本發(fā)明涉及移動通信系統(tǒng)，特別涉及一種用于高速鐵路的車載基站移動通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們的生活工作無時無刻需要使用到移動電話。因此在高速行進(jìn)的列車上，同樣需要高質(zhì)量的信號覆蓋。但實際上，因為多種因素的干擾，高鐵上的信號覆蓋一直存在問題，比如多普勒頻移、多徑干擾、列車車廂的屏蔽，復(fù)雜的地形以及越區(qū)切換等等。種種因素都會導(dǎo)致列車內(nèi)信號強(qiáng)度不夠或者信號不穩(wěn)定的現(xiàn)象，直接的結(jié)果就是通信質(zhì)量差，降低用戶的使用體驗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的就是提供一種用于高速鐵路的車載基站移動通信系統(tǒng)，可以通過改變車載基站相控陣天線的相位偏移，快速改變天線陣的主瓣波束指向，提高天線增益，保證接收信號的強(qiáng)度。此外車載基站還可以解決車廂信號屏蔽的問題，并使多普勒頻移問題由處理能力較強(qiáng)的基站側(cè)處理。使用這種通信系統(tǒng)，可提高高速列車上的通信質(zhì)量，并且還能降低對車外用戶的電磁干擾，改善用戶體驗。

本發(fā)明所提出的一種用于高速鐵路的車載基站移動通信系統(tǒng)，包括車載基站，車內(nèi)天線和車外相控陣天線，以及車外的地面基站；所述車載基站包括位置存儲模塊，用來存儲車載基站與高速鐵路沿線地面基站的相對位置信息；速度位置獲取模塊，實時獲取車載基站的位置信息；

所述天線系統(tǒng)包括車內(nèi)天線和車外的相控陣天線，車內(nèi)天線和車外的相控陣天線分別通過線纜與車載基站相連；所述車內(nèi)天線分布在每一節(jié)車廂內(nèi)，負(fù)責(zé)車載基站與車內(nèi)用戶之間的通信；所述相控陣天線的每個陣元的初始相位偏移通過粒子群算法預(yù)先仿真得出，其初始的方向圖主瓣朝向相控陣天線的法線方向；相控陣天線負(fù)責(zé)車載基站與地面基站之間的無線通信；

所述車載基站通過車內(nèi)天線與移動用戶無線連接，通過車外的相控陣天線與地面基站進(jìn)行無線連接；

所述車載基站控制調(diào)整相控陣天線的相位偏移，從而控制相控陣天線的主瓣指向；通過速度位置獲取模塊獲取的位置信息，查詢位置存儲模塊，獲取車載基站與地面基站的相對位置信息，通過車載基站與地面基站的相對位置，結(jié)合傅里葉變換法快速實現(xiàn)主瓣朝向的改變。

所述車內(nèi)天線分布在各個車廂內(nèi)部，負(fù)責(zé)車載基站與乘車用戶的無線連接；所述車外相控陣天線負(fù)責(zé)車載基站與地面基站之間的無線通信；所述地面基站為鐵路沿線安裝的無線基站。

所述相控陣天線的初始相位是由粒子群算法仿真得到，其主瓣指向相控陣天線的法線方向，需要改變主瓣指向時，只需要分別調(diào)整每一個陣元的相位即可。

所述車載基站可以根據(jù)列車的行駛速度及實時位置，查詢存儲模塊中地面站的位置，計算出車外相控陣天線與地面站之間的角度，通過計算得到的角度信息，調(diào)節(jié)相控陣天線陣元的相位偏移。

所述車載基站還包括角度計算模塊、信號處理模塊；速度位置獲取模塊、位置存儲模塊分別與角度計算模塊連接，角度計算模塊與信號處理模塊連接；車內(nèi)天線、相控陣天線分別通過A/D或D/A轉(zhuǎn)換模塊與信號處理模塊連接；

車內(nèi)天線通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將射頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號，送到數(shù)字信號處理模塊，速度位置獲取模塊獲取車載基站的當(dāng)前位置，位置存儲模塊存儲列車沿線的地面基站的地理位置，角度計算模塊根據(jù)車載基站的當(dāng)前位置，在位置存儲模塊中查表獲取當(dāng)前距離最近的地面基站的位置信息，再根據(jù)車載基站和最近的地面基站位置信息，計算出兩者之間的角度信息，并將計算得出的角度信息送到信號處理模塊，信號處理模塊通過計算得到的角度信息，調(diào)節(jié)相控陣天線陣元的相位偏移，使相控陣天線的主瓣總是指向地面基站。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明所述車載基站上下行使用不同的天線，所述車外相控陣天線與地面基站實現(xiàn)定向通信，每個陣子的相位可調(diào)，使相控陣天線的主瓣總是指向地面基站，確保所述車載基站接收到的所述地面站的無線信號質(zhì)量強(qiáng)度較好，從而改善列車內(nèi)部的通信質(zhì)量。同時相控陣天線可以增加天線的增益，可大大較少對其他用戶的電磁干擾。此外車內(nèi)天線負(fù)責(zé)車載基站與車內(nèi)用戶的無線連接，上下行分別使用不同的天線，可解決列車車廂信號屏蔽的問題。因此本發(fā)明可極大提高用戶的通話質(zhì)量，改善客戶體驗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意圖。

