CN203523044U - 一种支持高铁移动通信的无重叠无线覆盖装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种支持高铁移动通信的无重叠无线覆盖装置，涉及高速铁路通信领域。本实用新型采用多个车载天线交替与RAU辐射电磁微小区通信实现，再按照确定RAU小区覆盖距离和确定车载天线数量两个方面来设计。本系统是地面管理单元（110）、地面接入管理单元（120）和光波长管理单元（130）依次连接，车载接入控制单元（210）和车载控制单元（220）连接，地面接入管理单元（120）与车载接入控制单元（210）连接。本实用新型用适度增加车载通信系统复杂度来降低地面通信系统的复杂度，其所表现出来成本优势和性能优势效果将更加明显。

Description

一种支持高铁移动通信的无重叠无线覆盖装置

技术领域

本实用新型涉及高速铁路通信领域，尤其涉及一种支持高铁移动通信的无重叠无线覆盖装置。

背景技术

现网高铁无线通信技术大多基于较为成熟的卫星通信、集群移动通信和蜂窝移动通信，存在覆盖场强弱、覆盖效率低、多径衰弱和频繁切换等严重问题，其应用面临较大的困难和挑战。究其主要原因，这些传统技术最初主要面向个人移动通信需求设计，信号穿透密闭车厢损耗较大，大区制覆盖对于狭窄的带状路轨而言无效能量辐射较大，用户集中且全部用户随车高速同步移动，对系统切换请求呈突发性。因此，有针对性地为高速铁路这种特殊的移动通信需求作出专门的设计显得较为重要而迫切。

与普通场景相比，高铁移动场景下的移动网络有覆盖率、带宽和切换等重要指标的特殊需求，传统网络难以满足。为实现360km/h或更高时速条件下的高铁移动通信目标，现有无线通信技术，如2G、3G、LTE、卫星通信和WIFI等，均不同程度地在高铁场景下被应用和试验。大量实验表明，现有标准应用于高铁场景，均不同程度地存在三个主要问题：传输速率低，<54Mbps；切换延迟大，>=70ms；以及频繁切换，>0.03次/s；特别是在多旅客集中通话时的业务体验效果极不理想。因此，专网覆盖已成为未来发展高铁移动通信网的必然发展趋势。

光载无线电（Radio over Fiber，简称RoF）技术作为一种支撑平台，可在保护现有投资的前提下，在高铁专网通信从传统技术向新技术的演进中发挥重要作用。特别是，当前低频段的频率资源已经异常紧张，为了适应带宽需求的不断增长，将来必需在更高的频率上寻求新的覆盖技术，这也为光载毫米波技术的研究和应用提供了条件。光载毫米波技术是载波为30～300GHz频段范围的RoF技术。尽管光载毫米波技术相对传统技术在带宽方面的优势明显，但毫米波属于极高频段，受大气衰减影响大，导致无线信号的覆盖范围较小。以比较典型的60GHz波段为例，无线覆盖半径减小至50米～500米，属于微小区覆盖（覆盖半径在几十米至几百米之间）。一方面，这一覆盖范围与高速铁路两道平行路轨的宽度大体相当，有利于增强电磁能量覆盖效率。另一方面，如此小的覆盖范围又必然需要配置数量庞大的远端天线单元（Remote Antenna Unit，简称RAU）覆盖高铁路轨。按传统思维，为支持用户通信的无缝平滑切换，需在相邻覆盖之间预留一定的重叠区域，因此无论是RAU，还是中心站(Central Station，简称CS)的部署数量都会相当惊人，付出巨大成本。

实用新型内容

针对高速铁路RoF微小区覆盖的巨量成本和更为严峻的切换问题，本实用新型的目的就在于提供一种支持高铁移动通信的无线覆盖装置。本实用新型不仅能满足高铁乘客的高带宽通信服务需求，而且能成倍减少RAU数量，建网成本相对传统设计节约50%左右。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型采用多个车载天线交替与RAU辐射电磁微小区（简称RAU微小区）通信实现，再按照确定RAU小区覆盖距离和确定车载天线数量两个方面来设计。

