一种高铁宽带专网高动态LTE转换技术的微波开关型多出多入天线系统

摘要

本发明公开了一种高铁宽带专网高动态LTE转换技术的微波开关型多出多入天线系统，包括高铁专网基站天线子系统和高铁车载天线子系统，其特征在于：高铁专网基站天线子系统包括铁塔、射频/中频转换模块(RICM)、高增益天线、全向天线和基站基带(BBM)；高铁车载天线子系统包括射频/中频转换模块(RICM)、高增益天线、全向天线、微波开关和伺服控制单元。本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换器的微波开关型多出多入天线系统，适用于高铁通信，克服了高铁专网通信面临车载天线在350‑500km/h高速运动条件下高动态、非线性捕获跟踪基站天线的技术难题。

说明书

技术领域

本发明属于高铁通信领域，尤其涉及一种高铁专网高动态LTE的高增益天线系统。

背景技术

高铁指中国高速铁路，通常运行速度在250km/h以上。我国已在运营的高铁已达近2万公里，今后数十条在建高铁也将投入商业运行，高铁技术的发展，包括机构、驱动、控制等领域已步入国际先进行列，高铁工程正在走向亚洲、非洲、欧洲和北美。高铁已经成为我国改革开放成果的一个重要名片。但是高铁通信依然处于十分落后的状态，目前的地面通信手段，需要各运营商(移动、联通等)在高铁沿线每隔1-2km建立一个通信基站，基站间距较小，基站覆盖区域切换频繁，在高铁行驶过程中，会出现通话不顺畅，掉话、无法上网等问题，无法提供乘客满意的2G/3G电讯服务，对多媒体，INTERNET网络完全没有服务能力。先进的高铁机械化与落后的高铁信息化的矛盾，成为制约高铁进一步发展的技术瓶颈。其根本原因是传统地面通信基站覆盖半径小，高速移动引起严重的多普勒频移以及小区的频繁切换，还有高达30dB高铁列车穿透损耗，导致目前通信网络无法满足目前高铁通信要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高铁宽带专网高动态LTE转换技术(High Dynamic Transformer LTE，HIDI-LTE)的微波开关型多出多入天线系统(Microwave Switch MIMO，MS-MIMO)，能够大幅度的提高基站覆盖半径、降低小区切换频次、避免高铁列车穿透损耗、系统解决目前高铁通信面临的技术问题，实现高铁的LTE宽带通信。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高铁宽带专网高动态LTE转换器的微波开关型多出多入天线系统，包括：包括高铁专网基站天线子系统和高铁车载天线子系统，其特征在于：高铁专网基站天线子系统包括铁塔、射频/中频转换模块(RICM)、高增益天线、全向天线和基站基带(BBM)；高铁车载天线子系统包括射频/中频转换模块(RICM)、高增益天线、全向天线、微波开关和伺服控制单元。

其中，所述高铁专网基站天线子系统为多个，其中相邻两高铁专网基站天线子系统之间的距离为12km至40km，专网基站塔高为6m至30m。

其中，高铁专网基站天线子系统中所述射频/中频转换模块(RICM)包括上变频器、下变频器，上变频器是将基带中频信号变频到高铁专网频率，下变频器是将高铁专网频率变频到基带中频。

其中，高铁专网基站天线子系统中所述射频/中频转换模块(RICM)与基带(BBM)连接。

其中，高铁专网基站天线子系统中所述高增益天线为正交线极化，最大增益为20dB，波束为扇形，其中方位方向为宽波束，俯仰方向为窄波束，)，高增益天线形式可以为切割抛物面、阵列天线等；所述全向天线为正交线极化，最大增益约为8dB，天线形式可以为偶极子天线、贴片天线等。

其中，高铁车载天线子系统中所述射频/中频转换模块(RICM)包括上变频器、下变频器，上变频器是将基带中频信号变频到高铁专网频率，下变频器是将高铁专网频率变频到基带中频

其中，高铁车载天线子系统中所述射频/中频转换模块(RICM)与基带(BBM)连接。

其中，高铁车载天线子系统中所述的高增益天线为正交线极化，最大增益为15dB，波束为扇形，高增益天线形式可以为短背射天线、阵列天线等；全向天线最大增益约为4dB，天线形式可以为偶极子天线、贴片天线、螺旋天线等。

