站与窄方向天线结合在一起，而基站能够与所述列车的尾部和头部射频模块建立通信，并沿列车路线安装，以使基站相对于铁路限界的位置提供基站天线和安装在列车上的无线电中继模块天线之间的直接可见性；
此外，基站和安装在列车上的射频模块的天线配置为发射短毫米波范围内的无线电波。
本发明的附加优点和基本特征可以在以下特定实施例中呈现。
具体来说，第一和第二头部模块的天线可以朝向位于移动列车前方的基站，第一和第二尾部模块的天线可以朝向位于列车后方的基站。
具体来说，第一头部模块和第一尾部模块的天线可以朝向位于移动列车前方的基站，第二头部模块和第二尾部模块的天线可以朝向位于列车后方的基站。
具体来说，基站位于铁路接触网支柱上。
具体来说，基站位于铁路限界边界和最接近该边界的铁路接触网支柱之间的支柱上。
具体来说，基站通过光纤通信路径联网。
具体来说，每个基站和列车上安装的每个射频模块由几个设备组成，这些设备提供无线信号的切换、路由、接收和传输。
对专利和科学技术文献的分析表明，现有技术不知道本发明的全部特征，因此，有理由认为本发明满足可专利性“新颖性”的条件。
同时，没有发现任何专利或其他信息来源会披露发明的区别特征对其提供的技术结果的影响，也就是说，这对专家来说不是显而易见的，因此，有理由认为本发明满足可专利性“创造性”的条件。
基于广为人知、前景通行的技术以及客观的物理定律，本发明可以付诸实践，这表明本发明满足可专利性“适用性”的条件。
在本说明书中，“射频模块”术语主要用于指安装在列车上的设备。应当理解，在基站的构造中也使用诸如射频模块之类的节点。为了消除可能的差异，在说明书中另外给出了所述射频模块具体指基站的直接指示。如果没有指示，则射频模块应视为列车数据网络设备的一部分。“射频模块”术语并不表示完整的单独通信设备，而是作为收发器、路由、交换节点的集合，在功能上组合在一起作为单个射频模块的一部分。
同时，文本将另外指示射频模块包括射频收发器。在这种情况下，应当理解，表示其在无线电波频率下工作的能力的“射频收发器”术语是安装在列车上的尾部或头部射频模块的组成部分，即安装在接触网支柱上的基站。
“铁路限界”术语是指垂直于铁路轨道轮廓轴的横向极限，其中除铁路机车车辆外，没有任何结构和装置的零件，以及位于铁路轨道附近的材料、备件和设备，用于与铁路机车车辆直接相互作用的装置零件(带紧固件的接触线、集水时液压柱干等)除外；前提是这些装置在内部空间中的位置与铁路机车车辆的相应部件相连，并它们不会导致与铁路机车车辆的其他元件接触(国际标准GOST9238-2013铁路机车车辆限界和建筑接近限界)。
“V波段”术语是指频率为40～75GHz的无线电波范围。
“E波段”术语是指频率为71～76GHz和81～86GHz的无线电波范围。
“W波段”术语是指频率为75～110GHz的无线电波范围。
“F波段”术语是指频率为90～140GHz的无线电波范围。
“D波段”术语是指频率为110～170GHz的无线电波范围。
“IQ信号”术语是指以信号的同相I(英文“In-Phase”)和正交Q(英文“Quadrature”)分量的形式呈现的数字或模拟信号。
术语“PLL”是指相位自动频率微调。
“PoE”术语是指标准化以太网供电(英文“PoweroverEthernet”)技术，根据该技术，一个设备允许通过以太网中的标准双绞线将电能和数据传输到另一个设备。
“OSI网络模型”术语是指OSI/ISO网络协议栈的标准化网络模型。通过该模型，各种网络设备可以相互交互。该模型定义不同层次的系统交互。每个层次(由前缀L和模型中的数字表示)在此交互中执行某些功能。
射频模块使用的“头部”和“尾部”术语有条件地反映了其在列车上的空间位置，这些术语的使用仅取决于列车的移动方向。当列车向相反方向移动时，“头部模块”术语可以表示先前位于列车条件尾部的模块，反之亦然，而不改变该节点的技术本质。