本装置包括地面中心基站和车载基站；

地面中心基站包括地面管理单元、地面接入管理单元和光波长管理单元；

车载基站包括车载接入控制单元和车载控制单元；

其连接关系是：

地面管理单元、地面接入管理单元和光波长管理单元依次连接，车载接入控制单元和车载控制单元连接，地面接入管理单元与车载接入控制单元连接。

工作原理：

按照传统技术要求，相邻RAU微小区之间必须有覆盖重叠，这样做的目的是为了保证车载天线有足够时间从一个小区无中断地切换到另一个小区，重叠区的最大跨距用∆d来表示通过把原来应该相互重叠的RAU微小区之间的间距拉大，最终做到相邻RAU微小区无重叠。列车上的多根车载天线依次交替使用，以保证当其中一根车载天线即将与当前连接的RAU覆盖小区断开通信时，另一根已成功切换进入下一个小区；本方法可以取得与传统技术下的重叠小区覆盖相同的效果；由RAU微小区无重叠覆盖，引出了一种与之匹配的车-地同步分布式多天线接力切换方法，其中包括地面中心切换与车载基站切换，它们同时在各自的系统中进行预测切换，地面中心切换主要完成数据拷贝、波长路由转换、数据转发；车载基站的切换主要完成接力天线的激活及关闭动作。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

利用毫米波RoF专网这一基础性平台，可保护运营商的前期投资，使传统技术向新技术平滑过渡演进；

通过拉大铁路沿线RAU之间的部署间距，可使铁路沿线的RAU和CS等设备材料的直接成本至少减少50%，地面系统的安装工程量等也可成倍减少；

利用同步预测切换算法控制车载多天线依次交替与铁路沿线的RAU建立通信连接，可做到在RAU微小区不重叠时，仍能保证列车用户良好的移动通信体验；

总之，本实用新型充分考虑技术可行性，用适度增加车载通信系统复杂度来降低地面通信系统的复杂度，随着高铁线路的部署里程规模越大，这一方法所表现出来成本优势和性能优势效果将更加明显。

附图说明

图1是本装置的结构方框图；

图2是地面接入管理单元的结构方框图；

图3是分布式RAU的结构方框图；

图4是车载接入控制单元的结构方框图；

图5是分布式多车载天线的结构示意图；

图6是最少化RAU小区无重叠覆盖方案的递推原理图；

图7是最少化车载天线设计方案的递推原理图；

图8是传统技术要求重叠区等效的模拟原理图；

图9是与上述方案相匹配的越区切换原理图。

图中：

100—地面中心基站，

110—地面管理单元；

120—地面接入管理单元，

121—分布式RAU，

1211—RAU，1212—RAU微小区，

122—光纤传输分配线路，

123—地面接入中心，

124—多制式通信网络接口；

130—光波长管理单元。

200—车载基站，

210—车载接入控制单元，

211—分布式多车载天线，

2111—车载天线，

212—光纤传输分配线路，

213—车载接入中心，

214—多制式通信网络接口；

220—车载控制单元。

1—高速列车；

2—等效RAU微小区的覆盖重叠区；

3—RAU微小区重叠区；

4—CS数据库；

5—超级用户；

R是RAU之间的距离；

L是列车首尾天线的最长距离；

d是RAU微小区最大直径；

∆d是RAU覆盖重叠区最大距离；

n是列车上的车载天线个数。

英译汉

1、RAU：Remote Antenna Unit，远端天线单元；

2、RoF：Radio over Fiber，光载无线电；

3、CS：Central Station，中心站。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1，本装置包括地面中心基站100和车载基站200；

地面中心基站100包括地面管理单元110、地面接入管理单元120和光波长管理单元130；

车载基站200包括车载接入控制单元210和车载控制单元220；

其连接关系是：

地面管理单元110、地面接入管理单元120和光波长管理单元130依次连接，车载接入控制单元210和车载控制单元220连接，地面接入管理单元120与车载接入控制单元210连接。

