用于车辆的天线系统的制作方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及用于在跟随预定路径或轨道的移动车辆与沿着该轨道定位的基站之间建立无线通信的系统和方法。

背景技术：

用于无线数据通信的移动通信设备的广泛使用已经使其成为以足够的带宽和宽带容量提供无线数据通信的远程通信网络制造商和操作者的极大的挑战。特别地，通信相关的问题可以出现于运输相关的使用方案中。例如，在列车上，典型的是大量的用户试图同时通过在列车所延及的相同的有限数量的基站来使用宽带数据通信服务，对于通行的列车可能很难提供足够的数据通信容量。而且，列车速度的极大的提高已经使该问题明显，因为需要极快速地、以大的带宽和宽带容量以及在极短的时间段内来提供数据通信资源。

在专利US 5548835中，描述了列车无线电通信系统，其包括多个陆地通信设备和列车通信设备。陆地通信设备以预定的间隔沿着列车行驶的铁路布置且设计成输出具有不同频率的输出传输信号。列车通信设备布置在列车中且设计成在列车行驶期间设定列车通信设备与一个陆地通信设备之间的无线电信道。列车通信设备包括多个天线、天线开关、接收器和天线控制器。天线接收来自陆地通信设备的传输信号。天线开关选择一个天线。接收器对来自选定天线的输出进行解调并且输出接收到的信号。天线控制器包括当前位置检测部，该当前位置检测部用于检测列车的当前行驶位置以及根据来自当前位置检测部的当前行驶位置来控制天线开关。

在实用新型CN 203279089中，描述了一种高速铁路双模式接收系统。该系统包括：第一接收天线，其接收第一信号；第二接收天线，其接收第二信号；以及双模式接收器，其分别与第一接收天线和第二接收天线连接。双模式接收器包括第一天线模块、第二接收模块、控制模块和时间服务装置，其中第一接收模块将第一信号解调成第一运输流(TS)，第二接收模块将第二信号解调成第二TS，控制模块根据第一TS和第二TS的锁定状态或列车的位置信息来控制第一TS和第二TS的切换和输出，并且时间服务装置为第一接收模块、第二接收模块和切换控制模块提供统一的时间基准。根据双模式接收系统，能够接收到两种类型的信号，高速列车能够接收并切换双模式信号，缓解了高速列车的不连续信号接收的问题，能够根据环境的变化来自动切换接收模式和切换策略，并且能够更好的满足高速铁路操作的要求。

公开的申请US 2014198715描述了用于在列车和沿着列车所行驶的轨道布置的一个或多个基站之间建立无线通信的方法和系统。这可以包括：设置列车上的通信继电器的一个或多个天线与基站的一个或多个天线之间的通信信道。信道状态信息(CSI)可被确定且存储在数据库中，并且CSI可用于经由通信信道的通信，取决于限定通信继电器的当前位置的信息。

考虑现代的高速列车或汽车能够以大约200km/h以上行驶，客户的连接可以例如每20秒传送到新的移动网络单元。有很多移动通信用户的列车中的该快速单元变化提出了主要的技术挑战并且要求不同的通信系统来覆盖整个轨道。在这些情形下，可能期望提供快速且可靠的切换系统和方法。

