TWI432052B - High - speed railway wireless communication system - Google Patents

Description

高速鐵路之無線通訊系統

本發明係關於一種通訊系統，尤指一種應用於高速鐵路之無線通訊系統。

習知以語音為主的無線通訊系統多以高速公路上的移動速度(時速120至140公里)作為設計目標，近年來由於高速鐵路興起，目前以語音為主的無線通訊系統已可於時速200公里的移動速度下收發訊息，然而對於例如Wi-Fi無線網路服務、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)服務、或長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)服務等之寬頻無線通訊系統來說，目前尚未有解決辦法，並且，目前新一代的高速鐵路之移動速度已超過時速350公里，甚至更達時速500公里，因此對於所有的行動通訊系統來說皆為相當大的衝擊。

高速鐵路在高速移動時所引起的問題主要有二，一是高速移動下所產生的都卜勒效應，使得接收信號的頻譜被展寬；二是信號電波於高速移動的情況下，傳送至基地台的訊號並非經由單一路徑，而是由來自許多路徑的眾多多徑波所合成，由於各路徑的距離、所需時間及相位皆不同，使得接收信號衰落。另外，在高速移動的情況下，由於無線通訊系統形同斷訊，高速鐵路車廂內所有乘客所攜帶之例如手機、PDA、或筆記型電腦等行動裝置皆以最大功率發出無線信號，因而可能對高速鐵路車廂內的控制系統造成干擾而產生安全上的顧慮。

以現今2G/3G的無線通訊系統來說，由於資料傳輸速率遠大於都卜勒效應所引起的通道衰落效率，因此可有效抵抗都卜勒頻移；但多徑波所引起的信號衰落則因車廂高速移動而加劇，實際測試結果，在時速超過400公里的況下，所有的無線通訊系統仍由於信號衰落快而斷線，且車廂內所有行動裝置所造成的無線電汙染確實足以干擾高鐵的控制系統。

習知之長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)係採用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)及其延伸的技術如OFDMA等方法，其係將高速串列資料轉換為多路相對低速的並行資料並對不同的子載波進行調製，此種平行傳輸體制使訊號的脈衝寬度大幅擴展，因此可有效提高抗多徑衰落之性能。然而，在高速移動時，無線通道表現出的是快衰落通道，此時都卜勒擴展會引起信號失真，而導致資料傳輸速率迅速下降而斷訊；而為消除都卜勒擴展的影響，習知係將都卜勒分集技術用於正交分頻多工系統以降低訊號失真，然而工程浩大且成效不彰。

另外，習知亦提出以高鐵隧道覆蓋採用之漏纜技術來解決上述問題，當列車高速前進時，由於車頂上的天線與漏纜電波間的入射角永遠為90度，除了都卜勒頻移為零之外，漏纜輻射口與天線間係為最短直射路徑，因此多徑波最少且快速衰落現象亦最不明顯。然而，於高鐵沿線全程設置漏纜除了成本過高外，其實會引起嚴重的車廂內無線汙染問題。

發明人爰因於此，本於積極發明之精神，亟思一種可有效解決前述因高速移動所產生之訊號衰落問題之高速鐵路之無線通訊系統，幾經研究實驗終至完成此項嘉惠世人之發明。

鑒於上述習知之高速鐵路之無線通訊系統訊尚有改進空間，本發明之目的係在提供一種高速鐵路之無線通訊系統。因為高鐵車廂移動的速度非常快；高於350公里/小時甚至達到500公里/小時。在這種高速移動下，高速鐵路之無線通訊系統可以簡化成為車廂上的獨立高鐵無線通訊設備(包括基地台)和鐵道旁的高鐵無線通訊設備(包括基地台)之間的相對通訊。車廂上的無線通訊使用者如手機、電腦CPE等直接和車廂上的高鐵無線通訊設備連結，再聯繫到鐵道旁的高鐵無線通訊設備而和外面一般傳统的通訊系统連接。車廂上的獨立高鐵無線通訊設備(包括基地台)和鐵道旁的高鐵無線通訊設備(包括基地台)之間的距離如果在一至四公里內其相對位置和角度變化很狹小而呈現〝線〞狀而非360度的〝面〞狀的相對關係。本發明利用這種〝線〞狀的關係來提供一種高速鐵路之無線通訊系統，其主要(1)係以硬體方式解決前述在列車高速移動時因多徑波所引起之訊號衰落問題，同時消除、改善及隔離多徑波以有效降低干擾；(2)當多徑波的問題解決或改善後，OFDM及其延伸技術可以優化來解決或改善都卜勒擴展的影響使得OFDM或LTE的通信不斷線；(3)目前的無線通訊系统的頻段都在0.9GHz至5.8GHz之間，如要以硬體方式來解決多徑波問題，在高鐵這種狹小如〝線〞狀的通訊相對角度其所需天線有實際上的困難；例如體積太大、精細度作不到及高鐵車廂無法容納等。為了解決這問題，本發明採用二個工作頻段。車廂內使用正常的通訊頻段(0.9GHz至5.8GHz)，車廂外的通訊則使用第二個工作頻段；超高頻段例如20GHz,30GHz甚至更高頻段。在此超高頻段，適當的天線設計(小體積、高增率及狹小乾淨波形)可以達到解决或降低高鐵多徑波的問題。