2、功能块

1）地面管理单元(Ground-base Control Unit，GCU)110

地面管理单元的结构如CN102045650B（发明专利：终端群聚超高移动性宽带通信系统及其快速越区切换方法，ZL201010582049.4）中路网管理单元与路网网关单元。

地面管理单元110是本系统管理和控制的中心，通过通信连接收集来自地面接入管理单元120的状态信息，并向其发出相应的控制指令实施管理和控制，是对地面接入管理单元120进行移动性管理、配置、维护、工作状态监测和控制的实体。

2）地面接入管理单元(Ground-base Acess Manage Unit，GAMU)120

地面接入管理单元120是车载接入控制单元210与地面中心基站100的接口，它与地面管理单元110之间存在双向通信隧道。

如图2，地面接入管理单元120包括依次连接的分布式RAU121、光纤传输分配线路122、地面接入中心123和多制式通信网络接口124。

（1）分布式RAU121

如图3，分布式RAU121包括RAU1211和RAU微小区1212；

其安置规则：

分布式RAU121的安置距离R根据采用的微波频段传播特性和系统切换时间，保持RAU1211之间等间隔R分布，并且此时R应该满足R≥d，即保证每个RAU1211产生的RAU微小区1212之间不会有重叠覆盖；d是RAU微小区最大直径。

（2）光纤传输分配线路122

光纤传输分配线路122是一种通用的线路，由若干单模或多模光纤和波分复用器组成，如CN102045650B。

（3）地面接入中心123

地面接入中心123由地面移动交换中心和基站控制器组组成，如CN102045650B。

基站控制器组把接收的信号汇集到地面移动交换中心，与地面移动交换中心之间存在双向通信连接，地面移动交换中心自动把信号转接到网络。

（4）多制式通信网络接口124

地面移动交换中心与路网网关之间通过多制式通信网络接口124进行连接，接口包括IP、ATM等多种开放的网络接口，如CN102045650B。

3）光波长管理单元(Wavelength of light Manage Unit，WMU)130

光波长管理单元130包括激光光源、全光交换矩阵、光电探测模块、光调制器、控制逻辑、波分复用器和光纤，如CN102045650B的中地面接入中心。

光波长管理单元130的工作原理是：

激光光源组输出不同波长的、连续的激光信号被光纤分别导入到全光交换矩阵的光信号端口，控制逻辑依靠计算机软件实现，然后由电信号作用到全光交换矩阵的控制端，再将激光光源组输出的信号转接到另一个光信号端口同时被导入到光调制器的端口（光调制器是一种将电信号上的信息搬移到光信号上进行传输的光电子器件），此时得到的光信号被称为已调光信号，已调光信号通过光纤传输到全光交换矩阵，通过控制逻辑的作用被全光交换矩阵路由到端口，波分复用器把端口得到的不同波长已调光信号先合并，再通过光纤传输到另一个波分复用器把不同长度的已调光信号分离开送入光纤传输分配线路，通过光纤传输分配线路传输到分布式RAU121，分布式RAU121完成光信号到无线信号的转换，信息再通过无线电承载传播。

从分布式RAU121的天线接收到的无线电信号被转换为已调光信号，同样依次通过光纤传输分配线路、波分复用器、全光交换矩阵。已调光信号被光电探测模块接收并还原成已调信号。

