CN116886133A - 面向轨道交通通信的智能反射面优化方法及系统 - Google Patents

面向轨道交通通信的智能反射面优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种面向轨道交通通信的智能反射面优化方法及系统，当列车经过预设在列车轨道的传感器时，通过传感器获取列车的位置和速度；基于所述位置和速度得到当前时刻列车位置；基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；基于列车的速度计算信号的多普勒频移；基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。该面向轨道交通通信的智能反射面优化方法解决现有技术中无法在智能反射面上处理不同速度的多普勒效应，造成使用智能反射面用户不能正常通信的问题。

Description

面向轨道交通通信的智能反射面优化方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种面向轨道交通通信的智能反射面优化方法、系统、电子设备及存储介质。
背景技术
很多铁路和公路都穿梭于崇山峻岭和隧道之间，对于无线信号来说，由于高山和隧道的阻隔，经常造成山间和隧道内没有无线信号，以至于铁路终端设备和移动通信用户在这些地方不能正常通话和数据的传输。
由于基站的成本较高，直放站或者漏缆是经常被用到的设备，但直放站和漏缆的成本也相当于基站的20-30%，安装和调测的成本也比较高，后期也需要经常性的定期维护，且都是有源设备，用电量也是笔不可忽视的费用。
铁路是固定线路，不要求民用场景下多维度的反射，更适合应用智能反射面解决高山之间和隧道内的覆盖问题，对于较长的隧道可以用接力的方式多安装智能反射面；但铁路高速移动的特殊性，也同时产生了多普勒效应，故需要在智能反射面上处理不同速度的多普勒效应，否则造成即使接收信号很好，但由于频偏较大，用户还是不能正常通信。
亟需一种能够在智能反射面上处理不同速度的多普勒效应的方法。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种面向轨道交通通信的智能反射面优化方法、系统、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中无法在智能反射面上处理不同速度的多普勒效应，造成使用智能反射面用户不能正常通信的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，所述方法具体包括：
当列车经过预设在列车轨道的传感器时，通过传感器获取列车的位置和速度；
基于所述位置和所述速度得到当前时刻列车位置；
基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；
基于列车的速度计算信号的多普勒频移；
基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步地，所述基于所述位置和速度得到当前时刻列车位置，包括：
通过公式1计算当前时刻列车位置；
公式1；
式中，为当前时刻列车位置，di为传感器i在轨道上的位置，v为传感器测量列车的速度，t0为列车经过传感器的时间，/>为当前时刻。
进一步地，所述基于当前时刻列车位置计算信号的到达角，包括：
通过公式2计算方向角；
公式2；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，/>为方向角。
进一步地，所述基于当前时刻列车位置计算信号的到达角，还包括：
通过公式3计算俯仰角；
公式3；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，为俯仰角。
进一步地，所述基于列车的速度计算信号的多普勒频移，包括：
通过公式4计算速度v在智能反射面到列车连线方向的分量；
公式4；
式中，为列车速度的三维速度矢量，/>为智能反射面的坐标，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
进一步地，所述基于列车的速度计算信号的多普勒频移，还包括：
通过公式5计算多普勒频移；
公式5；
式中，为信号的原始频率，c为光速，/>为多普勒频移，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
进一步地，所述基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿，包括：
通过公式6计算智能反射面天线的相位补偿；
公式6；
式中，为相位补偿，f为考虑了多普勒频移的信号频率，/>，/>为信号的原始频率，/>为多普勒频移，c为光速，/>为任意天线到基准天线的距离在信号前进方向上的分量。
一种面向轨道交通通信的智能反射面优化系统，包括：
传感器，用于当列车经过预设在列车轨道的传感器时，通过传感器获取列车的位置和速度；
第一计算模块，用于基于所述位置和速度得到当前时刻列车位置；
第二计算模块，用于基于当前时刻列车位置计算信号的到达角，基于列车的速度计算信号的多普勒频移；