关于本发明、其特征及其解决的技术问题的其他解释在引用本说明书所附附图对其实现的实施例的详细描述中更详细地公开。
附图说明
图1a和图1b示出了“车对地”通信信道中的障碍物；
图1c示出了“车对地”通信信道的组织示意图；
图2和图3示出了射频头部模块、射频尾部模块和基站的射频收发器和路由模块的功能流程图；
图4a和图4b示出了在高速铁路上提供高速通信的方法的流程图；
图5a示出了基站在接触网支柱上的放置；
图5b、图5c、图5d示出了无线电波沿铁路轨道传播时第一菲涅耳区的计算图表；
图6示出了安装在列车上的接收器的接收信号强度图。
具体实施方式
本发明实施例的描述可以用作更好地理解其本质的示例，并引用附图进行阐述。然而，以下细节并非旨在限制本发明的实质，而是仅使其更清楚。
本发明基于提供无线中继通信的技术，该技术允许您在增加已建立通信信道容量的情况下远距离传输数据。为了使数据传输具有更好的容量，本发明引入了位于列车轨道上靠近铁路限界的基站。根据铁路采用的规定，铁路限界内的空间始终是自由的。这种基站布置允许其天线和安装在列车上的无线电中继模块天线之间的直接可见性。
由于所需的10Gbps左右的信息传输速率需要具有数GHz量级宽度的自由频带的可用性，因此从技术上讲，这只能在毫米波范围内实现。同时，由于毫米波长范围内的波传播的性质，有必要保持直接可见性。同时，在无线电波传播期间在第一菲涅耳区内提供自由区的要求很重要。空间中的第一菲涅耳区占据一个旋转椭圆的体积，其中集中了所有有用的传输信息。图1a示出了基站102沿着列车101的路线安装在单独桅杆上的情况。当波传播到与第一菲涅耳区对应的体积中时，自然(景观、森林植被)或人造(建筑物、铁路基础设施、桥梁、隧道)性质的障碍物103肯定会出现。在这种情况下，在波传播路径中没有出现明显障碍103的情况下，安装在铁路轨道高压电力基础设施的支柱104所在距离之外的基站102的视线将受到该基础设施本身的支柱104的限制。图1b示出了阻断从独立基站102到移动列车101的视线的效果。列车101从基站102经过的距离越远，这种影响越大，从基站102到铁路轨道的视角越小。在这种情况下，高压基础设施的一排支柱104在透视图中视觉上合并成一个固体屏障。
基站102采用能够在毫米范围内发射无线电波的天线。如人们所知，毫米波在波长为10mm至1mm的无线电波范围内，对应于30GHz至300GHz的频率。与低频段相比，毫米波无线电波的波长较短。这使得当在由高压电力线悬挂基础设施的支柱104形成的走廊内操作时，可以在长距离上提供改进的无线电通信范围和质量，因为所述第一菲涅耳区占据的体积随着波长的减少而变得更紧凑。消除无线电波与其传播轨迹上存在的障碍物103的接触，可以显著降低丢失信号有效载荷的概率。从这个意义上讲，适当地使用尽可能短的波长。然而，应该考虑到这样一个事实，即天气条件可能是短无线电波传播的障碍。如人们所知，毫米波无线电波能够很好地通过雾，因此在雾中有效衰减的较短无线电波(如可见光)不实用。从这方面来说，最理想的是使用工作频率范围V波段、E波段、W波段、F波段、D波段，一方面，已经开发出商业解决方案，另一方面，这些范围内的波可以不受阻碍地通过雾。
此外，基站102中使用的天线具有窄波束图。所有天线要么朝向列车101的移动方向，要么朝向相反的方向：在其头部或尾部。本发明不使用能够在列车路径以外的方向辐射无线电波的天线(通常是LTE或WiFi技术的情况)。所用天线的窄辐射方向图在一个给定方向上提供了显著的辐射浓度。由于在该方向上聚焦的窄波束宽度，可以实现大距离，在该距离上可以高效地建立无线电通信。窄波束宽度允许在列车101的方向上更精确地辐射无线电信号。辐射方向图是天线发射或接收的相对场强度的图形表示。此外，基站在铁路限界附近的位置导致窄波束传播时不会接触铁路基础设施并对其产生干扰。