4）车载接入控制单元(Vehicle Acess Manage Unit，VAMU)210

如图4，车载接入控制单元210包括依次连接的分布式车载天线211、光纤传输分配线路212、车载接入中心213和多制式通信网络接口214。

（1）分布式车载天线211

如图5，分布式车载天线211是由n个车载天线2111组成，其分布式按照一定距离排列在列车上。

结合无重叠小区的实现，n的取值方案有以下两种：

1、方案一：最少化RAU小区无重叠覆盖方案

1）总体思路

如图6，本方案主要根据RAU微小区1212、高速列车1和等效RAU微小区的覆盖重叠区2的位置关系来确定车载天线2111的个数和位置；

设：RAU微小区1212的最大直径为d，列车首尾天线的最长距离为L，传统技术要求下的RAU覆盖重叠最大距离为∆d，则本方案每个RAU小区间距D的通式为：

D=L+d−∆d；

图6按时间序列T1、T2、T3……Tn演示了高速列车从左到右的行驶过程，同时说明了车载天线的安装规律：

起始T1时刻，列车末端车载天线a即将离开当前通信微小区R1，且离小区边缘的距离为∆d，此时，首端的车载天线b即将进入下一个微小区R2；首端天线b与小区近边缘预留的距离∆d，主要是为了保证在首端车载天线b成功切换至下一个微小区R2之前，列车末端车载天线a仍保持与微小区R1之间的正常通信；假设该切换时间为Δt，列车速度为V，则∆d>Δt×V；列车上的用户需在列车行驶中仍然保持正常无中断的通信，就要求列车上任意时刻至少有一根车载天线在某地面RAU微小区范围内进行信号接收；依照这个原则递推，在列车行驶至T2时刻，首端车载天线b离微小区R2边缘距离仅为∆d时，就需要有一根新的天线c进入微小区R2来接力通信；当首端车载天线完全离开小区R2时（即首端天线b与小区R2的通信完全断开），车载天线c已完全切换进入小区R2并建立了正常通信过程；由图6可知，车载天线c距离首端天线的距离为d-∆d；依次类推：列车上的车载天线安置从首端开始每隔d-∆d位置处设置一根，直至最后一根置于车尾；图6中Tn时刻为列车行驶一系列的d-∆d距离之后，回到最初的T1初始状态。

2）递推公式

依据对上述图6的分析，可推得下列关系式：

当L≥d时，L=(L×∆d)/d+(n−2)(d−∆d)，则n=2+[L/d]；

当L<d时， 则n=2；

n是列车上的车载天线个数，

L是列车首尾天线的最长距离，

d是RAU微小区最大直径。

2、方案二：最少化车载天线设计

1）总体思路

如图7，本方案主要根据RAU微小区1212、高速列车1和等效RAU微小区的覆盖重叠区2的位置关系来确定车载天线2111的个数和位置；

设：RAU微小区1212的最大直径为d，列车首尾天线的最长距离为L，传统技术要求下的RAU覆盖重叠最大距离为∆d；此设计的每相邻两个RAU微小区之间距离也为L；

图7按时间序列T1、T2、T3……Tn演示了高速列车从左到右的行驶过程，同时说明了车载天线的安装规律：

起始T1时刻，列车末端车载天线a离微小区R1边缘的距离为∆d，而前端的车载天线b正要进入下一个RAU微小区R2；这里预留距离∆d的目的和上方案一相同；遵循与上述方案相同原则，在列车行驶至T2时刻，前端车载天线b离微小区R2边缘距离仅为∆d时，就需要有一根新的天线c进入微小区R2来接力通信；当前端车载天线b完全离开小区R2时（即前端车载天线b与小区R2的通信完全断开），车载天线c已完全切换进入小区R2并建立了正常通信过程；由图7可知，车载天线c距离前端车载天线b的距离为d-∆d；依次类推：车载天线从距离首端d-∆d开始每隔d-∆d位置处设置一根，直至最后一根置于车尾；图7中右侧Tn时刻是列车经过行驶一系列的d-∆d之后完成一个周期的状态，回到T1起始状态。