第三计算模块，用于基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如所述方法的步骤。
一种非暂态计算机可读存储介质，其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所述方法的步骤。
本发明实施例具有如下优点：
本发明中面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，当列车经过预设在列车轨道的传感器时，通过传感器获取列车的位置和速度；基于所述位置和所述速度得到当前时刻列车位置；基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；基于列车的速度计算信号的多普勒频移；基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿；本发明使用无源智能反射面提高基站在复杂地形和建筑阴影下的覆盖能力。其不需要外接电源增强信号的能力使其具有很低的安装和运营成本，对远离市区的铁路而言，因增强覆盖范围而较少的基站数量和无源的智能反射面十分重要。本发明明确考虑了多普勒效应对相位补偿的影响，解决了现有技术中在智能反射面上处理不同速度的多普勒效应，造成使用智能反射面用户不能正常通信的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明面向轨道交通通信的智能反射面优化方法的流程图；
图2为本发明传感器在轨道上的布置示意图；
图3为本发明用俯仰角和方向角描述三维空间中方向的示意图；
图4为本发明面向轨道交通通信的智能反射面优化系统的架构图；
图5为本发明提供的电子设备实体结构示意图。
其中附图标记为：
传感器10，第一计算模块20，第二计算模块30，第三计算模块40，电子设备50，处理器501，存储器502，总线503。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例
图1为本发明面向轨道交通通信的智能反射面优化方法实施例流程图，如图1所示，本发明实施例提供的一种面向轨道交通通信的智能反射面优化方法包括以下步骤：
S101，当列车经过预设在列车轨道的传感器10时，通过传感器获取列车的位置和速度；
具体的，如图2所示，我们在轨道上每隔一段距离放置测量列车速度的传感器10。在轨道上每隔一段距离放置传感器10（1，2，3等），当列车经过时，传感器10测量列车速度，这样可以得知列车在经过当前传感器10时的速度和位置。
S102，基于位置和速度得到当前时刻列车位置；
具体的，通过公式1计算当前时刻列车位置；
公式1；
式中，为当前时刻列车位置，di为传感器10i在轨道上的位置，v为传感器10测量列车的速度，t0为列车经过传感器10的时间，/>为当前时刻。
列车沿固定线路以给定的速度行驶的特性使得确定位置与速度相对容易。实际上，虽然列车并非严格匀速，但是在较短的时间内速度变化不会很大，所以以上估计较为准确。
S103，基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；
具体的，通过公式2计算方向角；
公式2；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，/>为方向角。
根据轨道线形可以根据当前时刻列车位置d计算出列车的三维坐标是。如果智能反射面的坐标是/>；
定义反射面中的一个天线为基准天线，其他任意天线到基准天线的位移是d=(Δx,Δy,Δz)。
使用球坐标系中俯仰角θ和方向角描述三维空间中的方向。其中θ= 0°指向正上方，θ= 90°指向水平方向，θ= 180°指向正下方。/>=0°指向正北方，/>= 90°指向正西方，/>=180°指向正南方，/>= 270°指向正东方。用俯仰角和方位角描述三维空间中的方向的方法如图3所示。
球坐标系下方向(θ,)在笛卡尔坐标系下的单位向量是e = (sinθcos/>, sinθsin/>, cosθ)。因此可以计算任意天线到基准天线的距离在信号前进方向上的分量为：
；
其中是d和e之间的夹角。这个式子成立是因为向量内积等于它们的模与它们之间夹角的余弦之积，且e的模是1。
可以根据l计算出天线的相位补偿为：
其中f是信号频率，c是光速。智能反射面需要抵消基站到智能反射面的相位差和智能反射面到列车的相位差。其中前者固定，后者随时间变化。总的补偿相位是二者造成的相位差之和的相反数。
由以上两式可知相位调整取决于到达角和信号频率，而二者又取决于列车的速度和位置：列车的位置决定了信号从智能反射面发出后的出发角，列车的速度和位置共同决定了速度在智能反射面到列车连线方向上的分量。
通过公式3计算俯仰角；
公式3；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，/>为俯仰角。
S104，基于列车的速度计算信号的多普勒频移。
具体的，通过公式4计算速度v在智能反射面到列车连线方向的分量；
公式4；
式中，为列车速度的三维速度矢量，是速度在x，y，z方向上的分量，小圆点表示导数，位置的导数即位速度；/>为智能反射面的坐标，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