本发明的另一个显著区别是使用位于列车后部和前部的射频模块。这是必要的，以确保用户设备和外部数据网络之间的网络连接质量得到保证。因此，可能存在头部模块和基站之间的通信信道可能中断的情况，或者当尾部模块和基站之间的通信信道可能中断的情况。然而，涉及不同射频模块的两个通信信道同时中断的情况瞬间极不可能发生，甚至几乎不可能发生。
建议基站之间的距离为2km，在此距离下，更有可能提供标称速度为10Gbps的永久通信信道。然而，如前所述，这是比在移动列车和支持LTE或Wi-Fi技术的基站之间建立通信信道更有效的替代方案。例如，在使用Wi-Fi的情况下，基站之间的距离将等于几十米，以提供可靠的通信信道。一个无线中继设备的成本超过了一个Wi-Fi接入点的成本，但同时，在更长的距离内，无线中继技术的使用变得更具成本效益，维护要求更低，更可靠。值得注意的是，在所有情况下，沿铁路安装设备的成本都相当高。同时，允许使用较少数量的设备(尤其是基站)来解决提供高速通信的问题的技术变得更具成本效益。
值得注意的是，拟议的方法和系统不需要建造复杂庞大的基础设施。铁路轨道设计的一个特点是，在长路段上安装了接触网支柱，其承受沿着铁路延伸的电缆的负载，并安装了特殊的开关设备。请求保护的发明使用该特征，并涉及将无线电中继基站放置在接触网支柱上。
本发明能够在铁路的直线高速段上以高达10Gbps(但不限于此)的速度提供最大范围的数据传输，这是俄罗斯铁路通信发展的一个有希望的方向，并且正在欧洲、日本、中国和世界许多其他国家积极投入使用。值得注意的是，在此类铁路上运行的列车能够达到300～400km/h的速度，这使得使用LTE和WiFi技术与列车进行通信变得更加困难。
根据图1c，列车101正在铁路的高速路段上行驶。沿着铁路列车101的路线，放置接触网支柱104。无线电中继基站102可以安装在每个或一些支柱104上。基站102之间的距离是基于地形、该地区的典型天气条件、是否存在自然屏障来选择的。例如，基站102可以每隔1km、2km、3km放置一次，但不限于彼此之间的这些近似距离。优选地，基站之间的距离以这样的方式选择，即当在它们与列车101的射频模块之间建立通信时，满足视线条件，即各种性质的障碍物不能出现在第一菲涅耳区内。基站102彼此之间的距离大致相同，或者从上述示例性距离组中选择不同的距离。
每个基站102包括一个或多个无线电模块。无线电模块由具有窄波束天线的射频收发器和可能的路由模块组成。如果基站102包含多个无线电模块，则这些块可以包括在计算机网络中，并由一个公共路由模块为其提供服务，该模块可以是此类无线电模块的整体部分和外部部分，包括作为同一基站一部分的另一无线电模块的一部分。基站102使用交换机105通过光纤通信路径连接，提供到电信运营商106的主干基础设施的网络连接。优选地，选择交换机以使其能够支持无线电支持的最大数据速率。在特定情况下，每个交换机的网络接口(端口)支持标称值为10Gbps的数据交换带宽，或者交换机支持通过来自无线电模块的收发器的负载增加的倍数来增加其带宽。所有的节点102、105、106的连接形成外部数据网络。
至少两个头部射频模块107安装在列车101的头部，至少两个尾部射频模块108安装在列车101的后部。模块107和模108连接到列车101的内部数据传输网络。该网络还包括安装在列车101车厢内的网络交换设备，能够与模块107和108处理、转换和交换数据。所述设备提供无线或有线接入点，用于连接列车101乘客的用户设备或服务网络设备，例如监控摄像头。当沿着路线行驶时，列车101始终位于列车101正前方和后方的两个基站102之间。在一个实施例中，头部模块107与其最近的前面基站102建立通信信道109，尾部模块108与其最近的后面基站102建立通信信道109。然而，可能进行个别实施例，其中射频模块107、108被配置为能够同时或交替地连接到位于列车101前后的基站102。