发明概述

提供了用于在用于车辆的移动通信中改进天线切换的系统和/或方法，基本上如至少一个图中所示和/或结合至少一个图所描述的，并且如在权利要求中更加完整地阐述的。

通过下面的说明和下面所列的附图，本发明的这些以及其它的优点、方面和新颖特征及其图示的实施方案的细节将被更全面地理解。

附图说明

图1A示出了第一固定通信系统附近的列车的实施例；

图1B示出了图1A中的列车的示例性的示意剖视图；

图2A示出了第二固定通信系统附近的列车的实施例；

图2B示出了图2A中的列车的示例性的示意剖视图；以及

图3示出了根据本发明的实施例的用于基于车辆的天线系统的切换与控制方案。

发明详述

图1A是示意性地示出收发站附近移动的移动列车的俯视图的图。参考图1A，示出了列车10，包括机车15和多个车厢，示出了车厢C1和C2。列车10是铁路轨道19上。进一步示出了收发站11，包括与天线系统11A通信耦合的收发机11B。天线系统11A可以生成说明性的辐射图案，称为RF天线走廊17。车厢C1，C2可以包括内天线13、信号中继器12、一组天线A1和一组天线A2。一组天线A1可包括多个天线，其中两个A11和A12被图示为黑点。一组天线A2类似地包括多个天线，其中两个A21和A22被图示为黑点。天线A11和A12分开距离d1。类似地，天线A21和A22分开距离d1。一组天线A1和A2分开距离d2，如天线A12与A22之间的距离d2所示。一般地，一组中的天线相对于另一组的天线安装到车辆的相对侧。在图1A中，组A1的天线A11和A12安装到右侧(沿行驶方式)，而组A2的天线A21和A22安装到左侧。信号中继器12与内天线13通信耦合并且与天线组A1和A2通信耦合。

列车10由机车15供给动力，机车15与如图所示的车厢C1，C2机械耦合并且使列车10沿着铁路轨道19朝向收发站11(如图所示)或者远离收发站11而移动。

收发站11可以是能操作的以便根据例如诸如GSM，UMTS，WCDMA，4G,LTE,HSDPA,HSUPA,5G,WiMAX 802.16等移动通信标准的一种或多种RF技术来发送和/或接收射频信号。根据本发明的各个实施方案，收发站11还可以称为基站或节点B。收发站11包括收发机11B，其包括根据移动通信标准来生成以及处理无线电和/或基带信号的适合的逻辑、电路系统和/或代码。然后，分别在收发机11B处接收到的和/或生成的信号通过天线系统11A来发送/接收。天线系统11A通常可包括一个或多个天线，但是典型地可以包括多个天线，从而允许诸如2x2通信的多输入多输出(MIMO)通信的各种协议与诸如安装在例如列车车厢C1，C2中的那些移动收发机系统通信。例如，天线系统11A可配置为接收和发送交叉偏振信号，即，同时接收和发送以不同方式例如水平地和垂直地偏振的两个信号。根据本发明的各个实施方案，天线系统11A还可以适当地配置为支持其它MIMO方案。天线系统11A可配置为使得其沿着铁路轨道19顺利地接收和发送。该顺利的接收/发送区域是通过示例性的RF天线走廊17图示说明的。

车厢C1，C2可适于任何用途，包括但不限于客厢和/或货箱。内天线13可以包括适合接收和发送射频信号到典型地位于车厢(未示出)内的移动收发机(例如定位在安置有内天线13的车厢C1，C2内)的逻辑、电路系统和/或代码。从内天线13接收或者发送到内天线13的移动收发机可以是由列车乘员操作的移动手机或者计算机，或者可以是机械操作的移动通信收发机，诸如那些用于例如机器间通信的移动通信收发机。内天线13典型地放置在车厢的内部并且可以包括适合于其工作频率的任何类型的RF天线类型。这可包括印制天线、泄漏馈入器或者适合于移动通信技术的任何其它天线技术，如本领域技术人员所清楚知道的。

信号中继器12可包括适合处理从内天线13或者天线组A1，A2接收到的无线电信号的逻辑、电路系统和/或代码。而且，信号中继器12可操作以控制，配置和适应天线组A1和A2的配置。类似地，信号中继器12能操作以处理经由内天线13或天线组A1，A2发送的无线电信号。典型地，在下行链路方案中，信号中继器12可经由天线组A1，A2中的一个或多个接收从收发站11发送的无线电信号。信号随后可被处理以便经由内天线13再发送。根据本发明的各个实施方案，再处理可包括但不限于无线电信号的放大、译码和/或再编码，并且可以处于射频、中频或基带频率。类似地，在上行链路方案中，信号中继器12可接收内天线13上的无线电信号并且适当地处理这些信号以便经由天线组A1，A2发送到接收机，例如收发站11。

天线组A1，A2可以包括适合于接收和发送与适合从收发站11接收以及发送到收发站11的无线电通信协议相一致的无线电信号的逻辑、电路系统和/或代码。如上文针对收发站11所描述的，这可以典型地包括一个或多个移动通信协议/标准。天线组A1，A2可是能操作以利用多种天线协议，例如多输入多输出(MIMO)，分别使用示例性的多个天线A11，A12和A21，A22。天线A11,A12,A21,A22可以包括适合于在它们相应的工作射频处接收和发送射频信号的逻辑、电路系统和/或代码。

