专利名称：一种高速列车无线通信装置与方法
技术领域：
本发明涉及高速移动环境下的列车、飞机等移动通信系统，属于无线信息传输领 域。
背景技术：
近年来，我国的高速铁路取得了飞速发展，预计到2020年，中国200公里及以上时 速的高速铁路建设里程将超过1. 8万公里，将占世界高速铁路总里程的一半以上。在高速 铁路环境下，由于高速运动产生多普勒效应使得无线信号中心频率发生偏移造成无线信道 环境恶化，而且高速运动对移动用户接入、切换等的时间要求更加严格，容易出现移动网络 覆盖重叠区不足，切换成功率下降、接入困难等一系列问题。另一方面，目前国内高速铁路采用的高速列车的车体穿透损耗比传统列车车体垂 直穿透损耗大10dB左右，高速列车车体的高损耗对网络覆盖质量有很大影响，特别是在软 卧车厢损耗更加严重，导致列车车厢内无线信号质量较差。因此，如何在高速移动环境下为 用户提供良好的网络服务质量已经成为运营商与设备商关注的重要课题。一般的高铁移动通信系统通过增大基站覆盖密度、安放固定直放站等来提高通信 质量，如图1所示，这显著增加了移动网络建设成本，且列车内每个用户与基站或直放站的 通信信号均经历快衰信道，故传统方法不能有效解决室内等高阴影环境的高数据速率覆 盖。因此，本发明针对传统高铁移动通信系统的缺陷，提出一种基于移动中继站的无线通信 方法，以提高移动用户的通信质量，满足用户上网、收发邮件、视频等数据业务的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高质量的高速铁路通信装置和方法。本发明采用如下技术方案一种高速列车无线通信装置，把中继站安放在高速列车上，基站在地面沿铁路布 放；下行链路中，基站发送信号先经过中继站，然后再到达每个用户终端；上行链路中，用 户发送信号先到达中继站，然后再经过中继站转发到基站。上述的一种高速列车无线通信装置，其下行链路通信方法如下1)从基站管理系统中分别获取基站-中继站链路的吞吐量与中继站-用户端链路 的吞吐量；2)基站管理系统根据以下关系式分别计算出基站-中继站链路的传输时间与 中继站-用户端链路的传输时间t2 ；
r2= nT, T2 = (l-n)T(2)其中n—基站-中继站链路传输时间与中继站-用户端链路传输时间t2的 比率；
R,——基站-中继站链路的数据传输速率；R2——中继站-用户端链路的数据传输速率；T——传输一帧数据所需的时间，由系统给定。3)下行链路中，在时间内基站向中继站传输信号；4)下行链路中，在T2时间内中继站向用户传输信号；上述的一种高速列车无线通信装置，其上行链路通信方法如下1)从基站管理系统中分别获取用户端_中继站链路的吞吐量与中继站-基站链路 的吞吐量；2)基站管理系统根据以下关系式分别计算出用户端_中继站链路的传输时间 与中继站_基站链路的传输时间T2 ；
r2”= R ⑴= nT, T2 = (l-n)T(2)其中n—用户端-中继站链路传输时间与中继站-用户端链路传输时间t2 的比率；——用户端-中继站链路的数据传输速率；R2——中继站-基站链路的数据传输速率；T——传输一帧数据所需的时间，由系统给定。3)上行链路中，在时间内用户向中继站传输信号；4)上行链路中，在T2时间内中继站向基站传输信号。与现有的高铁通信装置和方法相比，本发明可以取得如下有益效果一般的高铁通信系统中，基站、直放站均在地面沿铁路布放。与之相比，本发明提 出的通信方式中，中继站安放在高速列车上，各个用户与中继站之间的信道传播环境相对 静止或慢速移动，可支持较高数据速率传输。中继站与基站之间为高速移动信道，优化设计 中继站与基站之间的传输方式，就可实现用户与基站之间的高速通信。通过合理布放列车 上的中继站，可避免高速列车的车体穿透损耗对传输性能的影响。提出的通信方式中，基站-中继站和中继站-用户端的链路具有不同的特征。基 站_中继站链路的信道增益随着时间变化显著，而中继站-用户端链路的信道增益变化较 小，所以，两类链路的传输信道具有非对称性。若以两条链路中较差的信道为基准，则限制 了可达到的数据传输速率，具有较好信道状态的传输链路的无线资源未被充分利用。本发 明提出以信道环境较好的中继站——用户端链路为基准，调整基站——中继站链路的传输 时间或传输模式，使得两类链路传输性能相匹配。
