一种无线探测与通信融合的区域危险预警系统与方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线探测与通信融合的区域危险预警系统与方法，采用云无线网络架构部署公网或专网授权频段RRU与毫米波频段RRU，合理利用公网或专网授权频段与毫米波频段的特性，进行周围环境探测的同时，利用空闲资源实现高可靠大容量无线通信，并通过通信功能反馈环境探测结果到地面监测中心，达到危险预警等目的。公网或专网授权频段物理层帧用于传输低容量可靠无线通信数据，毫米波频段根据需求在时间上划分出探测帧与无线通信帧，在探测帧时间内毫米波频段RRU进行环境探测信号的收发；在无线通信帧时间内毫米波频段RRU传输大容量非可靠通信数据，并设计了无线通信帧时间内公网或专网授权频段与毫米波频段融合的上下行方向数据传输信令流程。
【专利说明】
一种无线探测与通信融合的区域危险预警系统与方法
技术领域
[0001]本发明涉及无线探测及通信领域，尤其涉及在云无线网络架构基础上实现毫米波频段无线探测与通信融合的系统与方法。
【背景技术】
[0002]在以往的通信系统中，主要使用的是传输特性较优的公网或专网授权频段(低于3.5GHz的频段)，而高于5GHz的高频频段鲜有涉及，因此这些高频频段仍保留有非常宽的连续可用频谱。能够预见在未来相当长的一段时间内，毫米波无线通信系统将能够实现超高速数据传输和低成本的巨大经济效益。
[0003]毫米波频段的另一个重要应用是高精度无线探测。近年来，我国基础设施建设发展迅速，但是公路、铁路、隧道等一些分布在山区集中地区的交通线路，其地质灾害频发。一旦道路旁的山体出现塌方、滑坡、泥石流、雪崩、洪水、异物入侵等现象，则会影响交通线路的运营安全，也会对人类生命安全和财产构成直接危害。因此，迫切需要一套能够在各种天气条件下在高危路段长期监测并能够对过往车辆提供预警的自动监测预警系统。
[0004]通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的关于自然灾害监测预警的方案主要有三种:
[0005](I)通过在灾害多发地段布设无线传输传感器和监测基站[I ]，监测基站获取无线传输传感器的实时数据。传感器类型包括地质位移传感器、土壤水分传感器、雨量传感器、开关量传感器或者倾角传感器等，监测站通过对传感器实时数据的分析判断有无自然灾害发生。
[0006](2)使用激光对预定路段进行水平激光照射，同时采集预定路段的图像[2]。当存在激光反射特征，且确定所述激光发射特征满足特定条件时，判断该路段存在障碍物，然后使用采集的图像辅助判断。
[0007](3)在需要监视的重点区域，通过雷达构建一个立体监控网络[3]。山体滑坡落石和路基坍塌必然导致物体速度、距离、位置发生变化，雷达可以捕捉到这些变化，并通过计算物体形状和距钢轨位置，决定预报等级和类型。
[0008]上述现有技术(I)中，无线传输传感器监测设备和监测基站需要沿铁路沿线大密度铺设，维护成本较高，且如果部分传感器出现异常，则导致整体监测系统的故障，且其灾害预警性能还取决于信息传输通道的可靠性。同时，该方案只局限于对滑坡的监测，对于落石、异物侵限等失去监测功能。
[0009]上述现有技术(2)中，激光探测仅在一个平面探测，不能探测出物体的立体信息。在夜间探测时需要额外使用可见光对预定路段照明，即使如此，在降雨、降雪、起雾等恶劣天气情况下或者在道路周围存在干扰光源的情况下，将严重影响图像信息的采集质量，因而当激光探测出异常状态时，不能准确判断是何种灾害引起，导致大量虚警出现。
[0010]上述现有技术(3)中，为了将雷达探测结果回传给监控中心，需要专门搭建一套监控网络，重复利用率低。由于出现灾害的概率较低，且每个雷达独立工作，会造成雷达信号处理性能的冗余和成本的浪费。当地面监控中心收到预警信号后，由于车辆行车途中可能没有无线信号，不能直接与监控中心通信，只能通过“自然灾害及地质灾害监控装置”转发，增加了系统复杂性。此外，其使用的频段是公网或专网授权频段，带宽低，检测精度受限。
[0011]参考文献
[0012][I]张卫，徐均，李奇，贾婧，刘红义，岳铁铸，基于物联网的滑坡地质灾害预警系统的设计，单片机与嵌入式系统应，2013:13(2):66-69.