在许多实例中，收发机天线系统11A可近似沿着铁路轨道19定位，典型地在大于列车10的高度处。选择天线系统11A的高度大于列车可以改善收发站11的有效的发送和接收范围，并且此外通常实现天线组A1，A2与收发机天线系统11A之间的视线(LOS)信号接收/发送。

图1B是图1A中的列车的示例性的示意性剖视图。参考图1B，示出了在铁路轨道19上的列车10的车厢C1以及说明性的收发机天线系统11A。车厢C1的剖面进一步示出了天线A11和天线A21。天线A11是例如如图1A所示的天线组A1的部分。天线A21是例如如图1A所示的天线组A2的部分。进一步示出了列车车顶101，其典型地由导电材料例如金属制成。还示出了主要由天线A11和A21在车顶101上的位置和方位引起的天线A11的某轴线与天线A21的某轴线之间的角y。一组天线的方位还可以视为该组自身的方位。在图1B中使用的附图标记对应于关于图1A所显示和描述的相应的元件。如图所示，固定通信系统的收发机天线系统11A可位于比列车10的高度大的高度处。

列车车顶101可典型地为曲线形的(或拱形的)或者另外可为凸形的，如图1B的示例性剖面中所看到的。例如，车顶101可以是凸形的，而通过多个直段接近如图所示的曲形车顶101。角y可有益地选为接近90度并且实际上可近似为75-100度。在该示例性配置中，角y近似为90度，天线A11和A21可以是能操作的以接收和发送可以交叉偏振的RF场。例如，天线A11可以主要接收自收发机天线系统11A发送的交叉偏振RF信号的垂直偏振信号成分，并且天线21可以主要接收自收发机天线系统11A发送的交叉偏振RF信号的水平偏振信号成分。导电车顶可充当天线的地板。本领域技术人员公知的，该布置可类似地用于经由天线A11和A21发送交叉偏振信号。

如上所述，在图1A和图1B所示的方案中，强LOS信号路径通常可存在于收发机天线系统11A和天线组A1与Amp之间。由于天线A11和A12分开d1，天线A11和A12可以接收略微相移(延迟)的基本上相同的信号。在A11与A12处接收到的信号之间的相移可取决于A11与A12之间的分开距离d1，以及一组天线A1相对于收发机天线系统11A的几何位置。在A11和A12接收到的信号可相干地组合以建设性地添加两个接收的信号。在一些情况下，延迟线，可能是适应性的，可用于补偿在天线A11和A12处接收到的信号之间产生的相移。在其它情况下，尤其当接收到的信号之间的延迟相对较小时，简单地连接天线A11和A12是足够的。类似地，在天线A21和A22处接收到的信号可组合。

天线组A1和A2之间的距离d2可典型地超过d1，并且可取决于车厢车顶101的特定形状以及所选的具体天线布置。出于该原因以及天线的角定位(如角y所示)，在天线组A1和A2处接收到的信号可以近似地不相关并且可在各种不同的天线协议中使用，包括MIMO。例如，通过相干地组合如上所述的每组内的天线信号，存在两个有效的天线，一组天线A1和A2中的每组各一个。如果例如收发机天线系统11A采用两个交叉偏振天线，则可以在车厢(例如，C1)与收发机天线系统11A之间形成有效的2x2MIMO信道。

图2A示出了第二固定通信系统附近的列车的示例。参考图1B，示出了列车10、铁路轨道19和收发站11。收发站11可包括与天线系统11C通信耦合的收发机11B。天线系统11C可包括多个泄漏馈入器电缆，有时也称为电缆天线，如双点划线所示。图2A中的附图标记可指代与如图1A所描述的相同标记的基本上相似的呀un就。

天线系统11C中的泄漏馈入器可是能操作的以根据例如诸如GSM,UMTS,WCDMA,4G,LTE,HSDPA,HSUPA,5G,WiMAX 802.16的移动通信标准的一种或多种RF技术来发送和/或接收射频信号。天线系统11C的泄漏馈入器电缆可近似平行于铁路轨道19来运行。

图2B示出了图2A中的列车的示例性的示意性剖视图。参考图2B，示出了列车10和收发机天线系统11C。收发机天线系统11C可包括安装到固定架18上的多个泄漏馈入器电缆，其中两个示出为点。还示出了泄漏馈入器分开距离d3。图2B中的附图标记可指的是具有与如图1A，图1B和图2A所描述的相同的标记的基本上相似的元件。

