用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法

专利名称：用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电信技术领域的信号覆盖方法，特别是一种用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法。
背景技术：
随着数字技术日新月异的发展，广播电视领域正面临着一场新的革命，与广播电视技术相关的各个领域都在向数字化方向高速发展。数字电视技术的迅速发展使得在高速移动环境中收看稳定的数字广播节目成为可能。近年来，随着铁路的大幅扩容和提速，选择火车出行成为越来越多群众的选择，然而由于目前还没有建成用于轨道交通的数字广播覆盖网，分布在铁轨上的数千辆列车成为数字广播覆盖的盲区，每天乘坐列车的数百万乘客们在漫长乏味的旅途中无法收看数字广播节目，这与目前发达的信息技术产业形成巨大的反差；因此解决包括铁路在内的轨道交通领域内的广播信号覆盖问题成为当务之急。
数字广播单频网技术(SFN)是用于轨道交通的数字广播覆盖网的最佳技术，在设计轨道交通单频网信号覆盖中主要需解决以下两个问题1)保证SFN交叠区的覆盖效果；2)在1)的前提下有效利用功率对目标覆盖区域进行功率覆盖；所谓交叠区是指在单频网覆盖条件下，收到两个(或以上)基站信号，且两个(或以上)信号场强差值小于某个给定范围或值(设为X)的被覆盖区域。交叠区通常是覆盖场强较小的地域，而接收机在交叠区工作时，解调器工作在强多径的环境中(两个或多个基站的发射信号互为多径)，会有额外的信噪比恶化。
经对现有技术的文献检索发现，文献“Single Frequency Networks in DTV”(IEEE Transactions on Broadcasting，Vol.51，No.4，December 2005)对地面电视单频组网方法进行了研究和分析，并提出了解决覆盖问题的若干设计经验、方法和准则，这些覆盖方法通常应用于城市、郊区的地面电视SFN设计，无线覆盖的目标区域为圆形或称之为面状覆盖。由于轨道交通覆盖的目标区域为沿轨道的条型或称之为线型区域，因此前述的针对面状覆盖的SFN覆盖设计方法和准则不适用于轨道交通的线型区域的覆盖目标；检索中还发现，专利“用于公路无线覆盖的天线配置方法”(专利申请号200410080166.5)公开了一种在无线通信系统领域中用于公路无线覆盖的天线配置方法，该方法利用被覆盖区域的条状特性，采用两个定向天线进行相反方向的覆盖，从而可以有效提高功率的利用效率，该方法思路对轨道交通SFN覆盖设计具有一定的参考意义，但本质上该方法的应用背景不是SFN，因此没有考虑单频网交叠区对覆盖设计的特殊要求，覆盖区内的接收机的信噪比不仅取决于接收机收到的信号场强，还和覆盖交叠区带来的信噪比恶化相关，而在交叠区由于距离两端的发射机都较远，信号场强在整个覆盖区中是最低的。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，使其解决轨道交通类的单频网信号交叠区造成信噪比恶化，同时交叠区场强在覆盖区内通常是最低的问题，克服了轨道交通类单频网信号交叠区对信号覆盖设计的影响，大大提高系统链路设计指标。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出“交叠区反向位移”思想，实现轨道交通类的单频网覆盖设计，具体包括如下步骤1)在接收机中采用两个定向天线和两个解调器进行信号接收和解调，对于每个定向接收天线来说，交叠区向天线主瓣方向的反方向进行移动；接收机中，两个定向接收天线分别将接收到的信号馈送给两个解调器；两个解调器将各自解调输出的信息输入到分集合并装置；分集合并装置通过选择合并算法输出最佳信号。
两个定向接收天线，其前后比参数R，选择尽可能大的值。
所述参数R，当R大于交叠区场强差值X时，则不存在交叠区。