[0013][2]保定市天河电子技术有限公司，障碍物的监测方法及其系统:中国，200710165162.0[P],2012.09.05.
[0014][3]成都智胜通科技有限责任公司，铁路地质灾害预报与监视系统:中国，201020584449.4[P],2011.05.04
【发明内容】
[0015]鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种基于云无线网络架构部署的无线探测与通信融合的区域危险预警系统与方法，并使之克服现有技术的以上缺点。
[0016]为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是:
[0017]—种无线探测与通信融合的区域危险预警系统，基于云无线网络架构在毫米波频段实现环境探测功能与无线通信功能的融合，系统由BBU池、交换结构、公网或专网授权频段RRU与毫米波频段RRU组成;所有RRU通过高速回传连接到交换结构，交换结构再通过高速回传连接到BBU池；公网或专网授权频段RRU按应用场景需求采用全向或定向天线，进行大范围覆盖;毫米波频段RRU布置天线阵，采用波束赋形技术进行定向波束覆盖;在一个公网或专网授权频段RRU的覆盖范围内布置多个毫米波频段RRU。
[0018]本发明的目的还在于，为上述系统提供一个可靠的工作方法，其手段为:
[0019]—种无线探测与通信融合的区域危险预警方法，公网或专网授权频段RRU负责低容量可靠通信数据的传输，毫米波频段RRU分时进行环境探测和大容量非可靠通信数据传输，包括如下的具体手段:
[0020](I)系统中采用两种工作频段，分别为公网或专网授权频段与毫米波频段；相应地，部署两类RRU，分别为公网或专网授权频段RRU与毫米波频段RRU;
[0021](2)公网或专网授权频段物理层帧全部用于无线通信帧；毫米波频段物理层帧按时间划分为探测帧与无线通信帧；
[0022](3)对于探测功能，在探测帧时间内，毫米波频段RRU发送探测信号，并接收回波信号，然后将回波信号高速回传到BBU池做处理，得到环境探测结果；
[0023](4)对于通信功能，移动终端同时从属于两个RRU，其中低容量可靠通信数据由公网或专网授权频段RRU负责收发;大容量非可靠通信数据由毫米波频段RRU在无线通信帧时间内进行收发，同时，环境探测结果按应用场景需要由公网或专网授权频段RRU或毫米波频段RRU在无线通信帧时间内传输给移动终端。
[0024]在进行毫米波频段物理层帧分配时，探测帧与无线通信帧的分配比例可按实际场景需求进行调整。如图2、图3所示，以铁路场景为例，BBU池根据列车当前位置信息及毫米波频段RRU高速回传信令(如初始接入及切换信令)等判断毫米波频段RRU覆盖范围内是否有列车通过。当有列车通过时，毫米波频段全部用于通信，扩展无线通信容量。当无列车通过时，若采用TDD无线通信系统，毫米波频段全部用于环境探测；若采用roD无线通信系统，毫米波上行频段承载探测帧用于环境探测，下行频段仍可以用于下行无线通信。
[0025]在无线通信帧时间内，移动终端同时从属于两个RRU，分别为公网或专网授权频段RRU与毫米波频段RRU。在下行通信方向，毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU均发送下行参考信号，移动终端进行信道测量，并将两个频段的信道测量结果发送给公网或专网授权频段RRU，然后公网或专网授权频段RRU将这些信道信息高速回传给BBU池，BBU池根据信道信息进行两个频段的资源分配，并将分配结果高速回传给毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU，最后毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU按照资源分配结果进行下行数据的传输。
[0026]在无线通信帧上行通信方向，移动终端在毫米波频段与公网或专网授权频段均发送上行参考信号，毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU进行信道测量，并将信道测量结果回传给BBU池，BBU池根据信道信息进行两个频段的上行资源分配，并将分配结果高速回传给公网或专网授权频段RRU，然后公网或专网授权频段RRU将资源分配结果发送给移动终端，最后移动终端按照资源分配结果进行上行数据的传输。
[0027]在无线通信帧时间内，按应用场景需要由公网或专网授权频段RRU或毫米波频段RRU将毫米波频段RRU探测帧时间内的环境探测结果发送给地面监测中心，实现危险预警等功能。
