技术领域
[0001] 本
发明涉及高
铁通信服务领域，更具体地，涉及一种高速列车三模块自动切换信号发射中心。
背景技术
[0002] WIFI技术是手机、平板设备、
笔记本电脑等便携
电子产品实现无线网络接入的主要手段。在各种室内环境中实现WIFI信号
覆盖的技术目前已经相当成熟，当前WIFI技术的发展方向是在交通工具当中提供稳定可靠和具有较高数据传输速度的无线网络接入。
[0003] 我国在高铁建设和研发方面已经逐渐走向世界前列，目前高铁已经成为了城际旅客运输的主要
力量。通过在高铁列车车厢内覆盖WIFI，能够为乘客在长途旅行当中的网络
访问带来极大的便利，满足移动互联网时代广大用户的基本信息需求，从而进一步提升高铁服务的品质和体验。
[0004] 在高铁车厢实现WIFI接入的主要技术手段是安装车载多模式信号收发设备，该设备对外接入无线信号覆盖的移动蜂窝网络，通过移动接入实现与广域互联网的数据连接。车载多模式信号收发设备对内则在各个车厢提供WIFI的接入热点(AP)，并且执行WIFI信号与蜂窝网络信号的转换。用户的终端设备通过车厢的WIFI接入热点(AP)连接到该车载多模式信号收发设备，并且执行双向的数据收发，车载多模式信号收发设备通过所述移动蜂窝网络实现了用户终端的互联网接入。
[0005] 目前，在WIFI无线网络接入的环境下，用户终端一般需要网页浏览、
即时通信、电子邮件、语音
聊天、在线音视频观看等服务，对网络访问的带宽要求比较高。所述车载多模式信号收发设备至少需要达到1000兆级以上的数据传输速率，才能够可靠和有效地保证车厢内网络访问的顺畅和稳定，取得较好的用户体验。数据传输速率和网络稳定
质量是由两方面的因素共同决定的，一方面是车载多模式信号收发设备与沿线基站之间的无线数据收发，另一方面则是列车内部的WIFI接入热点(AP)的信号覆盖、终端承载和数据传输能力。
[0006] 关于车载多模式信号收发设备与沿线基站之间的无线数据收发，该车载多模式信号收发设备所接入的移动蜂窝网络是通过高铁列车专用的地面基站系统来提供无线信号覆盖的。专用地面基站系统面对高铁轨道沿线特殊的空间环境以及列车持续高速运行所带来的特别需要会采用专
门的应对方式。例如，可以采用射频拉远技术，地面基站BS利用光纤来控制大量的沿着轨道分布设置的RAU(remote antenna unit)，从而实现了带状区域上的接力信号覆盖，并且建立了符合MIMO信道特性的通信链路，在不同的RAU与列车之间形成了信号的多径传输通路，从而有助于信道容量的提升。另外还可以在车载多模式信号收发设备与基站之间的通信当中采用MIMO-OFDM空时编码，一方面利用OFDM克服了多径传输中的
频率选择性衰落问题，另一方面通过MIMO提高了OFDM编码的容量和
频谱利用率。
[0007] 然而，关于列车内部的WIFI接入热点(AP)的信号发射性能方面，基于IEEE802.11标准的WLAN技术最初是为室内环境的无线局域网应用所设计的，接入热点(AP)具有以下固有的局限性：较小的覆盖范围、同频干扰、较少的可承载接入用户数。最近几年，由于智能手机的广泛应用，使得WLAN技术迅速进入各行各业。但是传统WLAN技术在AP侧存在的范围和覆盖面不足、连接不稳定、不保证数据吞吐量的弱点也日趋暴露出来。随着无线网络带宽的不到扩展，在WLAN技术中如何提高AP的终端接入
密度和覆盖范围，使之与网络带宽同步增长，成为需要解决的问题。
[0008] 更具体来说，在传统的WLAN技术当中，接入热点(AP)采用简单的天线，其发射
能量向各个方向散射，每个用户可接收到的能量很少，大多数能量都被浪费掉了，这就造成
信号传输距离有限，覆盖范围变小，并对其它设备造成干扰，对非用户的人体造成持续性
辐射危害。
[0009] WLAN无线网络是开放的，任何空中干扰都可能造成网络的不稳定和不安全，尤其在高密度部署中用户数量众多，无线信号复杂；同时WLAN网络使用的2.4GHz频段在我国是公共频段，其它非WLAN网络的设备如
微波炉、无绳电话、蓝牙等也在使用这个频率，均会对WLAN网络产生频率干扰。