2)接收机对解调后两路信号通过选择合并算法进行合并，达到消除交叠区的目的；3)每个基站的发送天线采用两个定向天线指向目标覆盖区进行单频网信号发射；
4)对轨道交通类的单频网覆盖进行线型覆盖建模，并在此模型基础上对发送天线参数主瓣宽度θ和天线指向角φ配置。
对发送天线参数配置，包括以下步骤1)以θ，φ为参变量，以l为自变量，得到相邻的两个基站覆盖区间内第一定向接收天线接收到的场强为Er1(l；θ，φ)，第二定向接收天线接收到的场强为Er2(l；θ，φ)；2)接收机的背底噪声和接收场强无关，则根据1)中的场强表达式得到不考虑交叠区信噪比恶化时的两个解调器的接收信噪比的表达式分别为SNRr1(l；θ，φ)和SNRr2(l；θ，φ)；3)根据交叠区的定义通过1)中的Er1(l；θ，φ)，Er2(l；θ，φ)表达式得到交叠区对应的l取值区间，根据系统采用的调制解调体制得到信噪比恶化与场强差的关系ΔSNR(ΔEr)，并代换得到ΔSNR(l)；4)得到两个解调器实际接收信噪比的表达式SNRr1(l；θ，φ)和SNRr2(l；θ，φ)；5)通过分集合并装置后的接收信噪比性能为SNRfinal＝max{SNRr1(l；θ，φ)，SNRr2(l；θ，φ)}，考虑其中信噪比最低点，min{SNRfinal}＝min{max{SNRr1(θ，φ，l)，SNRr2(θ，φ，l)}}；6)调整并选定发送天线参数θ和φ，使得min{SNRfinal}最大。
考虑轨道交通单频网覆盖的线型分布特点，本发明利用定向发天线提高覆盖效率，在接收端，利用接收定向天线对前向信号增强和对后向信号抑制的特点使得交叠区向定向天线主瓣方向的反方向移动，而且交叠区长度有效减小，接收机对解调后两路信号通过选择分集合并算法进行合并，从接收机等效的接收信号场强图看，可以消除交叠区对接收机的影响。与现有技术相比，本发明的有益效果是通过这些步骤可以克服轨道交通类单频网信号交叠区对信号覆盖设计的影响，根据具体应用环境和实施方式的不同，对系统链路设计指标有5～8dB的改善。


图1为发射天线采用现有全向天线和定向天线情况下的两个基站间的信号场强分布图；
图2为本发明实施例采用的接收机结构示意图；图3为本发明实施例的两个基站间的信号场强分布图；图4为本发明实施例通过分集合并装置后，接收机等效的接收信号场强图；图5为本发明实施例轨道交通类的单频网线型覆盖模型图；图6为本发明实施例上海到苏州试验段三点覆盖示意图；图7为本发明实施例交叠区移动效果图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例如图1所示，反映了在未应用本发明方法时在发射天线采用全向天线和定向天线的情况下，两个基站间的信号场强分布图，图中实线表示全向天线效果，虚线表示定向天线效果。在两个发射基站发射功率相等，天线参数一致的情况下，可以看到交叠区位于覆盖区的中间，位于整个覆盖区中信号场强最低的部分；交叠区在发送天线为全向和定向的条件下位置不变，只是采用定向天线时覆盖区的场强整体提高了。
如图2所示，本实施例采用的接收机60结构包括两个定向接收天线61，62，两个解调器63，64，一个分集合并装置65，第一定向接收天线61接收到的信号馈送给第一解调器63，第二定向接收天线62接收到的信号馈送给第二解调器64，两个解调器63和64的输出由分集合并装置65进行处理后输出。
两个定向接收天线61，62的前后比参数为R，该参数应该在工程可实现的前提下选择尽可能大的值，当R大于交叠区场强差值X时，则不存在交叠区。第一定向接收天线61在覆盖区移动时，输出的信号场强分布如图3所示，与图1相比，交叠区向天线主瓣指向的反方向(向右)移动；第二定向接收天线62在覆盖区移动时，输出的信号场强分布和图3取对称，与图1相比，交叠区向天线主瓣指向的反方向(向左)移动，而且两个定向接收天线61，62的前后比R越大时移动的效果越明显。
本实施例接收机60的工作过程如下，21)两个定向接收天线61和62分别将接收到的信号馈送给两个解调器63和64；22)两个解调器63和64将各自解调输出的信息输入到分集合并装置65；23)分集合并装置65通过选择合并算法输出最佳信号。