当信号从列车向智能反射面发射时，通过公式5计算多普勒频移；
公式5；
式中，为信号的原始频率，c为光速，/>为多普勒频移，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
当信号是从基站经由智能反射面发往列车时，由于基站和智能反射面相对静止，信号的频率不变。
S105，基于到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿；
具体的，通过公式6计算智能反射面天线的相位补偿；
公式6；
式中，为相位补偿，f为考虑了多普勒频移的信号频率，/>，/>为信号的原始频率，/>为多普勒频移，c为光速，/>为任意天线到基准天线的距离在信号前进方向上的分量。
如果基准天线的坐标为，相位补偿为0，另一天线 p的坐标为，则/>。
通过到达角和多普勒频移计算智能反射面每个天线的相位补偿，最大化接收信号的功率。
该面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，当列车经过预设在列车轨道的传感器10时，通过传感器10获取列车的位置和速度；基于所述位置和所述速度得到当前时刻列车位置；基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；基于列车的速度计算信号的多普勒频移；基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。解决了现有技术中无法在智能反射面上处理不同速度的多普勒效应，造成使用智能反射面用户不能正常通信的问题。
本发明使用无源智能反射面提高基站在复杂地形和建筑阴影下的覆盖能力。其不需要外接电源增强信号的能力使其具有很低的安装和运营成本，对远离市区的铁路而言，因增强覆盖范围而较少的基站数量和无源的智能反射面十分重要。
智能反射面的一大挑战在于巨大的天线数量带来的高维优化问题。列车沿固定轨道行驶的特性使得智能反射面的调整更加容易，极大地增强了可行性和稳定性。高速铁路的高速度造成很强的多普勒效应。本发明明确考虑了多普勒效应对相位补偿的影响。这在智能反射面在高铁的应用中属于首次，具有很强的实际意义。智能反射面与轨道交通的结合，增强基站在复杂地形和建筑阴影中的覆盖能力，从而减少基站的数量。这对远离市区的轨道交通十分重要无源的智能反射面不需要外接电源放大信号，这同样对远离市区的轨道交通非常重要。列车沿固定轨道线路行驶使得智能反射面的相位补偿计算十分简单，相对其他应用而言更容易实现。高速列车造成较高的多普勒频移，必须将其考虑在相位补偿的计算中。
图4为本发明面向轨道交通通信的智能反射面优化系统实施例流程图；如图4所示，本发明实施例提供的一种面向轨道交通通信的智能反射面优化系统，包括以下步骤：
传感器10，用于当列车经过预设在列车轨道的传感器10时，通过传感器10获取列车的位置和速度；
第一计算模块20，用于基于所述位置和速度得到当前时刻列车位置；
第二计算模块30，用于基于当前时刻列车位置计算信号的到达角,基于列车的速度计算信号的多普勒频移；
第三计算模块40，用于基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。
所述第一计算模块20还用于：
通过公式1计算当前时刻列车位置；
公式1；
式中，为当前时刻列车位置，di为传感器10i在轨道上的位置，v为传感器10测量列车的速度，t0为列车经过传感器10的时间，/>为当前时刻。
所述第二计算模块30还用于：
通过公式2计算方向角；
公式2；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，/>为方向角。
通过公式3计算俯仰角；
公式3；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，为俯仰角。
通过公式4计算速度v在智能反射面到列车连线方向的分量；
公式4；
式中，为列车的三维坐标，/>为智能反射面的坐标，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
通过公式5计算多普勒频移；
公式5；
式中，为信号的原始频率，c为光速，/>为多普勒频移，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
本发明的一种面向轨道交通通信的智能反射面优化系统，当列车经过预设在列车轨道的传感器10时，通过传感器10获取列车的位置和速度；通过第一计算模块20基于所述位置和速度得到当前时刻列车位置；通过第二计算模块30基于当前时刻列车位置计算信号的到达角，基于列车的速度计算信号的多普勒频移；通过第三计算模块40基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。该面向轨道交通通信的智能反射面优化方法解决现有技术中无法在智能反射面上处理不同速度的多普勒效应，造成使用智能反射面用户不能正常通信的问题。
图5为本发明实施例提供的电子设备实体结构示意图，如图5所示，电子设备50包括：处理器501(processor)、存储器502(memory)和总线503；