[0010] 高铁列车乘客数量多，高铁WIFI接入系统需要承载的用户终端数量远远超过一般室内环境应用的WIFI设备。高铁列车内部结构复杂，座椅和行李架等设施都对无线信号的传输造成一定的影响，而且车厢内还安装由各种实现行驶控制和旅客服务的通信和电器设施，干扰源比较多，也有必要降低WIFI信号对其它设备的干扰。而且，列车呈现狭长的空间形态，在车厢的宽度方向上距离有限，但在车厢的长度方向具有比较大的延伸距离。综合以上因素，传统的接入热点(AP)所采用的散射式信号发射无法满足高铁列车内部的终端WIFI接入要求，会导致车厢信号覆盖区域性差异大、信号质量差、网络连接断续、数据传输速率不稳定，给用户的使用体验造成很大的不良影响。
发明内容
[0011] 基于
现有技术中的上述
缺陷，本发明提供了一种高速列车三模块自动切换信号发射中心。本发明的WIFI接入热点(AP)通过三模块切换机制实现对用户接入终端的动态
跟踪并在此
基础之上进行自动化的信号靶向控制，实现无线信号定向发射，在相同的发射功率下采用本发明的方式能够使无线信号传输更远的距离，增强抗干扰能力，并且减少对人体的
电磁辐射以及对其它设备的干扰，能够适应车厢特殊的空间分布以及高密度的用户环境。
[0012] 本发明所述的高速列车三模块自动切换信号发射中心，其特征在于，包括若干组靶向天线、信号检测模块、
位置判断模块以及天线切换模块；其中，每组靶向天线在主瓣方向上发射的无线信号相对于旁瓣具有高增益，实现对特
定子空间区域的信号覆盖；信号检测模块、主控判定模块以及天线切换模块组成三模块自动切换体系，根据终端在各个子空间区域当中的分布切换当前用于无线信号发射的靶向天线；更具体地，信号检测模块通过各组靶向天线反向接收无线信号，判定接收信号是否属于由接入终端发射的位置引导信号，进而检测位置引导信号的强度，确定接收位置引导信号强度高于设定
阈值的靶向天线，将其相应的靶向天线序号以及接收位置引导信号强度发送至主控判定模块，并且控制所述接收位置引导信号强度高于设定阈值的靶向天线将接收的位置引导信号传送至主控判定模块；所述主控判定模块根据靶向天线接收的位置引导信号进行强度和延迟检测，选择主瓣方向能够使该终端位置接收信号最强且延迟最小的靶向天线，并且将所选择的靶向天线序号传送至天线切换模块；所述天线切换模块根据所述主控判定模块提供的靶向天线序号选择用于向接入终端发射无线信号的靶向天线，并且将该组被选择的靶向天线连接至信号发射机。
[0013] 优选的是，所述靶向天线沿着圆周在特定圆周
角区间上相对集中的成簇分布。
[0014] 更优选的是，全部的靶向天线可以划分为第一天线簇和第二天线簇，所述第一天线簇和第二天线簇均在具有45度圆周角的区间上均匀分布。
[0015] 优选的是，信号检测模块对于任一组靶向天线所接收到的无线信号，首先判定接收信号s(t)的强度是否大于第一判定阈值T1，如果经判定接收信号s(t)的强度小于第一判定阈值T1，则该接收信号作为无效信号；信号检测模块在接收信号s(t)的强度不小于第一判定阈值T1的情况下将该信号记为有效信号。
[0016] 更优选的是，信号检测模块针对有效信号，通过解调判定从有效信号是否可以获得与位置引导信号相符合的特定数据序列，从而确认接收信号是否属于由接入终端发射的位置引导信号；如果经解调发现有效信号并非位置引导信号，则信号检测模块将该有效信号作为干扰源而记入
干扰信号状态表；如果经解调判定有效信号属于位置引导信号，则信号检测模块将该有效信号计为位置引导信号。
[0017] 更优选的是，信号检测模块在确认靶向天线的接收信号属于位置引导信号的情况下，计算接收信号当中有用信号和无用信号两种成分之间的比值ρ，所述比值ρ表示位置引导信号的强度；信号检测模块通过判定所述比值ρ是否大于第二判定阈值T2，从而检测该靶向天线所接收的位置引导信号的强度；如果判定所述比值ρ不小于第二判定阈值T2，则信号检测模块将当前的靶向天线记为可用靶向天线，将其相应的靶向天线序号以及接收位置引导信号强度的绝对数值发送至主控判定模块，并且控制所述可用靶向天线将接收的位置引导信号传送至主控判定模块。