依據本發明之一特色，本發明係提出一種高速鐵路之無線通訊系統，係供一列車車廂中之一行動裝置於列車車廂高速移動時使用一無線通訊服務，其中無線通訊服務係使用一第一工作頻段，高速鐵路之無線通訊系統包括：複數個基地台，係分布設置於高速鐵路行經路線之一預設範圍內，用以於一第二工作頻段接收及發送訊號，以提供無線通訊服務；至少一天線模組，係設置於列車車廂外部，用以於第二工作頻段發送及接收訊號、以及轉換訊號之頻率；以及至少一基站模組，係設置於列車車廂內部，與至少一天線模組一一對應並相連接，用以於第一工作頻段發送、以及接收訊號，以及對所接收之訊號進行處理然後傳送至相對應之至少一天線模組以由其於第二工作頻段發送。

在本發明一較佳實施例中，無線通訊服務係為第二代行動通訊技術(second-generation,2G)服務、第三代行動通訊技術(third-generation,3G)服務、Wi-Fi無線網路服務、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)服務、或長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)服務，且第一工作頻段係為824-925 MHz、1710-1990 MHz、1900-2170 MHz、2.4-2.5 GHz、或5.725-5.875 GHz。

在本發明一較佳實施例中，第二工作頻段的中心頻率係為20GHz。

請參照圖1，圖1係本發明一較佳實施例之高速鐵路之無線通訊系統之示意圖。如圖1所示，高速鐵路之無線通訊系統包括至少一天線模組11、至少一基站模組12、以及複數個基地台2，其中至少一天線模組11係設置於列車車廂9外部，至少一基站模組12係設置於列車車廂9內部，並與至少一天線模組11一一對應並相連接，複數個基地台2係分布設置於高速鐵路行經路線的一預設範圍內，基地台2與下一個基地台2的距離t較佳係為1至4公里使得基地台和車廂之間的距離都在這範圍內。天線模組11用以對列車外部於一第二工作頻段發送及接收訊號、以及轉換所接收之訊號的頻率；基站模組12用以對列車車廂內於一第一工作頻段發送及接收訊號、以及對所接收的訊號進行處理，然後傳送至相對應的天線模組11以由其於第二工作頻段發送；基地台2用以於第二工作頻段接收以及發送訊號，以提供無線通訊服務。

請參照圖2，圖2係本發明之高速鐵路之無線通訊系統之架構示意圖。在圖2中，天線模組11包括一轉換單元111、以及一天線單元112，基站模組12包括一處理單元121、以及一無線單元122，基地台2係分別連接至光纖網路以連接無線通訊服務之一服務網路，基地台2包括一天線裝置21，其係包括一天線211、以及一頻率轉換器212。其中，轉換單元111係用以將天線模組11接收自基站模組12的訊號的頻率自第一工作頻段轉換為第二工作頻段，以及將天線模組11接收自基地台2的訊號的頻率自第二工作頻段轉換為第一工作頻段；天線單元112係供天線模組11以第二工作頻段發送、或接收訊號；處理單元121係用以對基站模組12所接收的訊號進行處理，然後傳送至相對應的天線模組112；無線單元122係供基站模組12於第一工作頻段發送以及接收訊號；天線211係供天線裝置21以第二工作頻段發送或接收訊號；頻率轉換器212係用以將基地台2所接收之訊號之頻率自第一工作頻段轉換為第二工作頻段、或自第二工作頻段轉換為第一工作頻段；天線單元112、以及天線211較佳係為圓形號角天線(conical horn antenna)或平板式天線。這種天線的設計必需要求達到體積小、高增率(antenna gain)及狹小乾淨波形(narrow antenna radiation pattern with extreme low side-lobes)。

本發明之高速鐵路之無線通訊系統係供行動裝置3於列車高速移動時使用一無線通訊服務，此處無線通訊服務可為第二代行動通訊技術(second-generation,2G)服務、第三代行動通訊技術(third-generation,3G)服務、Wi-Fi無線網路服務、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)服務、或長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)服務。如圖2所示，行動裝置3與基站模組12之間係於第一工作頻段發送以及接收訊號，此處第一工作頻段即旅客欲以行動裝置3使用之無線通訊服務之工作頻段，其可為824-925 MHz、1710-1990 MHz、1900-2170 MHz、2.4-2.5 GHz、或5.725-5.875 GHz；天線模組11與基地台2之間係於第二工作頻段發送以及接收訊號，此處第二工作頻段係為一超高頻的頻段，其中心頻率較佳係為20GHz。