其中，处理器501、存储器502通过总线503完成相互间的通信；
处理器501用于调用存储器502中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：当列车经过预设在列车轨道的传感器10时，通过传感器10获取列车的位置和速度；基于所述位置和所述速度得到当前时刻列车位置；基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；基于列车的速度计算信号的多普勒频移；基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：当列车经过预设在列车轨道的传感器10时，通过传感器10获取列车的位置和速度；基于所述位置和所述速度得到当前时刻列车位置；基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；基于列车的速度计算信号的多普勒频移；基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的存储介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各实施例或者实施例的某些部分的方法。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，其特征在于，所述方法具体包括：
当列车经过预设在列车轨道的传感器时，通过传感器获取列车的位置和速度；
基于所述位置和所述速度得到当前时刻列车位置；
基于当前时刻列车位置计算信号的到达角；
基于列车的速度计算信号的多普勒频移；
基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。
2.根据权利要求1所述面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，其特征在于，所述基于所述位置和速度得到当前时刻列车位置，包括：
通过公式1计算当前时刻列车位置；
公式1；
式中，为当前时刻列车位置，di为传感器i在轨道上的位置，v为传感器测量列车的速度，t0为列车经过传感器的时间，/>为当前时刻。
3.根据权利要求2所述面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，其特征在于，所述基于当前时刻列车位置计算信号的到达角，包括：
通过公式2计算方向角；
公式2；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，/>为方向角。
4.根据权利要求3所述面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，其特征在于，所述基于当前时刻列车位置计算信号的到达角，还包括：
通过公式3计算俯仰角；
公式3；
式中，为智能反射面的坐标，/>为列车的三维坐标，/>为俯仰角。
5.根据权利要求4所述面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，其特征在于，所述基于列车的速度计算信号的多普勒频移，包括：
通过公式4计算速度v在智能反射面到列车连线方向的分量；
公式4；
式中，为列车速度的三维速度矢量，/>为智能反射面的坐标，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
6.根据权利要求5所述面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，其特征在于，所述基于列车的速度计算信号的多普勒频移，还包括：
通过公式5计算多普勒频移；
公式5；
式中，为信号的原始频率，c为光速，/>为多普勒频移，/>为速度v在智能反射面到列车连线方向的分量。
7.根据权利要求6所述面向轨道交通通信的智能反射面优化方法，其特征在于，所述基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿，包括：
通过公式6计算智能反射面天线的相位补偿；
公式6；
式中，为相位补偿，f为考虑了多普勒频移的信号频率，/>，/>为信号的原始频率，/>为多普勒频移，c为光速，/>为任意天线到基准天线的距离在信号前进方向上的分量。
8.一种面向轨道交通通信的智能反射面优化系统，其特征在于，包括：
传感器，用于当列车经过预设在列车轨道的传感器时，通过传感器获取列车的位置和速度；
第一计算模块，用于基于所述位置和速度得到当前时刻列车位置；
第二计算模块，用于基于当前时刻列车位置计算信号的到达角，基于列车的速度计算信号的多普勒频移；
第三计算模块，用于基于所述到达角和多普勒频移计算智能反射面天线的相位补偿。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中的任一项所述的方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中的任一项所述的方法的步骤。
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