“车对地”聚合通信信道允许解决以下商业、服务网络流量传输问题：
–提供高速互联网连接；
–提供对远程网络存储中视听媒体内容的访问，包括列车101沿线景点的信息；
–为乘客提供将道路上创建的视频和图形材料上传到社交网络的机会。
此外，“车对地”通信信道允许利用传输服务网络流量的以下优势：
–提供车内情况的远程集中视频监控，检测事件(例如火灾)；
–向铁路中央控制提供列车控制系统参数的实时传输，提供反馈，例如，通过调用远程紧急制动功能来响应事件。
根据图2，尾部、头部射频模块和基站包含射频收发器200。射频收发器200包括在发射器芯片上实现的传输路径，IQ信号校正器201、IQ信号到毫米范围的转换器202焊接在该传输路径上。接收路径连接到双工器203。双工器203连接到在接收器芯片上实现的接收路径，毫米范围IQ信号转换器204、IQ信号放大器205焊接在该接收路径上。双工器203将传输路径和接收路径相互连接。
放大器202的输入之一通过传输路径本地振荡器信号的PLL连接到频率合成器206的输出。转换器204的输入之一通过接收路径本地振荡器信号的PLL连接到频率合成器207的输出。频率合成器206和207的输入连接到相关基准晶体振荡器209的频率合成器208的输出。
频率合成器206和207能够根据控制单元210的命令调谐工作频率。功率滤波单元211向收发机单元提供滤波后的功率。
共同实现收发器的芯片优选地使用具有波导输入和输出的Analog Devices表面安装芯片，而不需要使用波导扁带转接器。
射频收发器200的数字输入接收信息无线电信号的同相和正交分量。在校正器201中，对齐信号分量的参数以补偿其路径的不一致性。信号进入传输路径，其中信息信号在转换器202处传输到E波段射频范围。双工器203将传输路径和接收路径连接到天线输入/输出，同时将它们彼此电解耦。在接收路径中，E波段射频信号在转换器204处转换为信息信号的同相和正交分量。放大器205增加信号分量的电平，以便随后将其传输到调制解调器。
使用每个I/I'/Q/Q'通道的独立调谐可以形成高质量的输出频谱，而不会将本地振荡器泄漏到发射器输出。通过对发射器输出功率和接收器增益系数的数字调整，可以在极长距离和极短距离使用无线电中继电桥。
收发器200的频率控制允许在71GHz～76GHz和81GHz～86GHz的整个分配频带中操作。高度集成使其能够作为一个完整的设备放置在一个小封装中，配备IQ数据、电源和SPI控制接口，组装在一个连接器中。传输信号的带宽可在64.5MHz到2GHz之间调节。本地振荡器的低相位噪声允许使用以下类型的调制：BPSK、QPSK、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM。输出功率至少为22dBm。接收器噪声系数不超过5dB。当与10GbE基带调制解调器结合使用时，收发器200提供了一个信息传输速率高达10Gbps的“点对点”无线中继链路。
根据图3，尾部、头部射频模块和基站可以包含路由模块300。路由模块300包括串行连接的调制解调器单元301、主机控制器302、交换机单元303。交换机单元连接到数据接口(10GbESFP+光接口304)和1GbE PHY节点305。每个节点305连接到铜接口306的节点。交换机单元303还连接到DDR3存储器307和NANDFLASH存储器312。调制解调器单元301和交换机单元303还连接到PLL数字节点309。路由模块由电源装置310供电。电源装置310支持PoE，并连接到PoE节点311。尽管图3没有明确指示电源装置310与装置的其他单元和节点的连接，但除了PoE节点311之外，应该理解，电源装置向需要它的所有单元和节点提供电源。在各种实施例中，电源装置310可以向不属于路由模块的其他设备和节点供电。同时，电源装置310、调制解调器单元301和交换机单元303安装在一个公共板上。这确保了设备的紧凑性，以及在单个密封壳体中以整体形式执行的可能性。