可以使得固定架18能够将处于期望位置的收发机天线系统11C的泄漏馈入器电缆安装到铁路轨道19上。例如，如图2B所示，固定架18可以将多个泄漏馈入器电缆安装到地面上方的一定高度和/或相对于车厢C1的一定高度处，基本上平行于铁路轨道19。此外，固定架18可允许单根泄漏馈入器电缆安装成彼此分开期望的距离d3。

如图2B所示，当收发站11正向车厢C1(或列车10的任何其它车厢)发送时，天线系统11C的泄漏馈入器电缆可典型地安装成比车辆车厢顶部101的高度低，即，在车顶水平以下。在该方案中，通常存在从天线系统11C到安装在物理上更靠近天线系统11C的列车一侧的天线组的视线。在图2B所示的实施例中，其是天线组A2。在该方案中，天线A21和A22可以接收从收发机天线系统11C发送的大部分能量。另一方面，在车厢的更远离泄漏馈入器电缆的一侧的天线将接收显著弱的信号。在该实施例中，天线A11和A12将接收比天线A21和A22低的信号功率。由于天线系统11C的泄漏馈入器电缆的辐射通信，在天线A21和A22处接收到的信号可以不相关并且因此允许应用各种MIMO方案。适合的MIMO方案可以例如是如LTE移动通信标准中提出的2x2MIMO方案。本领域技术人员将清楚的是，上述方案作必要修改后适用于来自车厢的天线系统A1，A2向收发机系统天线11C发送的方案，以及泄漏馈入器电缆可定位在铁路轨道19的另一侧的情况。

收发机天线系统11C，具体地是泄漏馈入器电缆，可以安装到铁路轨道19的任一侧，并且从上述的接收特性看，有益的是分别将天线A11和A21以及A12和A22通信耦合。在该情况下，可以形成两个有效的天线，第一个来自耦合的天线A11和A21，第二个来自耦合的天线A12和A22。这两个基于物理天线A11，A12，A21和A22的有效天线可用于从安装在铁路轨道19的任一侧的收发机天线系统11C的泄漏馈入电缆进行接收和/或发送。换言之，该配置能够操作，而不考虑轨道19的定位了泄漏馈入器的一侧。

图3示出了根据本发明的实施例的基于车辆的天线系统的切换和控制方案。参考图3，示出了可集成在如图1A，图1B，图2A和/或图2B所示的信号中继器12内的切换装置20、天线配置模式1和天线配置模式2。切换装置20可包括比较器21和开关22。天线配置模式1可包括天线A11，A12，A21和A22，由此天线A11和A12以及天线A21和A22可分别与形成单个有效天线的每对耦合天线通信地耦合。天线配置模式2可包括天线A11，A12，A21和A22，由此天线A11和A21，以及天线A12和A22可分别与形成单个有效天线的每对耦合的天线通信地耦合。还示出了分别由P1和P2表示的天线组A1和A2的信号功率。图3的附图标记可指代与图1A，图1B，图2A和图2B所描述的具有相同标记的基本上相似的元件。

除了上文已经描述的功能之外，切换装置20或信号中继器12可以包括适合比较多个信号功率和控制多个可能的天线配置模式例如模式1和模式2的逻辑、电路系统和/或代码。比较器21可包括适合比较多个输入信号的信号功率以及操作开关22的逻辑、电路系统和/或代码。开关22可包括适合操作以便在多个配置和/或一个或多个输入与一个或多个输出之间的信号路径之间切换的逻辑、电路系统和/或代码。

沿着铁路轨道19，如图1A和图1B所示的收发站11与收发站天线系统11B的方案以及收发站11与如图2A和图2B所示的收发站天线系统11C的方案这两者可用在铁路轨道19的不同段上。天线系统的选择可取决于地形、成本和/或安装简易性或所要求的吞吐量，以及其它因素。因此，期望改变基于车辆的配置以便能够与收发站天线系统11B和11C能够一起工作。