其中，所述的高铁车载天线子系统具有低轮廓结构，外部罩有流线型天线保护罩。

本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换器的微波开关型多出多入天线系统，适用于高铁通信，克服了目前高铁通信面临的技术难题，具有以下优点：

本发明使通信基站之间距离由目前的1-2km增加到最长可为20km，大大降低了成本，降低了基站间的切换频度；

本发明车载天线系统放置在车厢顶部，避免了目前地面通信30dB车厢穿透损耗，增强了信号强度；

本发明采用微波开关取代伺服系统，克服了高铁专网通信面临车载天线在350-500km/h高速运动条件下高动态、非线性捕获跟踪基站天线的技术难题；

本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换器的微波开关型多出多入天线系统与传统的LTE技术完全兼容，同时也适用于类似的高动态载体通信，通用性强。

附图说明

图1为本发明天线系统的工作示意图；

图2为本发明天线系统的高铁专网基站天线子系统原理图；

图3为本发明天线系统的高铁专网基站高增益天线仿真方向图，其中(a)为俯仰方向的方向图，(b)为方位方向的方向图；

图4为本发明天线系统的高铁专网基站全向天线仿真方向示意图，其中(a)为俯仰方向的方向图，(b)为方位方向的方向图；

图5为本发明天线系统的高铁车载天线系统原理图；

图6为本发明天线系统的高铁车载高增益天线仿真方向图，其中(a)为俯仰方向的方向图，(b)为方位方向的方向图；

图7为本发明天线系统的高铁车载全向天线仿真方向图，其中(a)为俯仰方向的方向图，(b)为方位方向的方向图；

图8为本发明天线系统的高铁车载天线系统保护罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换技术的微波开关型多出多入天线系统，包括高铁专网基站天线子系统1和高铁车载天线子系统2，其中高铁专网基站天线子系统包括铁塔、射频/中频转换模块(RICM)、高增益天线(BANT1、BANT3)、全向天线(BANT2)和基站基带(BBM)；高铁车载天线子系统包括射频/中频转换模块(RICM)、高增益天线(TANT1、TANT3)、全向天线(TANT2)、微波开关和伺服控制单元。

高铁专网基站天线子系统为多个，图1为其中一个专网基站天线子系统，铁塔高度为H，与铁路垂直距离为D，在H为6-30m的条件下，相邻两基站的间距可达12-40km(即为一个专网基站覆盖铁路长度为L)，SL1、SL2、D、SL22、SL12为高铁列车到专网基站的距离。当高铁列车进入SL1和SL2夹角范围内，高铁列车车载天线TANT1和专网基站天线BANT1建立通信链路；高铁列车进入SL21和SL22夹角范围内，高铁列车车载天线TANT2和专网基站天线BANT2建立通信链路；高铁列车进入SL22和SL12夹角范围内，高铁列车车载天线TANT3 和专网基站天线BANT3建立通信链路。

基站可能建在铁路的左侧，也可能建在铁路的右侧。当高铁列车驶出一个基站覆盖区，进入下一个基站覆盖区，车载天线TANT1会提前指向下一个基站。转弯时，伺服控制单元根据高铁列车位置和前进方向实时调整车载天线指向，保证通信链路的连续。

图2为给出了发明天线系统的高铁专网基站天线子系统原理图，其中，射频/中频转换模块(RICM)包括上变频器、下变频器以及基站基带，上变频器是将基带中频信号变频到专网频率，例如3.5GHz；下变频器是将专网频率变频到基带中频频率。

高铁专网基站天线由两副高增益天线和一副全向天线组成，3副天线按照一定角度安装。如图3所示，为专网基站高增益天线仿真方向图，天线形式为阵列天线，正交线极化，其中(a)为俯仰方向方向图，(b)为方位方向方向图。如图4所示，为专网基站全向天线仿真方向图，天线形式为正交偶极子，其中(a)为俯仰方向方向图，(b)为方位方向方向图。两幅高增益天线和一副全向天线安装在铁塔顶部，下倾角为5。，三幅天线组合等效方向图为马鞍形状。

