用于高速车辆通信的多普勒调零行波天线中继器的制造方法
【专利摘要】一种天线中继系统，其在显著减小多普勒频移效应的情况下有利于高速铁路车辆上的移动终端与静止的基站之间的无线通信，所述系统包括安装至高速铁路车辆和在铁路旁边共线布置的匹配的行波定向天线。两个天线以相对于列车的运动的固定角持续地发送和接收，以避免多普勒频移。通过静止的天线发送或接收的信号被传导至最近的节点，以进行与接入网的通信。
【专利说明】用于高速车辆通信的多普勒调零行波天线中继器
【背景技术】
[0001]除非本文中另外指明，否则在这部分中描述的材料非相对于本申请权利要求的现有技术，并且不因为被包含在这部分中而被认为是现有技术。
[0002]高级无线通信系统通过将通信信道划分为逐渐变窄的子信道实现更大的带宽效率。继而，接收器需要使用选择性滤波器以分离不同载波，使得这些系统易受发送器和接收器之间的频率失配导致的干扰的影响。发送器相对于接收器的运动导致的多普勒频移产生了频率偏移，这对于与高速车辆的无线通信可变得有困难。
[0003]诸如调整传输频率或在频域中使用祀式接收器(rake receiver)的用于减轻多普勒频移的策略不能纠正根本问题:发送和接收天线的相对运动引入的载波频率的变化。在诸如高速铁路(HSR)的高速运输系统中，多普勒频移非常严重地影响无线通信。HSR通信系统使乘客能够使用他们的通常具有支持无线通信的固定基础结构的诸如蜂窝电话之类的无线通信装置。
【发明内容】
[0004]本发明一般描述了用于增强高速车辆上的移动终端与静止的基站之间的无线通信的技术。
[0005]根据一些示例，一种用于通过多普勒调零行波天线中继器增强高速车辆中的无线通信的方法可包括:在行驶车辆上的接入终端集合来自多个无线通信装置的无线流量；以及通过一对匹配的行波定向天线将无线流量发送至无线通信网络。第一天线可位于行驶车辆上，第二天线可沿着行驶车辆的路径布置。第二天线可导电性地连接至无线通信网络的一个或多个接入节点。
[0006]根据其它示例，一种使得高速车辆与陆地网络之间能够通过多普勒调零行波天线中继器进行通信的无线通信系统可包括:接入终端，适于从行驶车辆上的多个无线通信装置集合无线流量，并通过一对匹配的行波定向天线将集合的无线流量发送至陆地网络；第一行波定向天线，附着至行驶车辆；以及第二行波定向天线，沿着行驶车辆的路径布置。第二天线可导电性地连接至无线通信网络的一个或多个接入节点。
[0007]根据其它示例，一种使得高速车辆与陆地网络之间能够无线通信的行波定向天线系统可包括:第一行波定向天线，附着至行驶车辆，适于从行驶车辆上的多个无线通信装置接收集合的无线流量，并通过匹配的第二行波天线将所述无线流量发送至陆地网络；以及第二行波定向天线，沿着行驶车辆的路径布置，并导电性地连接至无线通信网络的一个或多个接入节点。
[0008]以上的
【发明内容】
仅是例示性的并且不旨在以任何方式进行限制。除了上述的说明性方面、实施方式和特征以外，通过参照附图和下面的具体描述，其它的方面、实施方式和特征将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】[0009]从以下结合附图的描述和随附权利要求中，本公开的以上和其它特征将变得更清楚。应该理解，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施例，因此，不应理解为限制本公开的范围，通过使用附图，将另外具体和详细地描述本公开。图中:
[0010]图1示出了来自通过静止的接收器观看的运动的发送器的多普勒频移的曲线图； [0011]图2示出了高速铁路无线通信中的多普勒调零行波天线中继器；
[0012]图3示出了用于点发送器和接收器的多普勒零点的示例构造；
[0013]图4示出了用于行波发送器和接收器的分布式多普勒零点的示例构造；
[0014]图5示出了在高速铁路无线通信中适于用作行波定向天线的漏泄同轴电缆；
[0015]图6示出了示例蜂窝转发器构造，其可用于控制通过行波定向天线的蜂窝电话通?目;
[0016]图7Α和图7Β示出了示例点对点和点对多点客户端桥接器构造，其可用于控制通过行波定向天线的打包的数据通信；
[0017]图8示出了通用计算装置，作为图6和图7的硬件实施方式的替代，其可用于通过行波定向天线的无线通信的软件控制；
[0018]图9是示出高速车辆无线通信中的行波定向天线的示例使用方法的流程图，所述方法可在诸如图8中的装置800这样的计算装置中执行；
[0019]图10是示出高速车辆通信中的行波定向天线的示例使用方法的流程图，所述方法可在诸如图6中的620这样的蜂窝转发装置中执行；
[0020]图11是示出高速车辆通信中的行波定向天线的示例使用方法的流程图，所述方法可在诸如图7中的718这样的客户端桥接器装置中执行；
[0021]图12示出了示例计算机程序产品的框图，它们全部根据本文所述的至少一些实施例布置。
【具体实施方式】