2）递推公式

依据对上述图7的分析，可推得下列关系式：

①当L≥2×d+∆d时，L−d+∆d=[(L-d+∆d)×∆d]/d+(n-2)，则：

n=2+[(L−d+∆d)/d]；

②当L<2×d+∆d时：n=2；

n是列车上的车载天线个数，

L是列车首尾天线的最长距离，

d是RAU微小区最大直径，

∆d是RAU覆盖重叠区最大距离。

实际情况中：

∆d可根据列车的实际切换需求而定，即设切换时间为t0，∆d与高铁列车速度v的关系式：

∆d≥t0×v；

L大约200m～250m，如中国CHR高铁列车25米/车厢，8节/每列，整车长约200米；

d范围为50m～500m，如60GHz微波适用于短距离传输，于室内传播距离可达50m。

应用过程原理

在传统技术条件下，列车上一般安装一至两根车载天线，实际中大部分安置在列车首端或者列车末端，或者首末端各安置一根。

如图8中的8(a)，假如传统技术下的列车在首端使用一根车载天线，则必须依赖相邻RAU微小区的重叠来实现高速行驶过程中的无中断通信。当列车首端车载天线到达重叠区，车载系统切换时包含两种动作：1、对于即将离开的RAU小区，车载系统通过车载天线还与之处于正常通信连接状态；2、而对于相邻下一个RAU小区，车载系统又要利用车载天线建立新的通信连接，在新连接完成后，车载天线与前一小区的连接断开。

8(b)与8(a)比较，8(b)的做法拉大了相邻RAU微小区之间距离，使两小区之间不再重叠，用多根车载天线实现传统技术支持的等效效果。例如，在图9中，假设在列车上分别安置天线在首端和末端，当列车从左向右行驶，列车末端车载天线a进入RAU小区R1右端的Δd范围内时，即等同于8(a)车载天线所处的动作1，同时列车首端车载天线b刚好进入下一个RAU小区R2，即等效于8(a)车载天线动作2。在以上过程中，车载的两根天线在RAU小区不重叠的情况下发挥了传统技术要求的等效作用。

（2）光纤传输分配线路212

光纤传输分配线路212是一种通用的线路，由若干单模或多模光纤和波分复用器组成，如CN 102045650B。

（3）车载接入中心213

车载接入中心213由激光光源、光调制器、波分复用器、光电转换模块之间通过光纤连接，光电转换模块、射频处理模块、车载移动交换中心和基站控制器组组成。

其具体连接关系与工作原理如CN 102045650B。

（4）多制式通信网络接口214

地面移动交换中心与路网网关之间通过多制式通信网络接口214进行连接，接口包括IP、ATM等多种开放的网络接口,如CN 102045650B。

5）车载控制单元(Vehicle Control Unit，VCU)220

车载控制单元220如CN102045650B中的移动终端群。

Claims (3)

1.一种支持高铁移动通信的无重叠无线覆盖装置，其特征在于：

包括地面中心基站（100）和车载基站（200）；

地面中心基站（100）包括地面管理单元（110）、地面接入管理单元（120）和光波长管理单元（130）；

车载基站（200）包括车载接入控制单元（210）和车载控制单元（220）；

其连接关系是：

地面管理单元（110）、地面接入管理单元（120）和光波长管理单元（130）依次连接，车载接入控制单元（210）和车载控制单元（220）连接，地面接入管理单元（120）与车载接入控制单元（210）连接。

2.按权利要求1所述的无重叠无线覆盖装置，其特征在于：

所述的地面接入管理单元（120）包括依次连接的分布式RAU（121）、光纤传输分配线路（122）、地面接入中心（123）和多制式通信网络接口（124）；

分布式RAU（121）包括RAU（1211）和RAU微小区（1212）；

分布式RAU（121）的安置距离R根据采用的微波频段传播特性和系统切换时间，保持RAU（1211）之间等间隔R分布，并且此时R应该满足R≥d，即保证每个RAU（1211）产生的RAU微小区（1212）之间不会有重叠覆盖；d是RAU微小区最大直径。

3.按权利要求1所述的无重叠无线覆盖装置，其特征在于：

所述的车载接入控制单元（210）包括依次连接的分布式车载天线（211）、光纤传输分配线路（212）、车载接入中心（213）和多制式通信网络接口（214）；

分布式车载天线（211）是由n个车载天线（2111）组成。

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