如图1A和图1B所描述的，在使用收发机天线系统11B的方案中，有益的是分别将天线对A11，A12以及A21和A22通信耦合，而形成两个有效天线。在一些情况下，天线对可以如上所述那样通信地耦合，使得耦合天线之间的相位延迟可近似被补偿而形成单个有效天线。这称为天线配置模式1。类似地，在使用收发机天线系统11C的方案中，有益的是分别将天线对A11，A21和A12，A22通信耦合。这称为天线配置模式2。

当收发机天线系统11B用于铁路轨道19的特定段时，从天线组A1和天线组A2的收发机11接收到的信号功率类似于天线配置模式1。因此，天线配置模式1可保持活跃并且可以是有益的，如图1A和图1B所描述。另一方面，在天线配置模式1中，当收发机天线系统11C用于铁路轨道19的特定段时，从天线组A1和天线组A2的收发机11接收到的信号功率显著地不同。特别地，如图2A和图2B所描述的，在车厢的更靠近天线系统11C的一侧的天线组可以正在接收比另一天线组显著高的信号功率。例如，如图2B所示，天线组A2将接收比天线组A1显著高的信号功率，因为天线组A2物理上更靠近收发机天线系统11C，而天线组A1可能脱离了收发机天线系统11B的信号并且由列车车顶101的存在而部分地电磁屏蔽。因此，在收发机天线11C活跃的方案中，有益的是从天线配置模式1切换到天线配置模式2，如上文参考图2A和图2B所描述的。相应的信号功率的比较可基于哪个开关22被操作而在比较器21中执行。根据本发明的各个实施方案，信号功率的比较以及天线配置模式之间的切换可集成到信号中继器12中，或者在另一设备中执行，例如不集成到信号中继器12中的专用硬件切换装置21。

因此，可以在天线配置模式1中比较天线组A1的信号功率(信号功率P1)以及天线组A2的信号功率(信号功率P2)。如果信号功率P1基本类似于信号功率P2，则天线配置模式1可以是可期望的并且因此无需进行天线配置变化。另一方面，如果信号功率P1实质上不同于信号功率P2，则天线配置模式2可能是期望的并且基于车辆的天线系统可以从天线配置模式1切换到天线配置模式2。在典型的列车系统中，将天线配置模式从模式1变成模式2的示例性的阈值可以是近似6dB的功率差。如本领域技术人员所公知的，阈值是示例性的并且可取决于特定的通信系统中的各种因素。而且，在一些方案中，阈值可适应地变化。在本实施例中，如果信号功率P1与P2的差别小于或等于6dB，则天线配置保持或者变回模式1。另一方面，如果信号功率P1与P2之差超过6dB，则天线配置从模式1变成模式2，或者保持在模式2，取决于在先的状况。

根据本发明的各个实施方案以及如本领域技术人员公知的，还可能的是在上述的切换方案中将来自天线组A1和A的每一个的一个天线的信号功率进行比较，而不是如上所述的组功率。例如，在天线A11处的功率P(A11)以及天线A21的功率P(A21)可用于确定切换条件。类上地，例如对P(A11)，P(A22)，对P(A12)，P(A21)，对P(A12)，P(A22)可用于确定切换条件。进一步可能是例如通过考虑到功率P1和P2中的哪一个较大来进一步细化比较，以便确定安装有泄漏馈入器的轨道的一侧。在该情况下，切换可以适于仅通过定位在车辆的相应侧的天线来建立通信链路。

本领域技术人员将理解的是，上述的比较和切换方案能够应用于与信号功率有关的任何度量或者合理地与相关的天线或天线组处的信号功率有关的振幅、平均振幅等的比较。这包括但不限于这些度量的平均值，相关值和/或峰值/波谷分析。

虽然使用列车10作为实施例进行了描述，上述的系统和方法能够应用于要求在沿着车辆轨迹的两个以上的不同的固定通信系统之间的车载设备的快速切换的任何通信系统中。车辆可以是列车的车厢、列车本身或者诸如有轨公共汽车、汽车等不同类型。

每组A1，A2中的两个天线之间的距离d1可以是通信链路的中心频率的波长的一半的数量级或更大。同样适用于泄漏馈入器11C天线的信号电缆之间的距离d3。

参考文献

·US 5548835A(NEC CORP)12.02.1994

·CN 203279089 U(上海东方明珠广播电视研究发展有限公司)06.11.2013

·US 2014198715A(SWISSCOM AG)17.07.2014