通过分集合并装置65后，接收机60等效的接收信号场强如图4所示，最终接收机60的工作场强用粗线描出，当接收机60在左半段移动时，接收机按照第一定向接收天线61和第一解调器63输出，当接收机60在右半段移动时，接收机60按照第二定向接收天线62和第二解调器64输出，在这种状态下当R＞X时，则不存在交叠区。
基站发送天线为定向天线参数包括发射天线的主瓣宽度θ、天线水平指向与轨道垂线D的夹角φ；如图5所示，轨道交通类的单频网线型覆盖模型图，设相邻两个发射基站之间的距离为2L，发射基站与轨道的距离为D，发射天线的主瓣宽度为θ，天线水平指向与D的夹角为φ，已左边基站与轨道的垂线交点为原点，接收机与原点的距离为l，在实际系统中L，D为给定值；对发送天线参数在考虑交叠区信噪比恶化的基础上进行最优化配置的具体过程包括41)以θ，φ为参变量，以l为自变量，可以得到相邻的两个基站覆盖区间内第一定向接收天线61接收到的场强为Er1(l；θ，φ)，第二定向接收天线62接收到的场强为Er2(l；θ，φ)；42)接收机的背底噪声和接收场强无关，则根据41)中的场强表达式得到不考虑交叠区信噪比恶化时的两个解调器63，64的接收信噪比的表达式分别为SNRr1(l；θ，φ)和SNRr2(l；θ，φ)；43)根据交叠区的定义通过41)中的Er1(l；θ，φ)，Er2(l；θ，φ)表达式得到交叠区对应的l取值区间，根据系统采用的调制解调体制得到信噪比恶化与场强差的关系ΔSNR(ΔEr)，并代换得到ΔSNR(l)；44)得到两个解调器63，64实际接收信噪比的表达式SNRr1(l；θ，φ)和SNRr2(l；θ，φ)；
45)通过分集合并装置65后的接收信噪比性能为SNRfinal＝max{SNRr1(l；θ，φ)，SNRr2(l；θ，φ)}，考虑其中信噪比最低点，min{SNRfinal}＝min{max{SNRr1(θ，φ，l)，SNRr2(θ，φ，l)}}；46)调整并选定发送天线参数θ和φ，使得min{SNRfinal}最大。
如图6所示，以上海到苏州试验段三点覆盖的实施例，三个发射基站位置位于沪宁线苏州段的外跨塘，唯亭和正仪站，发射基站均匀分布，间距为9公里(即2L为9Km)，基站与轨道的垂线距离D为10米；系统采用上海交通大学的ADTB-T调制解调体制，该体制有抗强多径信号的能力，在多径信号与主径信号强度相差10dB以上时多径信号对解调器基本无影响，因此本系统的覆盖区场强差值X为10dB，接收机的收方向天线61和62根据天线类型和实际安装尺寸的限制，其前后比D的指标在尽量大的设计原则上达到了25dB。
在采用自由空间衰落模型时，根据以上参数对唯亭站到正仪站之间的信号覆盖情况进行定量分析。以唯亭站对应铁道坐标位置为0点，正仪站对应铁道坐标位置为9000m，覆盖区场强按原点处采用全向天线时场强进行归一化，如图7所示，在收端采用全向天线时交叠区范围是[2160m～6840m]，交叠区长度为4680m，交叠区场强范围是[-53.06dBc～-49.69dBc]；采用定向天线时，天线61对应的交叠区范围是[7640～8840]，交叠区长度为1200m，交叠区场强范围是[-45.16dBc～-36.6dBc]；天线62对应的长度和场强范围和天线61是完全一样的，其交叠区范围和天线61的交叠区范围对称，是[160～1360]，在本实施例中，交叠区长度缩小为原来的1/4，交叠区移动效果明显且交叠区工作点最低场强提高了8dB，经过解调器63，64以及分集合并装置65后等效为无交叠区。
在主观效果上，在采用本实施例之前，接收机采用单全向天线接收信号，当列车在交叠区移动时，解调器频频失锁，接收图像断续，画屏现象明显，在采用本实施例后，在整个覆盖区内解调器信噪比均在11dB以上(门限为5dB)，图像连贯无中断。
从上述实施例说明，本发明给出地面覆盖网能够适应不同的数字电视传输体制完成高速铁路的有效覆盖要求。同时此覆盖网同样也可以被应用到其他轨道交通领域，用于数字电视信号的有效覆盖。