[0022]在下面的详细说明书中，参照构成说明书的一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，否则类似的符号通常表示类似的部件。详细说明书、附图和权利要求书中描述的例示性实施例不表示为限制性的。可以采用其它示例或实施例，并且在不脱离这里呈现的主题的精神或范围的情况下可以做出其它改变。将容易地理解，如这里一般描述和附图中示出的本公开的多个方面可以在各种不同的配置中被设置、替换、组合、分离和设计，所有这些在这里被明确设想到和构成本发明的一部分。
[0023]本发明尤其被绘制为关于改进高速车辆上的移动终端与静止基站之间的无线通信的方法、设备、系统、装置和/或计算机程序产品。
[0024]简单地说，包括安装至高速铁路车辆和在铁路旁边共线布置的匹配的行波定向天线的天线中继系统提供高在速铁路车辆上的移动终端与静止基站之间的无线通信以显著减小多普勒频移效应。两个天线可以相对于列车的运动的固定角持续地发送和接收，从而阻止信号的多普勒频移。通过静止天线发送或接收的信号可被传导至最近的节点，以进行与接入网的通信。
[0025]图1示出了来自通过静止的接收器观看的运动的发送器的多普勒频移的曲线图。根据以上的讨论，在高级无线通信系统中，使用窄的子信道来提高带宽效率。这样，需要具有选择性滤波器的接收器以分离不同载波，致使这些系统易受发送器和接收器之间的频率失配导致的干扰的影响。如曲线图100所示，发送器相对于接收器的运动导致的多普勒频移110产生了频率偏移。
[0026]在3GPP LTE系统中，例如，标称正交频分复用(OFDM)子信道间隔为15kHz，而对于移动WiMax中的可分级0FDM，子信道间隔可为IOkHz那么小。高速常规铁路线可按照350km/h的最高速度工作，产生针对2.4GHz载波频率的高达780Hz的多普勒频移。如果不校正，那么这种幅度的频率偏移可导致能够显著降低系统性能的载波间干扰。这种情况可通过多径效应进一步加重，其中不同信号路径不仅引入不同时延(从而产生符号间干扰)，而且多普勒频移对发送器相对于反射路径的运动的依赖也可针对不同路径产生不同频率偏移，从而进一步促成载波间干扰。
[0027]曲线图100示出了在频率轴104和振幅轴102上的由运动的发送器子信道108与接收器子信道114之间的多普勒频移110导致的载波间干扰112。减轻多普勒频移的一种策略包括:基站指示移动发送器调整其传输频率，但是移动终端的调谐范围可为有限的，并且变化传输角所需的频繁更新可引起相当大的信令开销。另一方法包括在频域中使用耙式接收器，以利用接收器的不同分支来分解来自单个移动终端的每个多径信号。然而，即使通过这种策略，移动终端之间的载波间干扰的潜在性也可仍存在。另外，这些策略中没有修正根本问题:发送和接收天线的相对运动引入的载波频率的变化。
[0028]HSR是一种非常易受无线通信的多普勒频移效应的影响的运输模式，其也因为其固定的基础结构而可顺从公开的方法。实施例通过经由安装在行驶列车上并靠着铁路的共线行波天线系统中继转发信号实际上消除了与高速铁路上的移动终端的无线通信中的多普勒频移。根据实施例的系统的匹配的行波定向天线可以相对于列车的运动的固定角持续地发送和接收，以避免多普勒频移。通过静止天线发送或接收的信号可被传导至最近的节点以进行与接入网的通信。所述方法通过以多普勒零点的角集中在分布式强定向传输中的无线电信号开发了运动的发送器的多普勒频谱的方向依赖性，从而消除多普勒频率偏移。根据一些实施例，可利用设计为以多普勒零点的角辐射的漏泄同轴电缆来制造行波天线。
[0029]图2示出了根据本文所述的至少一些实施例的高速铁路无线通信中的多普勒调零行波天线中继器。
[0030]实施例使高速车辆(尤其是高速铁路)上的移动终端能够与静止基站之间进行无线通信，而不受到由于车辆运动导致的信号频率的多普勒频移。因为从运动的发送器的无线电传输的多普勒频移取决于信号路径相对于发送器的运动方向的角度，所以这种能力是可能的。通过使HSR上的行波定向天线与靠着铁路布置的匹配的行波定向天线成对，可在连续多普勒零点(其中多普勒效应引起运动的发送器与静止的接收器之间(反之亦然)的无线电信号的零频率偏移的几何构造)建立通信信道。
[0031]行波天线使用导向结构上的行波作为主辐射机制，并当合适地设计时，它们能够沿着它们的长度以强定向束连续地辐射。图200示出了利用架空构造的用于高速铁路中的移动无线通信的多普勒调零天线中继系统的实施方式。每个列车车厢230、240可包括车厢内网络262、264，其包括有利于车上无线装置(例如，笔记本236和蜂窝电话238)与接入网之间的通信的无线节点232、242 (例如，路由器)和网关234、244 (例如，蜂窝转发器或无线桥接器)。作为车厢间网络266的一部分，列车车厢230中的网关252可连接至列车车厢240中的网关244，或网关可配置为作为独立子网络操作。