图1 一般的高铁通信方法。图2本发明提出的一种高速列车无线通信装置。图3本发明提出的一种高速列车无线通信装置的下行信号传输流程图。图中⑴基站，(2)直放站，(3)列车，(4)中继站。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明，以多天线接收的高铁移动 通信系统下行链路为例说明，设基站(1)、中继站(4)和每个用户端都配置M幅天线，存在基 站(1)-中继站⑷和中继站(4)_用户端两条信号传输链路。在列车高速运行环境下，如图2所示，由于中继站(4)_用户端链路的信道增益比 基站(1)-中继站(4)链路的信道增益更高，所以中继站(4)-用户端链路可支持更高速率。 为了防止无线资源的浪费，通过调节两条链路的传输时间的比率，使两条传输链路彼此匹 配，其原理如下。令T为基站(1)-用户端链路的传输时间，n表示基站(1)-中继站⑷传输时间 与中继站(4)-用户端时间的比率。队和1 2分别表示基站(1)-中继站(4)、中继站(4)-用 户端链路的数据传输速率。当n =0.5时，则是一般的中继通信方式，用户的最大数据传输 速率受到基站(1)-中继站(4)和中继站(4)-用户端链路中传输性能较差的链路的限制。 如果n能够自适应，即自动选择传输性能较好的链路，就有可能补偿链路数据速率之间的 差异。当基站(1)-中继站(4)链路的吞吐量与中继站(4)-用户端链路的吞吐量满足关系 式(3)时，可以实现链路均衡。 队=T2 R2(3)由关系式⑵得nT = (1- n)T R2(4)因此，n由如下公式决定7 = ^(5)具体地，其实施步骤为如图3所示第一步，从基站管理系统中分别获取基站(1)-中继站(4)链路的吞吐量与中继站 (4)-用户端链路的吞吐量；第二步，基站管理系统根据关系式(2)分别计算出基站(1)-中继站(4)链路的传 输时间和中继站(4)-用户端链路的传输时间T2 ；第三步，在时间内基站(1)向中继站⑷传输信号；第四步，在T2时间内中继站⑷向用户端传输信号。下面是多天线接收的高铁移动通信系统下行链路的例子，设基站(1)、中继站(4) 和每个用户端都配置M幅天线，存在基站(1)-中继站⑷和中继站(4)-用户端两条信号 传输链路。在列车高速运行环境下，如图1所示，由于中继站(4)_用户端链路的信道增益比 基站(1)-中继站(4)链路的信道增益更高，所以中继站(4)-用户端链路可支持更高速率。 为了防止无线资源的浪费，通过调节两条链路的传输时间的比率，使两条传输链路彼此匹 配，具体例子如下。基站(1)-用户端链路的总的传输时间T为10ms，基站(1)_中继站⑷的传输数 据速率礼为10Mbps，中继站(4)-用户端链路的传输数据速率&为15Mbps。基站管理系统 根据关系式(2)可求出基站(1)-中继站(4)链路传输时间与中继站(4)-用户端链路 传输时间T2的比率n为0. 6，于是，= 6ms, T2 = 4ms。这样，通过调整基站(1)_中继站(4)链路和中继站(4)-用户端链路的传输时间，使得n能够自适应，从而补偿了链路数据 速率之间的差异，使得基站(1)-中继站(4)链路和中继站(4)-用户端链路的传输性能相 匹配。具体地，其实施步骤为第一步，从基站管理系统中分别获取基站(1)-中继站(4)链路的吞吐量队为 10Mbps与中继站(4)-用户端链路的吞吐量R2为15Mbps (此吞吐量是基站管理系统中已经 测量得到的数据，属于已知数据)；第二步，基站管理系统根据关系式(1)计算出基站(1)-中继站(4)链路传输时间 1\与中继站(4)-用户端链路传输时间T2的比率n为0.6，然后根据关系式(2)分别计算 出基站(1)-中继站⑷链路的传输时间为6ms，中继站-用户端链路的传输时间T2为 4ms ；第三步，在6ms时间内由基站(1)向中继站⑷传输信号；第四步，在4ms时间内由中继站⑷向用户端传输信号。