图5给出了本发明天线系统的高铁车载天线系统原理图，其中，射频/中频转换模块(RICM)包括上变频器、下变频器，与车载基带(BBM)连接。上变频器是将车载基带中频信号变频到高铁专网频率，例如3.5GHz，下变频器是将高铁专网频率变频到车载基带中频频率。结合图1，在高铁专网基站天线覆盖范围内，高铁列车距离专网基站最远距离为SL1，最近距离为D，高增益天线工作区域与全向天线工作区域分界线为SL2。当高铁列车行至SL1至SL2夹角范围内，车载高增益天线与专网基站的高增益天线建立通信链路；当高铁行至SL2至D夹角范围内，微波开关用来切换高铁车载天线的工作时序，以及切换车载全向天线与专网基站全向天线建立通信链路。

高铁车载天线由两副高增益天线和一副全向天线组成，3副天线分开单独安装，其中两副高增益配有伺服控制单元，可以实现方位、俯仰调节。三副天线的工作次序由GNSS(全球卫星导航系统)与电子地图控制微波开关导通/断开来实现。如图6所示，为高铁车载高增益天线仿真方向图，该天线形式为不对称短背射天线，正交极化，其中(a)为俯仰方向的方向图，(b)为方位方向的方向图；如图7所示，为高铁车载全向天线仿真方向图，该天线方向图为马鞍 形状，方位方向旋转对称，俯仰方向最大增益指向基站，不需要配备伺服跟踪单元。其中(a)为俯仰方向的方向图，(b)为方位方向的方向图。

在铁路弯道以及地形突变的地方，通过调节专网基站的高度和基站与轨道的垂直距离，确保基站天线与车载天线始终以LOS方式连接，高铁车载天线的方位角、仰角保持不变。在高铁列车运行过程中，车载天线始终指向专网基站天线，伺服控制单元通过控制微波开关的导通/断开来保持车载天线工作时序。当高铁专网基站建在铁路两边时，为了实现基站的快速切换，伺服控制单元可以预先将车载高增益天线TANT1指向下一个专网基站。

当列车通过隧道时，高铁车载全向天线与建在隧道的入口和出口eNode基站的高增益天线建立通信链路，高增益天线架设高度约为隧道口的高度。

如图8所示，本发明的的高铁车载天线子系统具有低轮廓结构，其目的是为了降低列车高速运行导致的风阻，同时车载天线子系统外部罩有适合高铁高动态运动情况下的流线型天线保护罩。

本发明中所涉及的高增益天线为正交线极化，最大增益为20dB，波束为扇形，其形式可以为短背射天线、阵列天线等；全向天线最大增益为8dB，天线形式可以为偶极子天线、贴片天线、螺旋天线等。

以下实施例是在传统基站发射功率和基站与铁路的垂直距离D都与高铁专网基站相同、并考虑了两者天线增益的区别的情况下进行的。

实施例1

采用上述本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换技术的微波开关型多出多入天线系统，专网基站铁塔高度H为8m，距离铁路垂直距离D为200m；高铁专网基站天线子系统和高铁车载天线子系统中的高增益天线的最大增益分别为20dB和15dB，全向天线最大最大增益分别为8dB和4dB。与传统通信手段相比，基站覆盖范围为20km，比传统基站提高了10倍左右；信号强度提高了30-45dB。

实施例2

采用上述本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换技术的微波开关型多出多入天线系统，专网基站铁塔高度H为15m，距离铁路垂直距离D为200m；高铁专网基站天线子系统和高铁车载天线子系统中的高增益天线的最大增益分别为20dB和15dB，全向天线最大最大增益分别为8dB和4dB。与传统通信手段相比，基站覆盖范围为28km，比传统基站提高了14倍左右；信号强度提高了30-45dB。

实施例3

采用上述本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换技术的微波开关型多出多入天线系统，专网基站铁塔高度H为30m，距离铁路垂直距离D为200m；高铁专网基站天线子系统和高铁车载天线子系统中的高增益天线的最大增益分别为20dB和15dB，全向天线最大最大增益分别为8dB和4dB。与传统通信手段相比，基站覆盖范围为40km，比传统基站提高了20倍左右；信号强度提高了30-45dB。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。