專利名稱：一種高速列車無線通信裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速移動環(huán)境下的列車、飛機(jī)等移動通信系統(tǒng)，屬于無線信息傳輸領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
近年來，我國的高速鐵路取得了飛速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2020年，中國200公里及以上時(shí) 速的高速鐵路建設(shè)里程將超過1. 8萬公里，將占世界高速鐵路總里程的一半以上。在高速 鐵路環(huán)境下，由于高速運(yùn)動產(chǎn)生多普勒效應(yīng)使得無線信號中心頻率發(fā)生偏移造成無線信道 環(huán)境惡化，而且高速運(yùn)動對移動用戶接入、切換等的時(shí)間要求更加嚴(yán)格，容易出現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò) 覆蓋重疊區(qū)不足，切換成功率下降、接入困難等一系列問題。另一方面，目前國內(nèi)高速鐵路采用的高速列車的車體穿透損耗比傳統(tǒng)列車車體垂 直穿透損耗大10dB左右，高速列車車體的高損耗對網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量有很大影響，特別是在軟 臥車廂損耗更加嚴(yán)重，導(dǎo)致列車車廂內(nèi)無線信號質(zhì)量較差。因此，如何在高速移動環(huán)境下為 用戶提供良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量已經(jīng)成為運(yùn)營商與設(shè)備商關(guān)注的重要課題。一般的高鐵移動通信系統(tǒng)通過增大基站覆蓋密度、安放固定直放站等來提高通信 質(zhì)量，如圖1所示，這顯著增加了移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，且列車內(nèi)每個用戶與基站或直放站的 通信信號均經(jīng)歷快衰信道，故傳統(tǒng)方法不能有效解決室內(nèi)等高陰影環(huán)境的高數(shù)據(jù)速率覆 蓋。因此，本發(fā)明針對傳統(tǒng)高鐵移動通信系統(tǒng)的缺陷，提出一種基于移動中繼站的無線通信 方法，以提高移動用戶的通信質(zhì)量，滿足用戶上網(wǎng)、收發(fā)郵件、視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高質(zhì)量的高速鐵路通信裝置和方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種高速列車無線通信裝置，把中繼站安放在高速列車上，基站在地面沿鐵路布 放；下行鏈路中，基站發(fā)送信號先經(jīng)過中繼站，然后再到達(dá)每個用戶終端；上行鏈路中，用 戶發(fā)送信號先到達(dá)中繼站，然后再經(jīng)過中繼站轉(zhuǎn)發(fā)到基站。上述的一種高速列車無線通信裝置，其下行鏈路通信方法如下1)從基站管理系統(tǒng)中分別獲取基站-中繼站鏈路的吞吐量與中繼站-用戶端鏈路 的吞吐量；2)基站管理系統(tǒng)根據(jù)以下關(guān)系式分別計(jì)算出基站-中繼站鏈路的傳輸時(shí)間與 中繼站-用戶端鏈路的傳輸時(shí)間t2 ；
r2= nT, T2 = (l-n)T(2)其中n—基站-中繼站鏈路傳輸時(shí)間與中繼站-用戶端鏈路傳輸時(shí)間t2的 比率；