[0018] 更优选的是，所述主控判定模块预设选择阈值T3；当可用靶向天线上的位置引导信号强度的绝对数值大于该选择阈值T3时，将该可用靶向天线列为备选发射天线，所述主控判定模块从备选发射天线中确定实际发射天线。
[0019] 更优选的是，如果多组可用靶向天线被列为备选发射天线，主控判定模块可以通过比较各组可用靶向天线的信号传输延迟时间参数来从中选择一组靶向天线作为所述实际发射天线。
[0020] 更优选的是，如果多组可用靶向天线被列为备选发射天线，主控判定模块可以通过参考信号检测模块提供的干扰信号状态表，选择不存在对应干扰源的备选发射天线作为所述实际发射天线。
[0021] 更优选的是，在针对某个接入终端已经分配了靶向天线的情况下，主控判定模块比较可用靶向天线上的位置引导信号的绝对数值与当前靶向天线接收的位置引导信号绝对数值二者之差是否大于切换阈值T4，当大于该切换阈值T4时才决定切换实际发射天线。
[0022] 可见，本发明提供了一种实现高速列车WIFI接入的信号发射中心，该设备利用分簇的靶向天线实现了适应车厢空间分布特点的发射信号覆盖；并且基于三模块切换机制对实现对用户接入终端的动态跟踪并在此基础之上进行自动化的信号靶向控制，通过适当的发射靶向天线选择实现无线信号定向发射。通过定向和优化的发射机制，相比于传统的信号覆盖方式，在相同的发射功率下采用本发明的方式能够使无线信号传输更远的距离，增强抗干扰能力，因而从总体上可以降低整个信号发射中心的整体功率，能够减少对人体的电磁辐射以及对其它设备的干扰，能够适应车厢特殊的空间分布以及高密度的用户环境。
附图说明
[0023] 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：
[0024] 图1是本发明的高速列车三模块自动切换信号发射中心结构示意图；
[0025] 图2是本发明的若干组靶向天线分布示意图；
[0026] 图3是本发明的单组靶向天线的发射信号强度空间分布示意图；
[0027] 图4是本发明的成簇分布方式下其中一个天线簇的发射信号方向图。
具体实施方式
[0028] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并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
实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。
[0029] 本发明将信号发射中心所需要覆盖的高速列车车厢空间区域划分为若干个子空间区域，跟踪进行WIFI接入的终端位置，确定终端在各个子空间区域当中的分布，进而通过对靶向天线的自动切换，调节信号发射主瓣的定向，使得终端所在子空间区域处于信号强度最大并且延迟最短的覆盖区域之内。
[0030] 图1示出了本发明的高速列车三模块自动切换信号发射中心结构示意图，包括若干组靶向天线1、信号检测模块2、主控判定模块3以及天线切换模块4；其中，每组靶向天线1在主瓣方向上发射高增益的无线信号，实现对特定子空间区域的信号覆盖；信号检测模块2、主控判定模块3以及天线切换模块4组成三模块自动切换体系，根据终端在各个子空间区域当中的分布切换当前用于无线信号发射的靶向天线1；信号检测模块2通过各组靶向天线1反向接收无线信号，判定接收信号是否属于由接入终端发射的位置引导信号，进而检测位置引导信号的强度，确定接收位置引导信号强度高于设定阈值的靶向天线，将其相应的靶向天线序号以及接收位置引导信号强度发送至主控判定模块3，并且控制所述接收位置引导信号强度高于设定阈值的靶向天线1将接收的位置引导信号传送至主控判定模块3；所述主控判定模块3根据靶向天线1接收的位置引导信号进行强度和延迟检测，确定接入终端位置，并且根据终端位置选择主瓣方向能够使该终端位置接收信号最强且延迟最小的靶向天线1，并且将所选择的靶向天线序号传送至天线切换模块4；所述天线切换模块4根据所述主控判定模块3提供的靶向天线序号选择用于向接入终端发射无线信号的靶向天线，并且将该组被选择的靶向天线连接至信号发射机。