[0028]采用本发明，实现了基于毫米波频段的高精度、全天候、大范围、快速的环境探测。并利用非探测时毫米波频段的空闲资源扩展了无线通信系统的带宽，提升了传输容量，同时，公网或专网授权频段保障了无线通信的传输可靠性。在上述融合系统中，环境探测结果按应用场景需要由公网或专网授权频段RRU或毫米波频段RRU在无线通信帧时间内传输给地面监测中心，实现高精度危险预警等功能。
【附图说明】
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[0029]图1为基于本发明的实施例，以铁路场景为例(但不限于该场景)的无线探测与通信融合的系统部署图。
[0030]图2为图1所示场景下BBU池对毫米波频段探测帧与通信帧分配控制流程。
[0031]图3为图1所示场景下的物理层帧结构；其中:(a)为TDD无线通信系统下的帧结构图；(b)为FDD无线通信系统下的帧结构图。
[0032]图4为图1所示场景下无线通信帧时间内下行方向数据传输信令流程。
[0033]图5为图1所示场景下无线通信帧时间内上行方向数据传输信令流程。
【具体实施方式】
[0034]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图以铁路场景为例作为一种典型实施例(但不限于该场景)，对本发明作进一步的描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035]如图1所示，为基于本发明以铁路场景为例的无线探测与通信融合的区域危险预警系统部署，其组成包括BBU池、交换结构、公网或专网授权频段RRU与毫米波频段RRU，RRU通过高速回传与交换结构连接，然后交换结构通过高速回传连接到BBU池。公网或专网授权频段RRU进行大范围覆盖，毫米波频段RRU布置天线阵，通过波束赋形技术实现定向波束覆盖。具体过程如下:
[0036](I)整个系统工作在两个频段，分别为公网或专网授权频段与毫米波频段，其中公网或专网授权频段可选取800MHz-2GHz，具体参数可参照现有无线通信网络。毫米波频段按应用场景需求进行选取，如考虑到大气损耗及探测精度选择19GHz频段，带宽IGHz为例，发射功率为I瓦时，在不同的信号处理技术下，可达探测距离参考值为180m?2km;可达通信距离参考值为I km。
[0037](2)如图2所示，BBU池根据列车当前位置信息及毫米波频段RRU高速回传信令(如初始接入及切换信令)判断在当前毫米波频段RRU覆盖范围内是否有列车通过。若无列车通过，毫米波频段用于探测帧，毫米波频段RRU发射探测信号并接收回波信号，然后将回波信号高速回传到BBU池进行处理，实现对铁轨周围环境的探测。若有列车运行时，毫米波频段用于通信帧，且毫米波频段RRU负责大容量非可靠通信数据的收发，公网或专网授权频段RRU负责低容量可靠通信数据的收发。
[0038](3)在铁路应用场景下，BBU池将环境探测结果高速回传到地面监测中心，地面监测中心通过预警策略判断该路段运行环境是否存在危险。若存在危险，地面监测中心生成危险预警信息并高速回传到BBU池。根据当前所有列车的运行路线，若某些列车的运行路线包含该危险路段，BBU池将地面监测中心所转发的危险预警信息高速回传到这些列车当前运行路段所属的公网或专网授权频段RRU，然后由公网或专网授权频段RRU将该危险预警信息无线传输给这些列车，实现危险预警等。
[0039](4)对于不同的无线通信系统，毫米波频段的通信帧与探测帧在资源划分上存在差别。如图3所示，在TDD与H)D无线通信系统中，公网或专网授权频段均用于无线通信帧。以TDD无线通信系统的下行与上行无线通信帧分配比为3:2的情况(但不限于该情况)为例，当毫米波频段RRU的覆盖范围内有列车行驶时，毫米波频段用于无线通信帧；当无列车行驶时，毫米波频段用于探测帧。在FDD无线通信系统中，当毫米波频段RRU的覆盖范围内有列车行驶时，毫米波上行频段用于探测帧，下行频段仍用于下行无线通信帧；当无列车行驶时，毫米波频段全部用于无线通信帧。
[0040](5)如图4所示，在无线通信帧下行通信方向，毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU均发送下行参考信号，列车进行信道测量，并将两个频段的信道测量结果发送给公网或专网授权频段RRU，然后公网或专网授权频段RRU将这些信道信息高速回传给BBU池，BBU池根据信道信息进行两个频段的资源分配，并将分配结果高速回传给毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU，最后毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU按照资源分配结果进行下行数据的传输。