當無線通訊服務之服務網路欲發送訊號至行動裝置3時，首先透過光纖網路將欲發送的訊號傳送至基地台2，頻率轉換器212將來自光纖網路的訊號頻率自無線通訊服務所使用的第一工作頻段轉換為超高頻的第二工作頻段，以由天線211發送；設置於列車外部的天線單元112接收訊號，由轉換單元111將訊號頻率由超高頻的第二工作頻段轉換為無線通訊服務所使用的第一工作頻段，然後傳送至基站模組12，以由無線單元122於列車車廂9中發送；行動裝置3接收來自基站模組12的無線訊號。

當行動裝置3於無線通訊服務所使用的第一工作頻段發送訊號，設置於列車車廂內部的無線單元122接收訊號並由處理單元121進行處理，然後基站模組12將訊號傳送至天線模組11；轉換單元111將訊號頻率自無線通訊服務所使用的第一工作頻段轉換為超高頻的第二工作頻段，以由天線單元112於第二工作頻段發送；天線211於超高頻的第二工作頻段接收無線訊號，頻率轉器212將其之頻率自超高頻的第二工作頻段轉換為無線通訊服務所使用的第一工作頻段，然後經光纖網路傳遞至相對應之無線通訊服務之服務網路。

以本發明之高速鐵路之無線通訊系統提供使用者於列車行進間可以行動裝置使用無線通訊服務時，行動裝置與設置於列車車廂內部的基站模組之間的距離短，因此無線訊號的傳遞不會使訊號衰弱；而天線模組與基地台之間係以例如20GHz的超高頻頻段傳遞訊號，其所能容許的通訊距離較長、對環境變化的容忍度較高、且讀取速度快；因此，本發明之高速鐵路之無線通訊系統可有效改善在列車高速移動時因多徑波而引起的訊號衰落及干擾，進而達到可有效提供旅客於列車高速行進時可以行動裝置使用無線通訊服務之功效。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

11‧‧‧天線模組

111‧‧‧轉換單元

112‧‧‧天線單元

12‧‧‧基站模組

121‧‧‧處理單元

122‧‧‧無線單元

2‧‧‧基地台

21‧‧‧天線裝置

211‧‧‧天線

212‧‧‧頻率轉換器

3‧‧‧行動裝置

9‧‧‧列車車廂

t‧‧‧距離

圖1係本發明一較佳實施例之高速鐵路之無線通訊系統之示意圖。

圖2係本發明之高速鐵路之無線通訊系統之架構示意圖。

11．．．天線模組

111．．．轉換單元

112．．．天線單元

12．．．基站模組

121．．．處理單元

122．．．無線單元

2．．．基地台

21．．．天線裝置

211．．．天線

212．．．頻率轉換器

3．．．行動裝置

Claims (9)

1. 一種高速鐵路之無線通訊系統，係供一列車車廂中之一行動裝置於該列車車廂高速移動時使用一無線通訊服務，其中該無線通訊服務係使用一第一工作頻段，該高速鐵路之無線通訊系統包括：複數個基地台，係分布設置於高速鐵路行經路線之一預設範圍內，用以於一第二工作頻段接收及發送訊號，以提供該無線通訊服務；至少一天線模組，係設置於該列車車廂外部，用以於該第二工作頻段發送及接收訊號、以及轉換訊號之頻率；以及至少一基站模組，係設置於該列車車廂內部，與該至少一天線模組一一對應並相連接，用以於該第一工作頻段發送、以及接收訊號，以及對所接收之訊號進行處理然後傳送至相對應之該至少一天線模組以由其於該第二工作頻段發送，其中該第二工作頻段係中心頻率為20GHz以上的頻段。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該天線模組包括一天線單元、以及一轉換單元，該天線單元係供以該第二工作頻段發送、或接收訊號，該轉換單元係用以將訊號之頻率自該第一工作頻段轉換為該第二工作頻段、或自該第二工作頻段轉換為該第一工作頻段。
3. 如申請專利範圍第2項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該天線單元係為一圓形號角天線(conical horn antenna)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該基站模組包括一處理單元、以及一無線單元，該無線單元係於該第一工作頻段發送、以及接收訊號，該處理單元係用以對該無線單元所接收之訊號進行處理並傳送至相對應之該至少一天線模組。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該基地台包括一天線裝置，其係包括一天線、以及一頻率轉換器，該天線係供以該第二工作頻段發送、或接收訊號，該頻率轉換器係用以將訊號之頻率自該第一工作頻段轉換為該第二工作頻段、或自該第二工作頻段轉換為該第一工作頻段。
6. 如申請專利範圍第5項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該基地台係以光纖網路連接該無線通訊服務之一服務網路，以提供該無線通訊服務。
7. 如申請專利範圍第5項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該天線單元係為一圓形號角天線(conical horn antenna)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該無線通訊服務係為第二代行動通訊技術(second-generation,2G)服務、第三代行動通訊技術(third-generation,3G)服務、Wi-Fi無線網路服務、全球互通 微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)服務、或長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)服務。
9. 如申請專利範圍第1項所述之高速鐵路之無線通訊系統，其中該第一工作頻段係為824-925MHz、1710-1990MHz、1900-2170MHz、2.4-2.5GHz、或5.725-5.875GHz。