一種支持高鐵移動通信的無重疊無線覆蓋裝置製造方法

2023-05-01 08:41:41 1

一種支持高鐵移動通信的無重疊無線覆蓋裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種支持高鐵移動通信的無重疊無線覆蓋裝置，涉及高速鐵路通信領域。本實用新型採用多個車載天線交替與RAU輻射電磁微小區通信實現，再按照確定RAU小區覆蓋距離和確定車載天線數量兩個方面來設計。本系統是地面管理單元（110）、地面接入管理單元（120）和光波長管理單元（130）依次連接，車載接入控制單元（210）和車載控制單元（220）連接，地面接入管理單元（120）與車載接入控制單元（210）連接。本實用新型用適度增加車載通信系統複雜度來降低地面通信系統的複雜度，其所表現出來成本優勢和性能優勢效果將更加明顯。
【專利說明】—種支持高鐵移動通信的無重疊無線覆蓋裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及高速鐵路通信領域，尤其涉及一種支持高鐵移動通信的無重疊無線覆蓋裝置。
【背景技術】
[0002]現網高鐵無線通信技術大多基於較為成熟的衛星通信、集群移動通信和蜂窩移動通信，存在覆蓋場強弱、覆蓋效率低、多徑衰弱和頻繁切換等嚴重問題，其應用面臨較大的困難和挑戰。究其主要原因，這些傳統技術最初主要面向個人移動通信需求設計，信號穿透密閉車廂損耗較大，大區制覆蓋對於狹窄的帶狀路軌而言無效能量輻射較大，用戶集中且全部用戶隨車高速同步移動，對系統切換請求呈突發性。因此,有針對性地為高速鐵路這種特殊的移動通信需求作出專門的設計顯得較為重要而迫切。
[0003]與普通場景相比，高鐵移動場景下的行動網路有覆蓋率、帶寬和切換等重要指標的特殊需求，傳統網絡難以滿足。為實現360km/h或更高時速條件下的高鐵移動通信目標，現有無線通信技術，如2G、3G、LTE、衛星通信和WIFI等，均不同程度地在高鐵場景下被應用和試驗。大量實驗表明，現有標準應用於高鐵場景，均不同程度地存在三個主要問題:傳輸速率低，〈54Mbps ;切換延遲大，>=70ms ;以及頻繁切換，>0.03次/s ;特別是在多旅客集中通話時的業務體驗效果極不理想。因此，專網覆蓋已成為未來發展高鐵移動通信網的必然發展趨勢。
[0004]光載無線電(Radio over Fiber,簡稱RoF)技術作為一種支撐平臺，可在保護現有投資的前提下，在高鐵專網通信從傳統技術向新技術的演進中發揮重要作用。特別是，當前低頻段的頻率資源已經異常緊張，為了適應帶寬需求的不斷增長，將來必需在更高的頻率上尋求新的覆蓋技術，這也為光載毫米波技術的研究和應用提供了條件。光載毫米波技術是載波為30?300GHz頻段範圍的RoF技術。儘管光載毫米波技術相對傳統技術在帶寬方面的優勢明顯，但毫米波屬於極高頻段，受大氣衰減影響大，導致無線信號的覆蓋範圍較小。以比較典型的60GHz波段為例，無線覆蓋半徑減小至50米?500米，屬於微小區覆蓋(覆蓋半徑在幾十米至幾百米之間)。一方面，這一覆蓋範圍與高速鐵路兩道平行路軌的寬度大體相當，有利於增強電磁能量覆蓋效率。另一方面，如此小的覆蓋範圍又必然需要配置數量龐大的遠端天線單元(Remote Antenna Unit,簡稱RAU)覆蓋高鐵路軌。按傳統思維,為支持用戶通信的無縫平滑切換，需在相鄰覆蓋之間預留一定的重疊區域，因此無論是RAU，還是中心站(Central Station,簡稱CS)的部署數量都會相當驚人,付出巨大成本。
實用新型內容
[0005]針對高速鐵路RoF微小區覆蓋的巨量成本和更為嚴峻的切換問題，本實用新型的目的就在於提供一種支持高鐵移動通信的無線覆蓋裝置。本實用新型不僅能滿足高鐵乘客的高帶寬通信服務需求，而且能成倍減少RAU數量，建網成本相對傳統設計節約50%左右。
[0006]本實用新型的目的是這樣實現的:[0007]本實用新型採用多個車載天線交替與RAU輻射電磁微小區(簡稱RAU微小區)通信實現，再按照確定RAU小區覆蓋距離和確定車載天線數量兩個方面來設計。
[0008]本裝置包括地面中心基站和車載基站；
[0009]地面中心基站包括地面管理單元、地面接入管理單元和光波長管理單元；
[0010]車載基站包括車載接入控制單元和車載控制單元；
[0011]其連接關係是:
[0012]地面管理單元、地面接入管理單元和光波長管理單元依次連接，車載接入控制單元和車載控制單元連接，地面接入管理單元與車載接入控制單元連接。
[0013]工作原理:
[0014]按照傳統技術要求，相鄰RAU微小區之間必須有覆蓋重疊，這樣做的目的是為了保證車載天線有足夠時間從一個小區無中斷地切換到另一個小區，重疊區的最大跨距用Ad來表示通過把原來應該相互重疊的RAU微小區之間的間距拉大，最終做到相鄰RAU微小區無重疊。列車上的多根車載天線依次交替使用，以保證當其中一根車載天線即將與當前連接的RAU覆蓋小區斷開通信時，另一根已成功切換進入下一個小區；本方法可以取得與傳統技術下的重疊小區覆蓋相同的效果；由RAU微小區無重疊覆蓋，引出了一種與之匹配的車-地同步分布式多天線接力切換方法，其中包括地面中心切換與車載基站切換，它們同時在各自的系統中進行預測切換，地面中心切換主要完成數據拷貝、波長路由轉換、數據轉發；車載基站的切換主要完成接力天線的激活及關閉動作。
[0015]本實用新型具有下列優點和積極效果:
[0016]Ξ利用毫米波RoF專網這一基礎性平臺，可保護運營商的前期投資，使傳統技術向新技術平滑過渡演進；
[0017]t通過拉大鐵路沿線RAU之間的部署間距，可使鐵路沿線的RAU和CS等設備材料的直接成本至少減少50%，地面系統的安裝工程量等也可成倍減少；
[0018]f利用同步預測切換算法控制車載多天線依次交替與鐵路沿線的RAU建立通信連接，可做到在RAU微小區不重疊時，仍能保證列車用戶良好的移動通信體驗；
[0019]總之，本實用新型充分考慮技術可行性，用適度增加車載通信系統複雜度來降低地面通信系統的複雜度，隨著高鐵線路的部署裡程規模越大，這一方法所表現出來成本優勢和性能優勢效果將更加明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本裝置的結構方框圖；
[0021]圖2是地面接入管理單元的結構方框圖；
[0022]圖3是分布式RAU的結構方框圖；
[0023]圖4是車載接入控制單元的結構方框圖；
[0024]圖5是分布式多車載天線的結構示意圖；
[0025]圖6是最少化RAU小區無重疊覆蓋方案的遞推原理圖；
[0026]圖7是最少化車載天線設計方案的遞推原理圖；
[0027]圖8是傳統技術要求重疊區等效的模擬原理圖；[0028]圖9是與上述方案相匹配的越區切換原理圖。
[0029]圖中:
[0030]100—地面中心基站，
[0031]110—地面管理單元；
[0032]120—地面接入管理單元，
[0033]121—分布式 RAU，
[0034]1211—RAU，1212 — RAU 微小區，
[0035]122—光纖傳輸分配線路，
[0036]123—地面接入中心，
[0037]124—多制式通信網絡接口 ；
[0038]130—光波長管理單元。
[0039]200—車載基站，
[0040]210—車載接入控制單元，
[0041]211—分布式多車載天線，
[0042]2111—車載天線，
[0043]212—光纖傳輸分配線路，
[0044]213—車載接入中心，
[0045]214—多制式通信網絡接口 ；
[0046]220—車載控制單元。
[0047]I一高速列車；
[0048]2—等效RAU微小區的覆蓋重疊區；
[0049]3—RAU微小區重疊區；
[0050]4—CS 資料庫；
[0051]5—超級用戶；
[0052]R是RAU之間的距離；
[0053]L是列車首尾天線的最長距離；
[0054]d是RAU微小區最大直徑；
[0055]Ad是RAU覆蓋重疊區最大距離；
[0056]n是列車上的車載天線個數。
[0057]英譯漢
[0058]1、RAU:Remote Antenna Unit,遠端天線單兀；
[0059]2、RoF:Radio over Fiber,光載無線電；
[0060]3> CS:Central Station,中心站。
【具體實施方式】
[0061]下面結合附圖和實施例詳細說明:
[0062]一、裝置
[0063]1、總體
[0064]如圖1，本裝置包括地面中心基站100和車載基站200 ；[0065]地面中心基站100包括地面管理單元110、地面接入管理單元120和光波長管理單元 130 ；
[0066]車載基站200包括車載接入控制單元210和車載控制單元220 ；
[0067]其連接關係是:
[0068]地面管理單元110、地面接入管理單元120和光波長管理單元130依次連接，車載接入控制單元210和車載控制單元220連接，地面接入管理單元120與車載接入控制單元210連接。
[0069]2、功能塊
[0070]I)地面管理單兀(Ground-base Control Unit, GCU) 110
[0071]地面管理單元的結構如CN102045650B (發明專利:終端群聚超高移動性寬帶通信系統及其快速越區切換方法，ZL201010582049.4)中路網管理單元與路網網關單元。
[0072]地面管理單元110是本系統管理和控制的中心，通過通信連接收集來自地面接入管理單元120的狀態信息，並向其發出相應的控制指令實施管理和控制，是對地面接入管理單元120進行移動性管理、配置、維護、工作狀態監測和控制的實體。
[0073]2)地面接入管理單兀(Ground-base Acess Manage Unit, GAMU) 120
[0074]地面接入管理單元120是車載接入控制單元210與地面中心基站100的接口，它與地面管理單元110之間存在雙向通信隧道。
[0075]如圖2，地面接入管理單元120包括依次連接的分布式RAU121、光纖傳輸分配線路122、地面接入中心123和多制式通信網絡接口 124。
[0076](1)分布式 RAUl21
[0077]如圖3，分布式RAU121包括RAU1211和RAU微小區1212 ；
[0078]其安置規則:
[0079]分布式RAU121的安置距離R根據採用的微波頻段傳播特性和系統切換時間，保持RAU1211之間等間隔R分布，並且此時R應該滿足R≥d，即保證每個RAU1211產生的RAU微小區1212之間不會有重疊覆蓋；d是RAU微小區最大直徑。
[0080](2)光纖傳輸分配線路122
[0081]光纖傳輸分配線路122是一種通用的線路，由若干單模或多模光纖和波分復用器組成，如 CN102045650B。
[0082](3)地面接入中心123
[0083]地面接入中心123由地面移動交換中心和基站控制器組組成，如CN102045650B。
[0084]基站控制器組把接收的信號匯集到地面移動交換中心，與地面移動交換中心之間存在雙向通信連接，地面移動交換中心自動把信號轉接到網絡。
[0085](4)多制式通信網絡接口 124
[0086]地面移動交換中心與路網網關之間通過多制式通信網絡接口 124進行連接，接口包括IP、ATM等多種開放的網絡接口，如CN102045650B。
[0087]3)光波長管理單兀(Wavelength of light Manage Unit, WMU) 130
[0088]光波長管理單兀130包括雷射光源、全光交換矩陣、光電探測模塊、光調製器、控制邏輯、波分復用器和光纖，如CN102045650B的中地面接入中心。
[0089]光波長管理單元130的工作原理是:[0090]雷射光源組輸出不同波長的、連續的雷射信號被光纖分別導入到全光交換矩陣的光信號埠，控制邏輯依靠計算機軟體實現，然後由電信號作用到全光交換矩陣的控制端，再將雷射光源組輸出的信號轉接到另一個光信號埠同時被導入到光調製器的埠(光調製器是一種將電信號上的信息搬移到光信號上進行傳輸的光電子器件)，此時得到的光信號被稱為已調光信號，已調光信號通過光纖傳輸到全光交換矩陣，通過控制邏輯的作用被全光交換矩陣路由到埠，波分復用器把埠得到的不同波長已調光信號先合併，再通過光纖傳輸到另一個波分復用器把不同長度的已調光信號分離開送入光纖傳輸分配線路，通過光纖傳輸分配線路傳輸到分布式RAU121,分布式RAU121完成光信號到無線信號的轉換，信息再通過無線電承載傳播。 [0091]從分布式RAU121的天線接收到的無線電信號被轉換為已調光信號，同樣依次通過光纖傳輸分配線路、波分復用器、全光交換矩陣。已調光信號被光電探測模塊接收並還原成已調信號。
[0092]4)車載接入控制單兀(Vehicle Acess Manage Unit, VAMU) 210
[0093]如圖4，車載接入控制單元210包括依次連接的分布式車載天線211、光纖傳輸分配線路212、車載接入中心213和多制式通信網絡接口 214。
[0094]( I)分布式車載天線211
[0095]如圖5，分布式車載天線211是由n個車載天線2111組成，其分布式按照一定距離排列在列車上。