[0031] 图2示出了若干组靶向天线1的分布示意图。如图2所示，靶向天线1在半径为R的圆周上分布；靶向天线1包括至少六组，即图2中的靶向天线1-1至1-6；靶向天线1-1至1-6并非在圆周上均匀分布，而是沿着圆周在特定圆周角区间上相对集中的成簇分布；全部的靶向天线可以划分为第一天线簇和第二天线簇，第一天线簇包括图2中靶向天线1-1、
1-2和1-3，第二天线簇包括图2中的靶向天线1-4、1-5和1-6，如果将靶向天线1-1在圆周上所在位置处的圆周角定义为0度，则第一天线簇分布于0-45度圆周角区间上，并且靶向天线1-1、1-2和1-3在该圆周角区间上均匀分布；第二天线簇分布于180-225度圆周角区间上，并且靶向天线1-4、1-5和1-6同样在该圆周角区间上均匀分布。第一天线簇当中各靶向天线的主瓣方向覆盖在第一方向区间内的子空间区域，第二天线簇当中各靶向天线的主瓣方向覆盖在第二方向区间内的子空间区域。图2中的虚线矩形表示高速列车车厢的空间范围，可见，靶向天线采用相对集中的成簇分布方式能够将无线信号发射的主要方向限定在车厢的长度方向上，这样在保持发射总功率不超过限度的前提下可以改善车厢内的信号覆盖质量，并且抑制了其它方向上的信号发射，从而降低了辐射
水平，能够避免信号发射对车内其它设备产生干扰以及对人体带来损害。
[0032] 靶向天线1通过高增益的主瓣实现对预定信号发射方向的覆盖，主瓣宽度较窄，并且靶向天线发射信号具有较低的旁瓣信号电平，通过空间分集和极化分集可抑制信号干扰。通过图3示出了单组靶向天线的发射信号强度空间分布示意图，可见主瓣区域M和旁瓣区域S。单组靶向天线可以采用贴片式天线，贴片式天线是在具有接地导体板的介质上贴附导体贴片形成的天线结构，利用接地导体板和导体贴片之间的空间形成漏波腔体，腔体四周形成磁壁，发射信号场从漏波腔体四周的磁流辐射出来。图4示出了成簇分布方式下其中一个天线簇的发射信号方向图，可见成簇的靶向天线中由各组靶向天线1-1至1-3分别独立地产生和发射各自的主瓣信号，主瓣交界处不存在盲区，能够扩大覆盖范围，提高空间覆盖率，降低覆盖区域内的场强变化幅度，具有良好的均一性。
[0033] 本发明通过由信号检测模块2、主控判定模块3以及天线切换模块4三模块协同实现对靶向天线的切换机制，从而对接入终端的分布空间区域进行动态跟踪，并在此基础之上自动实现面向接入终端发射信号的靶向天线切换，从而在维持相对较低的发射总功率的情况下，保证了接入终端位置处无线信号强度的最优化。同时，三模块协同过程中还能够发现发射信号覆盖区域中的干扰信号源分布并进行自动调整，形成自适应的反馈控制机制。
[0034] 为了实现WIFI接入，接入终端向外发射位置引导信号，位置引导信号具有特定数据序列，从而便于将该位置引导信号与其它数据信号以及干扰信号予以区分。各组靶向天线1可以反向地接收无线信号，并且将反向接收的无线信号传送给信号检测模块2。同一接入终端发射的无线信号可以被一组或者多组靶向天线1所接收。而且，靶向天线1在反向信号接收方面也会呈现出靶向性，例如，在图4当中，处于靶向天线1-1的主瓣覆盖的子空间区域内的接入终端对外发射无线信号，则靶向天线1-1接收到的该无线信号的强度应明显高于其它靶向天线1-2以及1-3所接收到的信号强度。某一组靶向天线所接收的无线信号的强度可以如下表示：
[0035]
[0036] 其中L(t)表示来自主瓣覆盖的子空间区域的发射信号强度随时间的慢变化随机变量，R(t)表示来自主瓣覆盖的子空间区域的发射信号强度随时间的快变化随机变量，w表示发射载频，在WIFI接入技术中各个终端均采用相同的载频，φ(t)表示正态分布的随机变量； 表示来自非该靶向天线的主瓣覆盖的子空间区域的各发射信jwt+jφ(t)
号的强度和，共计存在n个，n的数量是不固定的；N表示随机噪声。将L(t)R(t)e 作为接收无线信号中的有用信号，而将 作为接收无线信号当中的无用
信号。
[0037] 信号检测模块2通过各组靶向天线1反向接收无线信号。对于其中任一组靶向天线所接收到的无线信号，信号检测模块2首先判定接收信号s(t)的强度是否大于第一判定阈值T1，如果经判定接收信号s(t)的强度小于第一判定阈值T1，则该接收信号作为无效信号；在接收信号s(t)的强度不小于第一判定阈值T1的情况下，信号检测模块2将该信号记为有效信号。
