基于无源重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护方法

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于无源重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护方法。

背景技术：

当前，基于通信的列车控制系统(cbtc，communicationbasedtraincontrol)普遍应用到新建城市轨道交通线路中。cbtc系统的车地无线通信采用通常采用1.8ghz频段进行数据传输，1.8ghz频段采用长期演进系统(lte)技术。该系统完成对车辆安全行驶的控制功能。

由于车地通信的重要性，其信息安全的要求也相对较高。可重构表面(irs)具有空间微波调制功能，可以通过控制器调整其反射单元的相移，以使得信号反射到所希望的方向。通过铺设irs增强lte信号并将其限制在列车附近以降低无线信号泄漏，增强城市轨道交通无线通信的信息安全性。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于无源重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护方法，以解决城市轨道交通无线通信系统在实际应用中存在的无线信号泄漏问题。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无源重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护方法，操作步骤如下：

1)建立地面无线通信网络；

2)安装车载无线系统设备；

3)安装可重构表面；

4)调整可重构表面的相移方向。

优选地，在所述步骤3)安装可重构表面时，在漏泄电缆的上方和下方分别安装可重构表面设备，可重构表面各个反射单元的相移根据车载天线的高度，车载天线距离漏泄电缆的水平距离以及各个反射单元的高度确定，可重构表面在漏泄电缆上下方分别设置的单元个数根据期望接收信噪比提升度确定。

优选地，根据城市轨道交通业务需求建立地面无线通信网络，所述的轨道交通地面无线通信网络采用漏泄电缆传输，且所述漏泄电缆安装在轨道交通线路的一侧；在轨道交通列车的车头安装车载无线通信系统设备，其中列车外部设有天线。

优选地，所述的轨道交通列车安装的车载无线通信系统设备包括车载无线终端、天线、馈线。

优选地，所述的列车两侧漏泄电缆上方和下方的墙壁上分别铺设可重构表面设备。

进一步优选地，在列车两侧漏泄电缆上方和下方的墙壁上分别铺设可重构表面，通过上行反射漏泄电缆信号集中到车头天线和下行反射车头天线信号集中到漏泄电缆，进而降低无线信号的泄漏，增强无线通信的信息安全。

进一步优选地，所述可重构表面设备包括反射单元和控制器，且所述反射单元同时安装在漏泄电缆的上方和下方，而不是上方或下方的其中一方，同时在上方和下方分别设有控制器。

优选地，在所述步骤4)调整可重构表面的相移方向时，所述可重构表面各个反射单元的相移根据车载天线的高度，车载天线距离漏泄电缆的水平距离以及各个反射单元的高度确定，且所述可重构表面反射单元的相移由控制器控制；假定每个单元的相移为其中k为反射单元的编号，k＝1,2,…,n,n为反射单元的数量，车载天线的高度h，车载天线距离漏泄电缆的水平距离d以及各个单元的高度hk确定，其公式为

进一步优选地，所述可重构表面在漏泄电缆上下方分别设置的单元个数根据期望接收信噪比提升度确定；假定，从漏泄电缆到车载天线的直射信道为h，从漏泄电缆到可重构表面的信道为h1，从可重构表面到车载天线的信道为h2，反射单元模型化为相移矩阵为g，发送信号为x,接收信号为y，则接收信噪比提升度为在假定所有信道信息已知的情况下，由此公式在假定所有信道信息已知的情况下根据期望接收信噪比提升度确定反射单元个数，且漏泄电缆上下反射单元个数相等。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明通过对城市轨道交通地面无线通信系统采用漏泄电缆覆盖，车载无线通信用定向天线，通过可重构表面反射，将无线信号覆盖局限在轨道交通线路范围内，从而降低无线信号泄漏问题，增强城市轨道交通无线通信的信息安全性；

2.本发明方法易于实现，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明漏泄电缆与车载天线通过可重构表面反射的系统结构图。

图2为本发明具体实施步骤流程图。

图3为本发明车载天线具体构成图。

图4为本发明车载天线在列车上具体位置的示意图。

图5为本发明可重构表面与漏泄电缆相对位置示意图。

图6为本发明漏泄电缆与车载天线通过可重构表面反射时信号路线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的优选实施例，所述实施例结合附图，图中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图结合实施例的说明，仅用于解释发明，而不能解释为对本发明的限制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种基于无源重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护方法，操作步骤如下：

1)建立地面无线通信网络；

2)安装车载无线系统设备；

3)安装可重构表面；

4)调整可重构表面的相移方向。

本实施例通过上述步骤能实现基于无源重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护，能增强城市轨道交通无线通信的信息安全性。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1～图6，在所述步骤3)安装可重构表面时，在漏泄电缆的上方和下方分别安装可重构表面设备，可重构表面各个反射单元的相移根据车载天线的高度，车载天线距离漏泄电缆的水平距离以及各个反射单元的高度确定，可重构表面在漏泄电缆上下方分别设置的单元个数根据期望接收信噪比提升度确定。所述可重构表面设备包括反射单元和控制器，且所述反射单元同时安装在漏泄电缆的上方和下方，而不是上方或下方的其中一方，同时在上方和下方分别设有控制器。