圖2為本發(fā)明各組成部分示意圖。

圖3為本發(fā)明的原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解并實踐他們。

如圖1所示，用于高速鐵路的車載基站移動通信系統(tǒng)包括列車內(nèi)部安裝的車載基站，車內(nèi)分布的天線，車外的相控陣天線101，以及鐵軌沿線分布的地面基站102。車載基站通過相應(yīng)的線纜與車內(nèi)和車外的天線相連。

車載基站移動通信系統(tǒng)的工作原理為：在上行鏈路，車載基站103利用分布在各個車廂內(nèi)部的天線104接收車內(nèi)用戶105的信號，經(jīng)過處理再通過車外的相控陣天線101發(fā)射出去。相控陣天線101與車外的地面基站102實現(xiàn)定向通信，地面基站102接收到信號之后再根據(jù)需要將其轉(zhuǎn)發(fā)或回傳。在下行鏈路，地面基站102將需要的信息發(fā)送出去，車外相控陣天線101進(jìn)行定向接收，接收到信號之后，車載基站103再通過車內(nèi)的天線104再發(fā)送給車內(nèi)的用戶105。由此可實現(xiàn)車內(nèi)用戶105與地面基站102之間的通信，實現(xiàn)列車內(nèi)部的信號覆蓋?？蓞⒁妶D2所示。

如圖3所示，車內(nèi)天線S01通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊S02，將射頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號，送到數(shù)字信號處理模塊S03。速度位置獲取模塊S11獲取車載基站的當(dāng)前位置，位置存儲模塊S12存儲列車沿線的地面基站的地理位置，角度計算模塊S13根據(jù)車載基站的當(dāng)前位置，在S12中查表獲取當(dāng)前距離最近的地面基站的位置信息，再根據(jù)車載基站和最近的地面基站位置信息，計算出兩者之間的角度信息，并將計算得出的角度送到信號處理模塊S03，用于波束賦形控制。

相控陣天線101的實現(xiàn)方式并不局限于數(shù)字基帶模式，也可以在中頻或者射頻實現(xiàn)相位的調(diào)整。這里以數(shù)字基帶部分實現(xiàn)相位調(diào)整為例進(jìn)行說明。那么需要改變相控陣波束的指向時，只需要在基帶的數(shù)字處理部分乘上一個復(fù)數(shù)因子即可。該復(fù)數(shù)因子與相控陣天線101內(nèi)部天線陣元的具體排布方式及陣列參數(shù)有關(guān)。而陣元的排布方式及陣列參數(shù)又直接決定了陣列的導(dǎo)向矢量，因此該復(fù)數(shù)因子就是根據(jù)導(dǎo)向矢量確定的。這里我們以均勻線性陣為例進(jìn)行說明，陣元數(shù)為N，陣元間距為為d，電磁波波長為λ，陣列導(dǎo)向矢量這里θ為入射波與相控陣天線法線方向夾角。使相控陣線線的初始方向圖主瓣指向線陣的法線方向，即θ為90°。當(dāng)需要進(jìn)行波束轉(zhuǎn)動時，對應(yīng)的復(fù)數(shù)因子即為n＝0,1,…,N‐1。這里θ也可稱為待轉(zhuǎn)動角度。例如，如果地面基站102與相控陣天線101法線方向夾角θ為20°，那么理想的相控陣天線主瓣應(yīng)偏離法線方向20°，因此θ為20°，在計算復(fù)數(shù)因子時應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為弧度制。

以上只是以數(shù)字基帶實現(xiàn)移相為例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不局限于此。如果在中頻或者射頻實現(xiàn)移相，原理是相同的，只需要在中頻或者射頻調(diào)整每個陣元的相位即可。原理是相同的，相位調(diào)整的大小可根據(jù)復(fù)數(shù)因子計算得出，tanα＝imag/real，相位調(diào)整值α的正切值即為復(fù)數(shù)因子的虛部除以實部。

車載基站存儲鐵軌沿線地面基站的位置，同時速度位置獲取模塊S11可以通過衛(wèi)星定位裝置實現(xiàn)，也可以由行駛的高速列車提供給車載基站，具體的實現(xiàn)方式不做限制，但均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。

車載基站根據(jù)存儲的鐵軌沿線地面基站的位置，以及速度位置獲取模塊提供的車載基站實時位置信息，計算車載基站和地面基站之間的相對位置信息。在這里相對位置信息也就是圖1中的角度θ，這里的θ為車載基站與地面基站之間連線與相控陣天線法線的夾角。車載基站實時計算角度θ，那么相控陣天線即可以實時控制主瓣波束的指向，使主瓣總是指向地面基站的方向。

車外相控陣天線中，每個天線陣子的初始相位偏移由粒子群算法預(yù)先仿真得出，其初始的方向圖主瓣指向相控陣天線的法線方向。如上所述，需要波束轉(zhuǎn)動時，只需要給每一個陣子乘上一個復(fù)數(shù)因子即可，這是基于傅里葉變化的原理實現(xiàn)的。并且該復(fù)數(shù)因子與天線陣的結(jié)構(gòu)相關(guān)，不同的天線陣結(jié)構(gòu)應(yīng)采用不同的復(fù)數(shù)因子，這里不做具體說明，但均應(yīng)理解為涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。

本發(fā)明只是提出了一種技術(shù)方案，波束控制部分只是以數(shù)字基帶移相為例進(jìn)行了說明。盡管參照數(shù)字基帶移相為例進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。