[0032]无线流量可集合在列车上的主接入终端248上，并分别利用安装至列车车厢的车顶和沿着铁路布置的成对的行波定向天线245和226 (漏泄同轴电缆)发送至陆地接入网；该步骤并不使无线传输的再处理成为必要。两个行波天线可以相对于列车的运动的固定角(254)持续地发送和接收(256)。由静止天线发送或接收的信号可通过沿着铁路226布置的漏泄同轴电缆传导至最近的节点，以进行与接入网的通信。因为天线耦合的定向本质，所以从行驶车辆接收的信号可被传导至车辆后方的节点(222)，而发送至行驶车辆的信号可从车辆前方的节点被传导(224)。
[0033]图3示出了根据本文所述的至少一些实施例的用于点发送器和接收器的多普勒零点的示例构造。
[0034]当移动终端朝着接收器运动时，接收的无线电信号的频率增强(370)，并且当其运动远离时，频率减弱(390)，这称为多普勒频移。随着终端经过接收器，频率偏移从正变为负，并且在一点上，信号瞬间无偏移。该点称为多普勒零点。
[0035]针对点发送器和接收器，针对经过在最接近点380的发送器和接收器之间的中点的发送的信号发生多普勒零点。发送源于最接近点之前，接收出现于最接近点之后，传输角384垂直于在其中中点为静止的构架中的发送器382和接收器386的路径。在图300中描述了这种构造。
[0036]通过改变为其中发送器或接收器为静止的构架，可获得信号发射和信号接收的角。在发射器的(静止)构架中，当通过下式给定角Θ时，得到这种结果:
【权利要求】
1.一种用于通过多普勒调零行波天线中继器增强高速车辆中的无线通信的方法，所述方法包括: 在行驶车辆上的接入终端集合来自多个无线通信装置的无线流量；以及 通过一对匹配的行波定向天线将所述无线流量转发至无线通信网络，所述天线中的第一天线位于所述行驶车辆上，所述天线中的第二天线沿着所述行驶车辆的路径布置，其中所述第二天线可导电地连接至所述无线通信网络的一个或更多个接入节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一天线和所述第二天线合适地设计为沿着它们的长度在强定向束中连续地辐射。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一天线和所述第二天线布置为以相对于所述行驶车辆的运动的预定角进行发送和接收。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定角从90度偏离约5度到约10度之间的角度。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定角被选择为对应于多普勒零点。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括将在所述第二天线接收的信号传导至所述无线通信网络的最近接入节点。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括将从所述行驶车辆接收的信号传导至所述行驶 车辆后方的接入节点。
8.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括将发送至所述行驶车辆的信号传导至所述行驶车辆前方的接入节点。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述行驶车辆是高速列车，所述第一天线附接至列车车厢，并且所述第二天线沿着铁路布置。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一天线和所述第二天线中的至少一个是漏泄同轴电缆天线、缝隙阵列天线、定向偶极子阵列天线和/或贴片阵列天线之一。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述第一天线和所述第二天线的第一阵列的辐射元件以周期性预定距离布置，以使得所述天线的导波模式耦合到单辐射模式中。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括将第二阵列的辐射元件沿着每个天线以从所述第一阵列的辐射元件偏移所述周期性预定距离的约四分之一交叉布置，从而消除在耦合到宽边辐射模式中的波长的所述导波模式中的阻带。