在所述步骤4)调整可重构表面的相移方向时，所述可重构表面各个反射单元的相移根据车载天线的高度，车载天线距离漏泄电缆的水平距离以及各个反射单元的高度确定，且所述可重构表面反射单元的相移由控制器控制；假定每个单元的相移为其中k为反射单元的编号，k＝1,2,…,n,n为反射单元的数量，车载天线的高度h，车载天线距离漏泄电缆的水平距离d以及各个单元的高度hk确定，其公式为

所述可重构表面在漏泄电缆上下方分别设置的单元个数根据期望接收信噪比提升度确定；假定，从漏泄电缆到车载天线的直射信道为h，从漏泄电缆到可重构表面的信道为h1，从可重构表面到车载天线的信道为h2，反射单元模型化为相移矩阵为g，发送信号为x,接收信号为y，则接收信噪比提升度为由此公式在假定所有信道信息已知的情况下根据期望接收信噪比提升度确定反射单元个数，且漏泄电缆上下反射单元个数相等。

本实施例通过对城市轨道交通地面无线通信系统采用漏泄电缆覆盖，车载无线通信用定向天线，通过可重构表面反射，将无线信号覆盖局限在轨道交通线路范围内，从而降低无线信号泄漏问题，增强城市轨道交通无线通信的信息安全性。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，根据城市轨道交通业务需求建立地面无线通信网络，所述的轨道交通地面无线通信网络采用漏泄电缆传输，且所述漏泄电缆安装在轨道交通线路的一侧；在轨道交通列车的车头安装车载无线通信系统设备，其中列车外部设有天线，其中天线位置由图3所示。

所述的轨道交通列车安装的车载无线通信系统设备包括车载无线终端、天线、馈线。所述的列车两侧漏泄电缆上方和下方的墙壁上分别铺设可重构表面设备。在列车两侧漏泄电缆上方和下方的墙壁上分别铺设可重构表面，如图5所示，通过上行反射漏泄电缆信号集中到车头天线和下行反射车头天线信号集中到漏泄电缆，进而降低无线信号的泄漏，增强无线通信的信息安全。

本实施例通过对城市轨道交通地面无线通信系统采用漏泄电缆覆盖，车载无线通信用定向天线，通过可重构表面反射，将无线信号覆盖局限在轨道交通线路范围内，从而降低无线信号泄漏问题，增强城市轨道交通无线通信的信息安全性。

实施例四：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种基于重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护方法，其具体实现流程图如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤s1：建立地面无线通信网络：

地面无线通信网络采用漏泄波导或漏泄电缆的传输方式；当地面无线通信网络采用漏泄电缆方式传输时，漏泄电缆应安装在钢轨的一侧，与之相对应的车载天线安装在列车的头部；当地面无线通信网络釆用漏泄电缆方式传输时，漏泄电缆不能安裝在隧道壁的下方，而应该安装在隧道壁的上方，或者线路侧墙的上方，这样才能接收列车顶部天线发射的无线信号；

步骤s2:安装车载无线系统设备：

车载无线系统设备安装在列车的车头，包括车载无线终端、天线、馈线；车载无线系统设备连接具体示意如图3所示；天线在车辆上的具体位置如图4所示；

步骤s3:安装可重构表面设备：

可重构表面设备，包括可重构表面控制器和多个反射单元；通过可重构表面控制器可调节反射单元的反射方向；将可重构表面安装在漏泄电缆的上方和下方；安装在漏泄电缆的上下两方而不是安装在漏泄电缆上方或下方的其中一方，是为了更大程度地防止信息的泄漏；

本实施例在漏泄电缆上方和下方分别放置4个反射单元，相邻两个反射单元中心相距60毫米，具体示意如图5所示；

步骤s4：调整可重构表面的相移方向：

通过以上设备的安装，确定可重构表面各个单元的相移，进而通过可重构表面的控制器来调整各个单元的相移，进而将无线信号反射到需要的方向。本实施例以单室双箱梁为例，如图6所示，车载天线的高度h为3800毫米，车载天线距离漏缆的水平距离d为3200以及各个单元的高度hk从上到下分别为4210毫米，4150毫米，4090毫米，4030毫米，3970毫米，3910毫米，3850毫米，3790毫米，根据公式可确定各个单元的相移为0.1285，0.1096，0.0907，0.0719，0.0532，0.0344，0.0156，-0.0031。根据公式接收信噪比提升度可得接收信噪比与没有可重构表面相比提高了8.5db。由此可见，大部分信号被反射到天线附近，进而减少了无线信号的泄漏，给城市轨道交通无线通信提供了安全防护。调整结束后，只要其他设备固定不变，在以后的使用中，也无需对反射单元再做调整。

上述实施例基于无源可重构表面的城市轨道交通无线通信信息防护方法，该方法包括在漏泄电缆的上方和下方分别安装可重构表面设备，可重构表面各个反射单元的相移根据车载天线的高度，车载天线距离漏泄电缆的水平距离以及各个反射单元中心的高度确定，可重构表面在漏泄电缆上下方分别设置的单元个数根据期望接收信噪比提升度确定。本发明在城市轨道交通地面无线通信系统用漏泄电缆覆盖，车载无线通信用定向天线，通过可重构表面反射，利用可重构表面的空间微波调制功能，将无线信号覆盖局限在轨道交通线路范围内，从而降低无线信号泄漏问题，给城市轨道交通无线通信提供信息防护。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。