R,——基站-中繼站鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率；R2——中繼站-用戶端鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率；T——傳輸一幀數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，由系統(tǒng)給定。3)下行鏈路中，在時(shí)間內(nèi)基站向中繼站傳輸信號；4)下行鏈路中，在T2時(shí)間內(nèi)中繼站向用戶傳輸信號；上述的一種高速列車無線通信裝置，其上行鏈路通信方法如下1)從基站管理系統(tǒng)中分別獲取用戶端_中繼站鏈路的吞吐量與中繼站-基站鏈路 的吞吐量；2)基站管理系統(tǒng)根據(jù)以下關(guān)系式分別計(jì)算出用戶端_中繼站鏈路的傳輸時(shí)間 與中繼站_基站鏈路的傳輸時(shí)間T2 ；
r2”= R ⑴= nT, T2 = (l-n)T(2)其中n—用戶端-中繼站鏈路傳輸時(shí)間與中繼站-用戶端鏈路傳輸時(shí)間t2 的比率；——用戶端-中繼站鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率；R2——中繼站-基站鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率；T——傳輸一幀數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，由系統(tǒng)給定。3)上行鏈路中，在時(shí)間內(nèi)用戶向中繼站傳輸信號；4)上行鏈路中，在T2時(shí)間內(nèi)中繼站向基站傳輸信號。與現(xiàn)有的高鐵通信裝置和方法相比，本發(fā)明可以取得如下有益效果一般的高鐵通信系統(tǒng)中，基站、直放站均在地面沿鐵路布放。與之相比，本發(fā)明提 出的通信方式中，中繼站安放在高速列車上，各個用戶與中繼站之間的信道傳播環(huán)境相對 靜止或慢速移動，可支持較高數(shù)據(jù)速率傳輸。中繼站與基站之間為高速移動信道，優(yōu)化設(shè)計(jì) 中繼站與基站之間的傳輸方式，就可實(shí)現(xiàn)用戶與基站之間的高速通信。通過合理布放列車 上的中繼站，可避免高速列車的車體穿透損耗對傳輸性能的影響。提出的通信方式中，基站-中繼站和中繼站-用戶端的鏈路具有不同的特征?；?站_中繼站鏈路的信道增益隨著時(shí)間變化顯著，而中繼站-用戶端鏈路的信道增益變化較 小，所以，兩類鏈路的傳輸信道具有非對稱性。若以兩條鏈路中較差的信道為基準(zhǔn)，則限制 了可達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有較好信道狀態(tài)的傳輸鏈路的無線資源未被充分利用。本發(fā) 明提出以信道環(huán)境較好的中繼站——用戶端鏈路為基準(zhǔn)，調(diào)整基站——中繼站鏈路的傳輸 時(shí)間或傳輸模式，使得兩類鏈路傳輸性能相匹配。


圖1 一般的高鐵通信方法。圖2本發(fā)明提出的一種高速列車無線通信裝置。圖3本發(fā)明提出的一種高速列車無線通信裝置的下行信號傳輸流程圖。圖中⑴基站，(2)直放站，(3)列車，(4)中繼站。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以多天線接收的高鐵移動 通信系統(tǒng)下行鏈路為例說明，設(shè)基站(1)、中繼站(4)和每個用戶端都配置M幅天線，存在基 站(1)-中繼站⑷和中繼站(4)_用戶端兩條信號傳輸鏈路。在列車高速運(yùn)行環(huán)境下，如圖2所示，由于中繼站(4)_用戶端鏈路的信道增益比 基站(1)-中繼站(4)鏈路的信道增益更高，所以中繼站(4)-用戶端鏈路可支持更高速率。 為了防止無線資源的浪費(fèi)，通過調(diào)節(jié)兩條鏈路的傳輸時(shí)間的比率，使兩條傳輸鏈路彼此匹 配，其原理如下。令T為基站(1)-用戶端鏈路的傳輸時(shí)間，n表示基站(1)-中繼站⑷傳輸時(shí)間 與中繼站(4)-用戶端時(shí)間的比率。隊(duì)和1 2分別表示基站(1)-中繼站(4)、中繼站(4)-用 戶端鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率。