权利要求
1.一种用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，其特征在于，具体包括如下步骤1)在接收机中采用两个定向天线和两个解调器进行信号接收和解调，对于每个定向接收天线来说，交叠区向天线主瓣方向的反方向进行移动；2)接收机对解调后两路信号通过选择合并算法进行合并，达到消除交叠区的目的；3)每个基站的发送天线采用两个定向天线指向目标覆盖区进行单频网信号发射；4)对轨道交通类的单频网覆盖进行线型覆盖建模，并在此模型基础上对发送天线参数配置。
2.根据权利要求1所述的用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，其特征在于，所述天线参数，是指主瓣宽度θ和天线指向角φ。
3.根据权利要求1所述的用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，其特征在于，所述接收机中，两个定向接收天线分别将接收到的信号馈送给两个解调器；两个解调器将各自解调输出的信息输入到分集合并装置；分集合并装置通过选择合并算法输出最佳信号。
4.根据权利要求1或3所述的用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，其特征在于，所述两个定向接收天线，其前后比参数R，选择尽可能大的值。
5.根据权利要求4所述的用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，其特征在于，所述参数R，当R大于交叠区场强差值X时，则不存在交叠区。
6.根据权利要求1所述的用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，其特征在于，所述对发送天线参数配置，包括以下步骤1)以θ，φ为参变量，以l为自变量，得到相邻的两个基站覆盖区间内第一定向接收天线接收到的场强为Er1(l；θ，φ)，第二定向接收天线接收到的场强为Er2(l；θ，φ)；2)接收机的背底噪声和接收场强无关，则根据1)中的场强表达式得到不考虑交叠区信噪比恶化时的两个解调器的接收信噪比的表达式分别为SNRr1(l；θ，φ)和SNRr2(l；θ，φ)；3)根据交叠区的定义通过1)中的Er1(l；θ，φ)，Er2(l；θ，φ)表达式得到交叠区对应的l取值区间，根据系统采用的调制解调体制得到信噪比恶化与场强差的关系ΔSNR(ΔEr)，并代换得到ΔSNR(l)；4)得到两个解调器实际接收信噪比的表达式SNRr1(l；θ，φ)和SNRr2(l；θ，φ)；5)通过分集合并装置后的接收信噪比性能为SNRfinal＝max{SNRr1(l；θ，φ)，SNRr2(l；θ，φ)}，考虑其中信噪比最低点，min{SNRfinal}＝min{max{SNRr1(θ，φ，l)，SNRr2(θ，φ，l)}}；6)调整并选定发送天线参数θ和φ，使得min{SNRfinal}最大。
全文摘要
本发明公开了一种用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法，提出“交叠区反向位移”思想，在接收机中采用两个定向天线和两个解调器进行信号接收和解调，对于每个定向接收天线来说，交叠区向天线主瓣方向的反方向进行移动；接收机对解调后两路信号通过合适的分集合并算法进行合并，达到消除交叠区的目的；每个基站的发送天线采用两个定向天线进行单频网信号发射，对轨道交通类的单频网覆盖进行线型覆盖建模，并在此模型基础上对发送天线参数在考虑交叠区信噪比恶化的基础上进行最优化配置，通过这些步骤可以克服轨道交通类单频网信号交叠区对信号覆盖设计的影响，大大提高系统链路设计指标。
文档编号H04B7/26GK101060357SQ20071004171
公开日2007年10月24日 申请日期2007年6月7日 优先权日2007年6月7日
发明者马文峰, 归琳, 金济华, 施洋, 陆靖侃 申请人:上海交通大学