13.一种无线通信系统，所述系统使得能够实现在高速车辆和陆地网络之间的通过多普勒调零行波天线中继器的通信，所述系统包括: 接入终端，其适于集合来自行驶车辆上的多个无线通信装置的无线流量，并通过一对匹配的行波定向天线将集合的无线流量转发至陆地网络； 第一行波定向天线，其附接至所述行驶车辆；以及 第二行波定向天线，其沿着所述行驶车辆的路径布置，其中所述第二天线可导电地连接至所述无线通信网络的一个或更多个接入节点。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一天线和所述第二天线合适地设计为沿着它们的长度在强定向束中连续地辐射。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一天线和所述第二天线布置为以相对于所述行驶车辆的运动的预定角进行发送和接收。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述预定角从90度偏离约5度到约10度之间的角度。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述预定角被选择为对应于多普勒零点。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，在所述第二天线接收的信号被传导至所述陆地网络的最近接入节点。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，从所述行驶车辆接收的信号被传导至所述行驶车辆后方的接入节点。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，发送至所述行驶车辆的信号被传导至所述行驶车辆前方的接入节点。
21.根据权利要求13所述的系统，其中，所述行驶车辆是高速列车，所述第一天线附接至列车车厢，并且所述第二天线沿着铁路布置。
22.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一天线和所述第二天线中的至少一个是漏泄同轴电缆天线、缝隙阵列天线、定向偶极子阵列天线和/或贴片阵列天线之一。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述第一天线和所述第二天线的第一阵列的辐射元件以周期性预定距离布置，以使得所述天线的导波模式耦合到单辐射模式中。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，第二阵列的辐射元件沿着每个天线以从所述第一阵列的辐射元件偏移所述周期性预定距离的约四分之一交叉布置，从而消除在耦合到宽边辐射模式中的波长的所述导波模式中的阻带。
25.一种行波定向天线系 统，所述天线系统使得能够实现在高速车辆和陆地网络之间的无线通信，所述天线系统包括: 第一行波定向天线，其附接至行驶车辆，适于从所述行驶车辆上的多个无线通信装置接收集合的无线流量，并通过匹配的第二行波天线将所述无线流量转发至所述陆地网络；以及 所述第二行波定向天线，其沿着所述行驶车辆的路径布置，并可导电地连接至所述无线通信网络的一个或更多个接入节点。
26.根据权利要求25所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线合适地设计为沿着它们的长度在强定向束中连续地辐射。
27.根据权利要求25所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线布置为以相对于所述行驶车辆的运动的预定角进行发送和接收。
28.根据权利要求27所述的天线系统，其中，所述预定角从90度偏离约5度到约10度之间的角度。
29.根据权利要求27所述的天线系统，其中，所述预定角被选择为对应于多普勒零点。
30.根据权利要求25所述的天线系统，其中，所述第二天线适于将从所述第一天线接收的信号传导至所述陆地网络的最近接入节点。
31.根据权利要求30所述的天线系统，其中，所述第二天线适于将从所述行驶车辆接收的信号传导至所述行驶车辆后方的接入节点。
32.根据权利要求30所述的天线系统，其中，所述第二天线适于将发送至所述行驶车辆的信号传导至所述行驶车辆前方的接入节点。
33.根据权利要求25所述的天线系统，其中，所述行驶车辆是高速列车，所述第一天线附接至列车车厢，并且所述第二天线沿着铁路布置。
34.根据权利要求25所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线中的至少一个是漏泄同轴电缆天线、缝隙阵列天线、定向偶极子阵列天线和/或贴片阵列天线之一。
35.根据权利要求34所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线的第一阵列的辐射元件以周期性预定距离布置，以使得所述天线的导波模式耦合到单辐射模式中。
36.根据权利要求35所述的天线系统，其中，第二阵列的辐射元件沿着每个天线以从所述第一阵列的辐射元件偏移所述周期性预定距离的约四分之一交叉布置，从而消除在耦合到宽边辐射模式中的波长的所述导波模式中的阻带。`
【文档编号】H04B7/14GK103797723SQ201180073555
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2011年9月21日 优先权日:2011年9月21日
【发明者】G·杜尔克森 申请人:英派尔科技开发有限公司