调制解调器单元301基于SoCMaxLinear数字信号处理器，该处理器允许实现数字处理功能的全面列表，以确保与射频收发器的信号交换。由于使用路由模块的无线电中继模块打算在室外使用(例如，在建筑物屋顶上)，因此选择这种多功能处理器是合理的，以减少维护要求和更换组件周期。
为了能够在无线电中继链路中使用路由模块，调制解调器单元301的程序指令可以实现以下一个或多个选项：
-补偿传输路径预失真非线性的算法，允许在高调制(128-QAM)下实现收发器的高输出功率；
-FEC信号中的纠错算法，在某些BER下提高了接收器灵敏度指数；
-自适应调制和ACMB频段的算法，允许根据天气条件自动调整无线电操作模式，从而提高无线电中继链路的可用性系数。
主机控制器2具有软件指令，用于管理安装在调制解调器和交换机单元中的软件，提供模块外壳内的微气候，记录模块软件活动，并提供图形管理界面。
交换机单元303在具有内部总线的网络处理器上实现，该总线能够以高达120gbps的速度处理数据。这种处理器的一个例子是Marvell载波级处理器。在缺乏此类数据处理能力的情况下，当用于无线电中继链路时，使用路由模块将很困难或几乎不可能。交换机单元303具有支持OSI网络模型的第二层之上协议的软件指令。在个别实施例中，调制解调器单元能够支持OSI模型的L2+层协议的实现，即第二层及以上的功能：支持虚拟局域网(英文“VLAN/VirtualLocalAreaNetwork”)、质量服务(英文“QoS/QualityofService”)的交换和路由数据包。在其他个别实施例中，所述处理器能够执行软件指令以支持L3-L4协议。这使得模块具有可扩展性和可灵活配置性。
头部、尾部射频模块和基站制造在无线电中继模块的单个密封外壳中，该外壳包含射频收发器200和路由模块300。这两个设备可能都是在同一块板上制造的。除了上述设备外，射频模块还可以包括其操作所需的附加组节点。通过PoE工作的能力消除了将电力电缆连接到模块的需要。结构组件可以通过以太网电缆(双绞线)供电。这使得简化和降低结构的安装和配置成本成为可能。
根据图4a，在高速铁路上提供高速通信的方法如下所示。
在步骤401，在基站104的天线以及移动列车101的射频模块107和108上发射短毫米波范围内的无线电波。基站102的无线电中继天线被配置为辐射窄波束宽度波。同时，天线的特征是辐射方向图窄。尽管在该方法的动作顺序中首先列出了步骤401，但应当理解，来自列车101和基站102的设备的天线的无线电波辐射是连续的，无论列车101是否在基站102提供的覆盖区域内，并且基本上与该方法中的其余动作同时进行。可以执行来自模块107和108的天线的无线电波辐射，以搜索最近的基站102，并与有效载荷交换无线信号。
在步骤402，在头部模块107与其最近的前面基站102之间建立至少一个通信信道，而在尾部模块108与其最近的后面基站102之间建立至少一个通信信道。建立的通信信道的数量取决于基站102中的尾部、头部射频模块107、108和无线电模块的数量。可以安装多个通信信道，特别是为了其冗余，以便在其中一个通信信道中断的情况下，将网络流量传输到备份信道，或倍增数据传输速率。基站102和模块107、108之间的通信信道以全双工模式运行，具有使用频分双工(英文“FDD/Frequency DivisionDuplex”)方法的频分信道。
为了确保通过每个后续基站时连接的连续性，使用无缝漫游方法，在本发明中，在步骤403和404中不断实现该方法。
在步骤403中，在列车经过基站102之前不久，在头部模块107和下一个最近的基站102之间建立至少一个通信信道109。