當(dāng)n =0.5時(shí)，則是一般的中繼通信方式，用戶的最大數(shù)據(jù)傳輸 速率受到基站(1)-中繼站(4)和中繼站(4)-用戶端鏈路中傳輸性能較差的鏈路的限制。 如果n能夠自適應(yīng)，即自動選擇傳輸性能較好的鏈路，就有可能補(bǔ)償鏈路數(shù)據(jù)速率之間的 差異。當(dāng)基站(1)-中繼站(4)鏈路的吞吐量與中繼站(4)-用戶端鏈路的吞吐量滿足關(guān)系 式(3)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)鏈路均衡。 隊(duì)=T2 R2(3)由關(guān)系式⑵得nT = (1- n)T R2(4)因此，n由如下公式?jīng)Q定7 = ^(5)具體地，其實(shí)施步驟為如圖3所示第一步，從基站管理系統(tǒng)中分別獲取基站(1)-中繼站(4)鏈路的吞吐量與中繼站 (4)-用戶端鏈路的吞吐量；第二步，基站管理系統(tǒng)根據(jù)關(guān)系式(2)分別計(jì)算出基站(1)-中繼站(4)鏈路的傳 輸時(shí)間和中繼站(4)-用戶端鏈路的傳輸時(shí)間T2 ；第三步，在時(shí)間內(nèi)基站(1)向中繼站⑷傳輸信號；第四步，在T2時(shí)間內(nèi)中繼站⑷向用戶端傳輸信號。下面是多天線接收的高鐵移動通信系統(tǒng)下行鏈路的例子，設(shè)基站(1)、中繼站(4) 和每個用戶端都配置M幅天線，存在基站(1)-中繼站⑷和中繼站(4)-用戶端兩條信號 傳輸鏈路。在列車高速運(yùn)行環(huán)境下，如圖1所示，由于中繼站(4)_用戶端鏈路的信道增益比 基站(1)-中繼站(4)鏈路的信道增益更高，所以中繼站(4)-用戶端鏈路可支持更高速率。 為了防止無線資源的浪費(fèi)，通過調(diào)節(jié)兩條鏈路的傳輸時(shí)間的比率，使兩條傳輸鏈路彼此匹 配，具體例子如下。基站(1)-用戶端鏈路的總的傳輸時(shí)間T為10ms，基站(1)_中繼站⑷的傳輸數(shù) 據(jù)速率禮為10Mbps，中繼站(4)-用戶端鏈路的傳輸數(shù)據(jù)速率&為15Mbps。基站管理系統(tǒng) 根據(jù)關(guān)系式(2)可求出基站(1)-中繼站(4)鏈路傳輸時(shí)間與中繼站(4)-用戶端鏈路 傳輸時(shí)間T2的比率n為0. 6，于是，= 6ms, T2 = 4ms。這樣，通過調(diào)整基站(1)_中繼站(4)鏈路和中繼站(4)-用戶端鏈路的傳輸時(shí)間，使得n能夠自適應(yīng)，從而補(bǔ)償了鏈路數(shù)據(jù) 速率之間的差異，使得基站(1)-中繼站(4)鏈路和中繼站(4)-用戶端鏈路的傳輸性能相 匹配。具體地，其實(shí)施步驟為第一步，從基站管理系統(tǒng)中分別獲取基站(1)-中繼站(4)鏈路的吞吐量隊(duì)為 10Mbps與中繼站(4)-用戶端鏈路的吞吐量R2為15Mbps (此吞吐量是基站管理系統(tǒng)中已經(jīng) 測量得到的數(shù)據(jù)，屬于已知數(shù)據(jù))；第二步，基站管理系統(tǒng)根據(jù)關(guān)系式(1)計(jì)算出基站(1)-中繼站(4)鏈路傳輸時(shí)間 1\與中繼站(4)-用戶端鏈路傳輸時(shí)間T2的比率n為0.6，然后根據(jù)關(guān)系式(2)分別計(jì)算 出基站(1)-中繼站⑷鏈路的傳輸時(shí)間為6ms，中繼站-用戶端鏈路的傳輸時(shí)間T2為 4ms ；第三步，在6ms時(shí)間內(nèi)由基站(1)向中繼站⑷傳輸信號；第四步，在4ms時(shí)間內(nèi)由中繼站⑷向用戶端傳輸信號。下面是多天線接收的高鐵移動通信系統(tǒng)上行鏈路的例子，設(shè)基站(1)、中繼站(4) 和每個用戶端都配置M幅天線，存在用戶端-中繼站⑷和中繼站(4)-基站⑴兩條信號 傳輸鏈路。在列車高速運(yùn)行環(huán)境下，由于用戶端-中繼站(4)鏈路的信道增益比中繼站 (4)-基站(1)鏈路更高，用戶端-中繼站(4)鏈路可支持更高速率。為了防止無線資源的 浪費(fèi)，通過調(diào)節(jié)兩條鏈路的傳輸時(shí)間的比率，使兩條傳輸鏈路彼此匹配，具體例子如下。