下面是多天线接收的高铁移动通信系统上行链路的例子，设基站(1)、中继站(4) 和每个用户端都配置M幅天线，存在用户端-中继站⑷和中继站(4)-基站⑴两条信号 传输链路。在列车高速运行环境下，由于用户端-中继站(4)链路的信道增益比中继站 (4)-基站(1)链路更高，用户端-中继站(4)链路可支持更高速率。为了防止无线资源的 浪费，通过调节两条链路的传输时间的比率，使两条传输链路彼此匹配，具体例子如下。用户端-基站⑴链路的总的传输时间T为10ms，用户端-中继站⑷链路的传 输数据速率礼为15Mbps，中继站(4)-基站(1)链路的传输数据速率&为10Mbps。基站管 理系统根据关系式(2)可求出用户端_中继站(4)链路传输时间1\与中继站(4)-基站(1) 链路传输时间T2的比率n为0. 4，于是，= 4ms, T2 = 6ms。这样，通过调整用户端-中 继站(4)链路和中继站(4)-基站(1)链路的传输时间，使得n能够自适应，从而补偿了链 路数据速率之间的差异，使得用户端-中继站(4)链路和中继站(4)-基站(1)链路的传输 性能相匹配。具体地，其实施步骤为第一步，从基站管理系统中分别获取用户端-中继站(4)链路的吞吐量队为 15Mbps与中继站(4)-基站(1)链路的吞吐量&为10Mbps (此吞吐量是基站管理系统中已 经测量得到的数据，属于已知数据)；第二步，基站管理系统根据关系式(1)计算出用户端_中继站(4)链路传输时间 与中继站(4)-基站(1)链路传输时间的比率n为0.4，然后根据关系式(2)分别计算出用 户端_中继站⑷链路的传输时间为4ms，中继站(4)-基站(1)链路的传输时间T2为 6ms第三步，在4ms时间内由用户端向中继站(4)传输信号；第四步，在6ms时间内由中继站⑷向基站(1)传输信号。
权利要求
一种高速列车无线通信装置，其特征在于把中继站安放在高速列车上，基站在地面沿铁路布放；下行链路中，基站发送信号先经过中继站，然后再到达每个用户终端；上行链路中，用户发送信号先到达中继站，然后再经过中继站转发到基站。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车无线通信装置，其特征在于所述通信装置的 下行通信方法如下1)从基站管理系统中分别获取基站-中继站链路的吞吐量与中继站-用户端链路的吞 吐量；2)基站管理系统根据以下关系式分别计算出基站_中继站链路的传输时间与中继 站_用户端链路的传输时间T2 ；
3.根据权利要求1所述的一种高速列车无线通信装置，其特征在于所述通信装置的 上行通信方法如下1)从基站管理系统中分别获取用户端-中继站链路的吞吐量与中继站-基站链路的吞 吐量；2)基站管理系统根据以下关系式分别计算出用户端_中继站链路的传输时间与中 继站_基站链路的传输时间T2 ；
全文摘要
本发明涉及高速移动环境下的列车、飞机等移动通信系统，具体来说是一种高速列车无线通信装置与方法，属于无线信息传输领域。本发明提出的通信方式中，中继站安放在高速列车上，各个用户与中继站之间的信道传播环境相对静止或慢速移动，可支持较高数据速率传输。中继站与基站之间为高速移动信道，优化设计中继站与基站之间的传输方式，就可实现用户与基站之间的高速通信。通过合理布放列车上的中继站，可避免高速列车的车体穿透损耗对传输性能的影响。
文档编号H04B7/15GK101980458SQ20101027936
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者周美红, 黎海涛 申请人:北京工业大学