在步骤404，在列车(即其尾部)经过位于前面的基站后，在尾部模块108和所述基站102之间建立至少一个通信信道109。在一个实施例中，每个头部模块的天线在与列车移动基本相同的方向上向前定向，每个尾部模块的天线分别向后定向。在本实施例中，当切换通信信道109时，其中一个头部模块107(备用)开始与下一个最近的基站102运行，并且其中一个头部模块107(主)继续与最近的基站运行，直到列车101的头部穿过它。类似地，可以在尾部模块108和基站102之间切换通信信道。因此，尾部模块108(备用)之一通过位于通道前面的基站102后开始与该站运行，并且尾部模块108(主)之一继续与先前的基站102运行。
频率计划的设计使得基站102之间的相邻距离段具有不同的频率和/或极化：偶数段具有一个频率计划和/或极化，奇数段具有另一个频率计划和/或极化。备用和主无线电模块(头部107和尾部108)也按频率和极化划分。因此，确保了主模块和备用模块的同时操作，而不会在基站102附近的区域相互影响，尽管时间很短。头部模块107和尾部模块108交替运行，在一个频率计划和极化中，处于距离的偶数段，然后在另一个中，处于距离的奇数段。仅在列车接近基站102之前不久，备用和主模块107、108才能同时工作。从一个基站切换到下一个基站的流量路由基本上是即时发生的，因为与下一个基站的通信信道已经建立，并且准备在列车尚未通过当前基站102时发送流量。
考虑基站102和模块107、108之间的切换示例。在铁路的某个区段上，列车101位于第一和第二基站102之间，靠近列车。由于列车101的头部及其尾部不是同时穿过第二基站，而是有一些延迟，因此在将头部模块107切换到第三基站102的短时间内，将通过尾部模块108和第一基站104之间的通信信道提供通信。然后，当头部模块107和第三基站102之间已经建立通信时，尾部模块108切换到第二基站102的时刻将到来。因此，在列车开来在基站之间的主要时间内，两个信道都被涉及，流量被聚合。仅在头部模块107或尾部模块108的短和非同时切换时间时，分别涉及一个通信信道，即尾部或头部。
循环步骤403和404，直到列车101通过模块107、108可以沿列车101的路线连接的最后一个基站102。
根据图4b，在另一个实施例中，第一头部模块107的天线和第一尾部模块108的天线向后，基本上与列车的移动方向相同。成对的第二无线电模块107和108的天线分别向前定向。在步骤405，在步骤401之后，在第一头部模块和位于列车101和第一尾部模块108后面的基站与同一基站102之间建立通信信道。同时，在第二头部模块107和位于列车101前面的最近基站102之间建立通信信道。在第一次切换之前，第一模块107和108连接到位于列车101后面的同一基站102，第二头部模块107连接到位于前面的基站。当接近该基站102时，第二头部模块107向第二尾部模块108发送信号，并在第二尾部模块108经过列车头部之前不久请求连接到同一基站102。当列车101经过前面的基站时，天线向后的第一头部模块107与其建立通信信道；其天线也向后定向的第一尾部模块108继续与前一个基站工作，直到可以与下一个基站102建立通信信道，这将在列车101的尾部经过后发生。第二尾部模块108在列车尾部经过其具有通信信道的基站104之后，继续等待连接到下一个基站102的请求。在本实施例中，第一和第二模块107、108与基站之间的距离小于上述实施例中的距离。
在第二次切换之前，天线向后的第一头部模块107和第一尾部模块108重复步骤405，并与位于列车后面的基站102一起运行；天线向前的第二头部模块107重复步骤406，并与其最近的基站102一起运行。在第二尾部模块108经过列车头部之前不久，其天线也向前的第二尾部模块108重复步骤407，并连接到第二头部模块107已经与之运行的基站。