[0038] 进而，信号检测模块2通过解调判定从有效信号是否可以获得与位置引导信号相符合的特定数据序列，从而确认接收信号是否属于由接入终端发射的位置引导信号；如果经解调发现强度不小于所述第一判定阈值T1的有效信号并非位置引导信号，则信号检测模块2将该有效信号作为干扰源而记入干扰信号状态表；如果经解调判定有效信号属于位置引导信号，则信号检测模块2将该有效信号计为位置引导信号；这样信号检测模块2能够通过各组靶向天线的反向接收信号获得各组靶向天线分别对应的干扰信号状态和位置引导信号状态。
[0039] 如果确认靶向天线的接收信号属于位置引导信号，信号检测模块2计算接收信号当中有用信号和无用信号两种成分之间的比值，即：
[0040]
[0041] 由于接收信号中的有用信号成分均属于位置引导信号，因而比值ρ能够表示位置引导信号的强度。信号检测模块2通过判定所述比值ρ是否大于第二判定阈值T2，从而检测该靶向天线所接收的位置引导信号的强度；如果判定所述比值ρ不小于第二判定阈值T2，则信号检测模块2将当前的靶向天线记为可用靶向天线。这样，信号检测模块2可以针对全部靶向天线确定其中通过比值ρ表示的接收位置引导信号强度高于设定阈值T2的靶向天线，作为可用靶向天线，将其相应的靶向天线序号以及接收位置引导信号强度的绝对数值也即L(t)R(t)ejwt+jφ(t)发送至主控判定模块3，并且控制所述可用靶向天线1将接收的位置引导信号传送至主控判定模块3。
[0042] 针对同一个接入终端，所述主控判定模块3根据各个可用靶向天线1所接收该终端位置引导信号的绝对数值也即L(t)R(t)ejwt+jφ(t)进行强度和延迟检测，确定接入终端位置，并且根据终端位置选择主瓣方向能够使该终端位置接收信号最强且延迟最小的靶向天线1。所述主控判定模块3预设选择阈值T3以及切换阈值T4。选择阈值T3代表了信号传输的强度特性，当某可用靶向天线上的L(t)R(t)ejwt+jφ(t)的绝对值大于该阈值时，说明相应传输路径的信号衰落较小，因而该组靶向天线在进行信号发射时可以将该可用靶向天线列为备选发射天线；如果存在多组可用靶向天线列为备选发射天线的情况，主控判定模块3可以通过比较各组可用靶向天线的信号传输延迟时间参数来从中选择一组靶向天线。另外，主控判定模块3也可以参考信号检测模块2提供的干扰信号状态表，优先选择不存在对应干扰源的备选发射天线作为实际发射天线。在针对某个接入终端已经分配了靶向天线的情况下，主控判定模块3需要比较可用靶向天线上的位置引导信号的绝对数值也即L(t)R(t)jwt+jφ(t)e 与当前靶向天线接收的位置引导信号绝对数值二者之差是否大于切换阈值T4，当大于该切换阈值T4时才决定切换实际发射天线。
[0043] 主控判定模块3将所选择的作为实际发射天线的靶向天线序号传送至天线切换模块4；所述天线切换模块4根据所述主控判定模块3提供的靶向天线序号选择用于向接入终端发射无线信号的靶向天线，并且将该组被选择的靶向天线连接至信号发射机，从而实现信号发射。
[0044] 可见，本发明提供了一种实现高速列车WIFI接入的信号发射中心，该设备利用分簇的靶向天线实现了适应车厢空间分布特点的发射信号覆盖；并且基于三模块切换机制对实现对用户接入终端的动态跟踪并在此基础之上进行自动化的信号靶向控制，通过适当的发射靶向天线选择实现无线信号定向发射。通过定向和优化的发射机制，相比于传统的信号覆盖方式，在相同的发射功率下采用本发明的方式能够使无线信号传输更远的距离，增强抗干扰能力，因而从总体上可以降低整个信号发射中心的整体功率，能够减少对人体的电磁辐射以及对其它设备的干扰，能够适应车厢特殊的空间分布以及高密度的用户环境。
[0045] 以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本发明的范围。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求所界定的保护范围为准。