[0041](6)如图5所示，在无线通信帧上行通信方向，列车在毫米波频段与公网或专网授权频段均发送上行参考信号，毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU进行信道测量，并将信道测量结果回传给BBU池，BBU池根据信道信息进行两个频段的上行资源分配，并将分配结果高速回传给公网或专网授权频段RRU，然后公网或专网授权频段RRU将资源分配结果发送给列车，最后列车按照资源分配结果进行上行数据的传输。
[0042]采用本发明的基本方案，在实际实施时，可以衍生出多种不同的等同产品，但凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种无线探测与通信融合的区域危险预警系统，基于云无线网络架构在毫米波频段实现环境探测功能与无线通信功能的融合，系统由BBU池、交换结构、公网或专网授权频段RRU与毫米波频段RRU组成;所有RRU通过高速回传连接到交换结构，交换结构再通过高速回传连接到BBU池；公网或专网授权频段RRU按应用场景需求采用全向或定向天线，进行大范围覆盖;毫米波频段RRU布置天线阵，采用波束赋形技术进行定向波束覆盖;在一个公网或专网授权频段RRU的覆盖范围内布置多个毫米波频段RRU。2.采用权利要求1所述系统的无线探测与通信融合区域危险预警方法，公网或专网授权频段RRU负责低容量可靠通信数据的传输，毫米波频段RRU分时进行环境探测和大容量非可靠通信数据传输，包括如下的具体手段: (1)系统中采用两种工作频段，分别为公网或专网授权频段与毫米波频段;相应地，部署两类RRU，分别为公网或专网授权频段RRU与毫米波频段RRU; (2)公网或专网授权频段物理层帧全部用于无线通信帧；毫米波频段物理层帧按时间划分为探测帧与无线通信帧； (3)对于探测功能，在探测帧时间内，毫米波频段RRU发送探测信号，并接收回波信号，然后将回波信号高速回传到BBU池作处理，得到环境探测结果； (4)对于通信功能，移动终端同时从属于两个RRU，其中低容量可靠通信数据由公网或专网授权频段RRU负责收发;大容量非可靠通信数据由毫米波频段RRU在无线通信帧时间内进行收发；同时，环境探测结果按应用场景需要由公网或专网授权频段RRU或毫米波频段RRU在无线通信帧时间内传输给移动终端。3.根据权利要求1所述的无线探测与通信融合的区域危险预警系统与方法，其特征在于:所述的步骤(2)中BBU池根据应用场景的不同按需调整毫米波频段帧结构的探测帧与无线通信帧的时间分配比。4.根据权利要求1所述的无线探测与通信融合的区域危险预警系统与方法，其特征在于:采用H)D无线通信系统时，探测帧占用毫米波频段的上行频段，下行频段仍进行正常通信;采用TDD无线通信系统时，探测帧占用全部毫米波频段，仅公网或专网授权频段用于无线通信。5.根据权利要求1所述的无线探测与通信融合的区域危险预警系统与方法，其特征在于: 在无线通信帧下行通信方向，毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU均发送下行参考信号，移动终端进行信道测量，并将两个频段的信道测量结果发送给公网或专网授权频段RRU，然后公网或专网授权频段RRU将这些信道信息高速回传给BBU池，BBU池根据信道信息进行两个频段的资源分配，并将分配结果高速回传给毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU，最后毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU按照资源分配结果进行下行数据的传输； 在无线通信帧上行通信方向，移动终端在毫米波频段与公网或专网授权频段均发送上行参考信号，毫米波频段RRU与公网或专网授权频段RRU进行信道测量，并将信道测量结果回传给BBU池，BBU池根据信道信息进行两个频段的上行资源分配，并将分配结果高速回传给公网或专网授权频段RRU，然后公网或专网授权频段RRU将资源分配结果发送给移动终端，最后移动终端按照资源分配结果进行上行数据的传输。
【文档编号】H04W16/18GK106028352SQ201610312987
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】闫莉, 方旭明, 李恒超, 李超
【申请人】西南交通大学, 中国铁路总公司