在每次后续切换之前，模块107、108重复步骤405、406、407，直到列车101通过最后一个基站102，所述模块中的至少一个可以沿着列车101的路径连接到该基站。
在步骤408，在列车101的内部数据网络的交换设备上，处理来自模块107、108的信号，并向用户设备提供对外部数据网络的访问。应当注意，步骤408不是步骤404完成后的下一个步骤，而是根据图4а所示的流程图与步骤402、403、404并行执行的。根据图4b中所示的流程图，步骤408还与步骤405、406、407并行执行。
图5a示出了基站102的位置，基站102安装在高压基础设施的支柱104上，铁路限界中心轴501一定距离。考虑基站102和轴501之间的距离不同的情况。
图5b、图5c、图5d示出了无线电波沿铁路轨道传播期间第一菲涅耳区的图形表示，其中无线电发射器和无线电接收器之间的距离值标记在水平轴上，铁路轨道中心和接触网支柱之间的距离值标记在垂直轴上，而在垂直轴0上是铁路轨道的中心轴501，穿过-3.3m值的线502表示接触网支柱相对于轴501的位置。从接收器(图表右垂直边界上的点)到收发器(图表左垂直边界上的点)的波束方向对应于线502。第一菲涅耳区是在图上以线504为边界的椭圆。当在第一菲涅耳区内没有障碍物时，实现了最佳的信号稳定性和传输质量，即该区域的边界504不应接触或穿过通过接触网支柱所在的-3.3m值的线502。
图5b示出了第一菲涅耳区计算情况，其中基站天线尽可能靠近铁路限界，距离中心轴5011.8m。这确保了在不干扰高压基础设施支柱的情况下实现最大通信范围。从图表中可以看出，范围约为4.5km，即在接收器和收发器之间的该距离处，观察到视线状况。
图5c示出了第一菲涅耳区计算情况，其中基站天线放置在距离中心轴5012.6m的位置。同时，接收器和收发器之间的距离(在该距离处，第一菲涅耳区尽可能靠近基础设施支柱)对应于2km。
图5d示出了第一菲涅耳区计算情况，其中基站天线尽可能靠近基础设施支柱，距离中心轴5013.0m。第一个菲涅耳区保持自由的最大距离约为500m。
当选择列车沿线基站之间的距离时，可以使用上述菲涅耳区的计算值。
图6示出了列车射频模块的接收信号强度。垂直轴对应于接收信号电平值(dBm)，水平轴对应于基站之间的距离(km)。图表上的线601反映了尾部模块108和列车101后面的基站之间的信号强度。图表上的线602反映了头部模块107和列车101前面的基站之间的信号强度。
当列车101从后面的基站102移动时，线601表示信号强度逐渐波动下降。当列车接近前面的基站102时，线602号表示信号强度逐渐波动增加。正弦特征可能是由于主信号和从地面反射的信号的叠加。图表性质对应于理论计算。
上述实施例旨在说明以下特定技术问题的解决方案：
-通过在短毫米波范围内使用无线电波，提供标称速度为10Gbps的“车对地”类别通信信道；
-遵守列车线路上的基站和列车上安装的射频模块之间的视线条件，以确保其在短毫米范围内运行；
-通过在铁路限界附近安装基站，遵守关于禁止在铁路限界内安装第三方设备的铁路基础设施建设监管要求；
-通过减少第一菲涅耳区，在毫米波沿铁路基础设施传播期间排除障碍物；
-通过使用基站和射频模块的适当组件基础，确保在商业开发的波段V波段、E波段、W波段、F波段、D波段中运行。
应当理解，本发明的上述实施例仅是对本发明的说明，不应被解释为限制性的。本发明可以在不改变其主要内容的情况下用其他细节、特性和修改进行补充，由独立权利要求表达，并由从属权利要求指定。

Claims (14)

1.一种在高速铁路上提供高速通信的方法，其中连接到外部数据传输网络的基站沿着列车的路线安装；基站配备有高度定向的天线，能够与列车上安装的头部和尾部射频模块通信，还配备窄方向天线，并集成到内部数据传输网络中，基站相对于铁路限界的位置提供了基站天线和安装在列车上的无线电中继模块天线之间的直接可见性，而该方法包括以下步骤：