[0096]結合無重疊小區的實現，n的取值方案有以下兩種:
[0097]1、方案一:最少化RAU小區無重疊覆蓋方案
[0098]I)總體思路
[0099]如圖6，本方案主要根據RAU微小區1212、高速列車I和等效RAU微小區的覆蓋重疊區2的位置關係來確定車載天線2111的個數和位置；
[0100]設:RAU微小區1212的最大直徑為d，列車首尾天線的最長距離為L，傳統技術要求下的RAU覆蓋重疊最大距離為Ad，則本方案每個RAU小區間距D的通式為:
[0101 ] D=L+d _ Ad ；
[0102]圖6按時間序列Tl、T2、T3……Tn演示了高速列車從左到右的行駛過程，同時說明了車載天線的安裝規律:
[0103]起始Tl時刻，列車末端車載天線a即將離開當前通信微小區R1，且離小區邊緣的距離為Ad，此時，首端的車載天線b即將進入下一個微小區R2 ;首端天線b與小區近邊緣預留的距離Ad，主要是為了保證在首端車載天線b成功切換至下一個微小區R2之前，列車末端車載天線a仍保持與微小區Rl之間的正常通信；假設該切換時間為At，列車速度為V，則Ad> AtXV;列車上的用戶需在列車行駛中仍然保持正常無中斷的通信，就要求列車上任意時刻至少有一根車載天線在某地面RAU微小區範圍內進行信號接收；依照這個原則遞推，在列車行駛至T2時刻，首端車載天線b離微小區R2邊緣距離僅為Ad時，就需要有一根新的天線c進入微小區R2來接力通信；當首端車載天線完全離開小區R2時(即首端天線b與小區R2的通信完全斷開)，車載天線c已完全切換進入小區R2並建立了正常通信過程；由圖6可知，車載天線c距離首端天線的距離為d-Ad ;依次類推:列車上的車載天線安置從首端開始每隔d-Ad位置處設置一根，直至最後一根置於車尾；圖6中Tn時刻為列車行駛一系列的d-Ad距離之後，回到最初的Tl初始狀態。
[0104]2)遞推公式
[0105]依據對上述圖6的分析，可推得下列關係式:
[0106]公當L ≥ d 時，L= (L X Ad) /d+ (η ——2) (d ——Ad)，貝丨J n=2+ [L/d]；
[0107]1:當 L〈d 時，則 n=2;
[0108]η是列車上的車載天線個數，
[0109]L是列車首尾天線的最長距離，
[0110]d是RAU微小區最大直徑。
[0111]2、方案二:最少化車載天線設計
[0112]I)總體思路
[0113]如圖7，本方案主要根據RAU微小區1212、高速列車I和等效RAU微小區的覆蓋重疊區2的位置關係來確定車載天線2111的個數和位置；
[0114]設:RAU微小區1212的最大直徑為d，列車首尾天線的最長距離為L，傳統技術要求下的RAU覆蓋重疊最大距離為Ad ;此設計的每相鄰兩個RAU微小區之間距離也為L ；
[0115]圖7按時間序列Tl、T2、T3……Tn演示了高速列車從左到右的行駛過程，同時說明了車載天線的安裝規律:
[0116]起始Tl時刻，列車末端車載天線a離微小區Rl邊緣的距離為Ad，而前端的車載天線b正要進入下一個RAU微小區R2 ;這裡預留距離Ad的目的和上方案一相同；遵循與上述方案相同原則，在列車行駛至T2時刻，前端車載天線b離微小區R2邊緣距離僅為Ad時，就需要有一根新的天線c進入微小區R2來接力通信；當前端車載天線b完全離開小區R2時(即前端車載天線b與小區R2的通信完全斷開)，車載天線c已完全切換進入小區R2並建立了正常通信過程；由圖7可知，車載天線c距離前端車載天線b的距離為d-Ad ;依次類推:車載天線從距離首端d-Ad開始每隔d-Ad位置處設置一根，直至最後一根置於車尾；圖7中右側Tn時刻是列車經過行駛一系列的d-Ad之後完成一個周期的狀態,回到Tl起始狀態。
[0117]2)遞推公式
[0118]依據對上述圖7的分析，可推得下列關係式:
[0119]①當L ≥ 2 X d+Ad 時，L _ d+Ad= [ (L_d+Ad) X Ad] /d+ (η-2)，則:
[0120]n=2+[(L_ d+Ad)/d]；
[0121]②當L〈2Xd+Ad 時:n=2 ；
[0122]n是列車上的車載天線個數，
[0123]L是列車首尾天線的最長距離，
[0124]d是RAU微小區最大直徑，
[0125]Δd是RAU覆蓋重疊區最大距離。
[0126]實際情況中:
[0127]Δd可根據列車的實際切換需求而定，即設切換時間為t0，Ad與高鐵列車速度V的關係式:
[0128]Δd ≥tOXv ；
[0129]L大約200m~250m，如中國CHR高鐵列車25米/車廂，8節/每列，整車長約200米;
[0130]d範圍為50m?500m,如60GHz微波適用於短距離傳輸，於室內傳播距離可達50m。
[0131]應用過程原理
[0132]在傳統技術條件下，列車上一般安裝一至兩根車載天線，實際中大部分安置在列車首端或者列車末端，或者首末端各安置一根。
[0133]如圖8中的8(a)，假如傳統技術下的列車在首端使用一根車載天線，則必須依賴相鄰RAU微小區的重疊來實現高速行駛過程中的無中斷通信。當列車首端車載天線到達重疊區，車載系統切換時包含兩種動作:1、對於即將離開的RAU小區，車載系統通過車載天線還與之處於正常通信連接狀態；2、而對於相鄰下一個RAU小區，車載系統又要利用車載天線建立新的通信連接，在新連接完成後，車載天線與前一小區的連接斷開。
[0134]8 (b)與8 (a)比較，8 (b)的做法拉大了相鄰RAU微小區之間距離，使兩小區之間不再重疊，用多根車載天線實現傳統技術支持的等效效果。例如，在圖9中，假設在列車上分別安置天線在首端和末端，當列車從左向右行駛，列車末端車載天線a進入RAU小區Rl右端的Ad範圍內時，即等同於8 (a)車載天線所處的動作1，同時列車首端車載天線b剛好進入下一個RAU小區R2，即等效於8 (a)車載天線動作2。在以上過程中，車載的兩根天線在RAU小區不重疊的情況下發揮了傳統技術要求的等效作用。
[0135](2)光纖傳輸分配線路212
[0136]光纖傳輸分配線路212是一種通用的線路，由若干單模或多模光纖和波分復用器組成，如 CN 102045650B。
[0137](3)車載接入中心213
[0138]車載接入中心213由雷射光源、光調製器、波分復用器、光電轉換模塊之間通過光纖連接，光電轉換模塊、射頻處理模塊、車載移動交換中心和基站控制器組組成。
[0139]其具體連接關係與工作原理如CN 102045650B。
[0140](4)多制式通信網絡接口 214
[0141]地面移動交換中心與路網網關之間通過多制式通信網絡接口 214進行連接，接口包括IP、ATM等多種開放的網絡接口，如CN 102045650B。
[0142]5)車載控制單元(Vehicle Control Unit，VCU) 220
[0143]車載控制單元220如CN102045650B中的移動終端群。
【權利要求】
1.一種支持高鐵移動通信的無重疊無線覆蓋裝置，其特徵在於: 包括地面中心基站(100)和車載基站(200)； 地面中心基站(100)包括地面管理單元(110)、地面接入管理單元(120)和光波長管理單元(130)； 車載基站(200 )包括車載接入控制單元(210)和車載控制單元(220 ); 其連接關係是: 地面管理單元(110)、地面接入管理單元(120)和光波長管理單元(130)依次連接，車載接入控制單元(210)和車載控制單元(220)連接，地面接入管理單元(120)與車載接入控制單元(210)連接。
2.按權利要求1所述的無重疊無線覆蓋裝置，其特徵在於: 所述的地面接入管理單元(120)包括依次連接的分布式RAU (121)、光纖傳輸分配線路(122)、地面接入中心(123)和多制式通信網絡接口( 124); 分布式RAU (121)包括RAU (1211)和RAU微小區(1212); 分布式RAU (121)的安置距離R根據採用的微波頻段傳播特性和系統切換時間，保持RAU (1211)之間等間隔R分布，並且此時R應該滿足R≥d，即保證每個RAU (1211)產生的RAU微小區(1212)之間不會有重疊覆蓋；d是RAU微小區最大直徑。
3.按權利要求1所述的無重疊無線覆蓋裝置，其特徵在於: 所述的車載接入控制單元(210)包括依次連接的分布式車載天線(211)、光纖傳輸分配線路(212)、車載接入中心(213)和多制式通信網絡接口(214)； 分布式車載天線(211)是由η個車載天線(2111)組成。
【文檔編號】H04W16/04GK203523044SQ201320638505
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月16日 優先權日:2013年10月16日
【發明者】楊春勇, 侯金, 陳少平, 石珊, 胡雯萱, 楊傑 申請人:中南民族大學