用戶端-基站⑴鏈路的總的傳輸時(shí)間T為10ms，用戶端-中繼站⑷鏈路的傳 輸數(shù)據(jù)速率禮為15Mbps，中繼站(4)-基站(1)鏈路的傳輸數(shù)據(jù)速率&為10Mbps?；竟?理系統(tǒng)根據(jù)關(guān)系式(2)可求出用戶端_中繼站(4)鏈路傳輸時(shí)間1\與中繼站(4)-基站(1) 鏈路傳輸時(shí)間T2的比率n為0. 4，于是，= 4ms, T2 = 6ms。這樣，通過調(diào)整用戶端-中 繼站(4)鏈路和中繼站(4)-基站(1)鏈路的傳輸時(shí)間，使得n能夠自適應(yīng)，從而補(bǔ)償了鏈 路數(shù)據(jù)速率之間的差異，使得用戶端-中繼站(4)鏈路和中繼站(4)-基站(1)鏈路的傳輸 性能相匹配。具體地，其實(shí)施步驟為第一步，從基站管理系統(tǒng)中分別獲取用戶端-中繼站(4)鏈路的吞吐量隊(duì)為 15Mbps與中繼站(4)-基站(1)鏈路的吞吐量&為10Mbps (此吞吐量是基站管理系統(tǒng)中已 經(jīng)測量得到的數(shù)據(jù)，屬于已知數(shù)據(jù))；第二步，基站管理系統(tǒng)根據(jù)關(guān)系式(1)計(jì)算出用戶端_中繼站(4)鏈路傳輸時(shí)間 與中繼站(4)-基站(1)鏈路傳輸時(shí)間的比率n為0.4，然后根據(jù)關(guān)系式(2)分別計(jì)算出用 戶端_中繼站⑷鏈路的傳輸時(shí)間為4ms，中繼站(4)-基站(1)鏈路的傳輸時(shí)間T2為 6ms第三步，在4ms時(shí)間內(nèi)由用戶端向中繼站(4)傳輸信號；第四步，在6ms時(shí)間內(nèi)由中繼站⑷向基站(1)傳輸信號。
權(quán)利要求
一種高速列車無線通信裝置，其特征在于把中繼站安放在高速列車上，基站在地面沿鐵路布放；下行鏈路中，基站發(fā)送信號先經(jīng)過中繼站，然后再到達(dá)每個用戶終端；上行鏈路中，用戶發(fā)送信號先到達(dá)中繼站，然后再經(jīng)過中繼站轉(zhuǎn)發(fā)到基站。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車無線通信裝置，其特征在于所述通信裝置的 下行通信方法如下1)從基站管理系統(tǒng)中分別獲取基站-中繼站鏈路的吞吐量與中繼站-用戶端鏈路的吞 吐量；2)基站管理系統(tǒng)根據(jù)以下關(guān)系式分別計(jì)算出基站_中繼站鏈路的傳輸時(shí)間與中繼 站_用戶端鏈路的傳輸時(shí)間T2 ；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車無線通信裝置，其特征在于所述通信裝置的 上行通信方法如下1)從基站管理系統(tǒng)中分別獲取用戶端-中繼站鏈路的吞吐量與中繼站-基站鏈路的吞 吐量；2)基站管理系統(tǒng)根據(jù)以下關(guān)系式分別計(jì)算出用戶端_中繼站鏈路的傳輸時(shí)間與中 繼站_基站鏈路的傳輸時(shí)間T2 ；
全文摘要
本發(fā)明涉及高速移動環(huán)境下的列車、飛機(jī)等移動通信系統(tǒng)，具體來說是一種高速列車無線通信裝置與方法，屬于無線信息傳輸領(lǐng)域。本發(fā)明提出的通信方式中，中繼站安放在高速列車上，各個用戶與中繼站之間的信道傳播環(huán)境相對靜止或慢速移動，可支持較高數(shù)據(jù)速率傳輸。中繼站與基站之間為高速移動信道，優(yōu)化設(shè)計(jì)中繼站與基站之間的傳輸方式，就可實(shí)現(xiàn)用戶與基站之間的高速通信。通過合理布放列車上的中繼站，可避免高速列車的車體穿透損耗對傳輸性能的影響。
文檔編號H04B7/15GK101980458SQ20101027936
公開日2011年2月23日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者周美紅, 黎海濤 申請人:北京工業(yè)大學(xué)