-在移动列车的基站和射频模块的天线上发射短毫米波范围内的无线电波；
-在第一个头部模块和位于其前面的最近基站之间以及在第一尾部模块和位于其后面的最靠近它的基站之间建立通信信道；
-在经过位于前面的基站之前，在第二个头部模块与距离列车最近的下一个基站之间建立通信信道；
-在经过位于列车前方的基站的列车后，在第二尾部模块和该基站之间建立通信信道；
此外，通过已建立的通信信道进行交换的无线电信号在与射频模块相关的交换设备上进行处理，并向列车上的网络设备提供对外部数据交换网络的访问。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一和第二头部模块的天线朝向位于移动列车前方的基站，第一和第二尾部模块的天线朝向位于列车后方的基站。
3.根据权利要求1所述的方法，其中基站天线配置为发射波束宽度较窄的波。
4.根据权利要求1所述的方法，其中基站和安装在铁路列车上的模块之间的通信信道设置为全双工模式，信道进行频率和极化划分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中发射的无线电波位于从V波段、E波段、W波段、F波段和D波段组中选择的一个射频波段中。
6.一种在高速铁路上提供高速通信的方法，其中连接到外部数据传输网络的基站沿着列车的路线安装；基站配备有高度定向的天线，能够与列车上安装的头部和尾部射频模块通信，还配备窄方向天线，并集成到内部数据传输网络中，基站相对于铁路限界的位置提供了基站天线和安装在列车上的无线电中继模块天线之间的直接可见性，而该方法包括以下步骤：
-在移动列车的基站和射频模块的天线上发射短毫米波范围内的无线电波；
-在第一头部模块、第一尾部模块和位于其后面的最靠近它们的基站之间建立通信信道，同时在第二头部模块和位于基站前面的最近模块之间建立通信信道；
-在车头经过位于前面的基站之前，在第二尾部模块与该基站之间建立通信信道；
此外，通过已建立的通信信道进行交换的无线电信号在与射频模块相关的交换设备上进行处理，并向列车上的网络设备提供对外部数据交换网络的访问。
7.根据权利要求6所述的方法，其中第一头部和第一尾部模块的天线朝向位于移动列车后面的基站，第二头部和第二尾部模块的天线朝向位于列车前面的基站。
8.一种用于在高速铁路上提供高速通信的系统，该系统包括内部和外部数据交换网络，同时，内部网络由安装在列车后部的尾部射频模块(配备窄方向天线)、安装在所述列车前部的头部射频模块(配备窄方向天线)和交换设备(能够处理来自所述模块的信号，并向与该设备相关联的网络设备提供对外部数据交换网络的访问)组成；外部数据交换网络将基站与窄方向天线结合在一起，而基站能够与所述列车的尾部和头部射频模块建立通信，并沿列车路线安装，以使基站相对于铁路限界的位置提供基站天线和安装在列车上的无线电中继模块天线之间的直接可见性；此外，基站和安装在列车上的射频模块的天线配置为发射短毫米波范围内的无线电波。
9.根据权利要求8所述的系统，其中第一和第二头部模块的天线朝向位于移动列车前方的基站，第一和第二尾部模块的天线朝向位于列车后方的基站。
10.根据权利要求8所述的系统，其中第一头部和第一尾部模块的天线朝向位于移动列车前面的基站，第二头部和第二尾部模块的天线朝向位于列车后面的基站。
11.根据权利要求8所述的系统，其中基站位于铁路接触网支柱上。
12.根据权利要求8所述的系统，其中基站位于铁路限界边界和最接近该边界的铁路接触网支柱之间的支柱上。
13.根据权利要求8所述的系统，其中基站通过光纤通信路径联网。
14.根据权利要求8所述的系统，其中每个基站和列车上安装的每个射频模块由几个设备组成，这些设备提供无线信号的切换、路由、接收和传输。
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