一种基于动态波束赋形的分布式天线系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于波束赋形的分布式天线系统，包括发射天线模块和接收天线模块；所述发射天线模块包括远程天线单元、云端和服务器；在铁路沿线设置若干个远程天线单元，每个远程天线单元通过光纤或电缆连接到云端，云端通过光纤或电缆连接到服务器；所述接收天线模块包括光纤外置天线、中继器和检测单元；光纤外置天线接收来自远程天线单元的信号，通过中继器与移动终端进行通信；检测单元用于实时监测列车的位置和速度以及铁轨的弯曲状态。在本发明专利技术中，基站的天线系统在铁路沿线以分布式的结构布设，采用自适应天线选择和动态波束赋形技术，以减少多普勒频移；同时使得波束的主要能量汇聚点与列车相对静止，从而保证高的空口能效。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态波束赋形的分布式天线系统及方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于动态波束赋形的分布式天线系统及方法。
技术介绍
随着无线服务的用户数量不断增多和对高数据速率的需求不断增长，如何更有效地利用有限的无线资源一直是研究的目标。现有技术中，在用户快速移动的过程中，会出现频繁的切换，多普勒频移严重，信号接收强度弱等情况，导致用户体验比较差。特别是对于现实当中对实时性要求较高的业务，比如打电话，玩游戏等，在上述业务中如果突然出现信号卡顿或中断，会瞬间影响用户的使用体验。因此，如何去克服这类问题，提高通信质量显得特别重要。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于解决多普勒频移对通信质量的影响，提高通信过程中能量利用效率。因此，提出了一种基于波束赋形的分布式天线系统。本专利技术用于铁路系统，通过采用分布式天线中的天线选择技术，让铁路沿线的远程天线单元与高铁保持“准静止”状态，保证波束与高铁保持相对静止，呈现“准垂直”状态，实现对高铁通信中的能量优化以及多普勒频移的减少。本专利技术的第二目的在于提供一种基于波束赋形和分布式天线的通信方法。本专利技术的第一目的能够通过以下技术方案实现：一种基于波束赋形的分布式天线系统，包括发射天线模块和接收天线模块；所述发射天线模块包括远程天线单元、云端和服务器；在铁路沿线设置若干个远程天线单元，每个远程天线单元通过光纤或电缆连接到云端，云端通过光纤或电缆连接到服务器；所述接收天线模块包括光纤外置天线、中继器和检测单元；光纤外置天线接收来自远程天线单元的信号，通过中继器与移动终端进行通信；检测单元用于实时监测列车的位置和速度以及铁轨的弯曲状态。进一步地，移动终端选择最近的一个远程天线单元进行波束赋形；当移动终端和远程天线单元的连线与远程天线单元和铁路的垂线的夹角，超过满足系统的多普勒频移的最大角度时，采用多根远程天线单元联合进行波束赋形。进一步地，每个远程天线单元与光纤外置天线允许有一定范围的张角，不需要保持绝对的垂直。进一步地，所述若干个远程天线单元按照区域进行划分，当列车进入特定区域范围内，区域内相应的远程天线单元被激活启动，其他区域内的远程天线单元处于休眠状态。更进一步地，每个区域采用一个云端和服务器进行管理。进一步地，所述远程天线单元可以是非均匀设置。具体地，所述检测单元可以选择卫星定位系统或传感器。具体地，波束赋形参数可以根据铁路结构与列车运行的较规则的特性预先进行计算，再调出使用；也可以采用信道估计方法实时获得信道参数后再确定波束赋形参数。本专利技术的第二目的能够通过以下技术方案实现：一种基于波束赋形和分布式天线的通信方法，当上下行信道为对称时，用于接收端在进行上行发射信号时与发射端在进行下行发射信号时的通信，具体步骤包括：(1)当列车运行至某区域，启动该区域内的远程天线单元；(2)通过检测单元获取列车的实时位置和速度信息，计算信道矩阵；(3)根据获得的信道矩阵，计算相应的波束赋形因子；(4)根据发射信号和波束赋形因子，计算波束赋形后的信号；(5)重复步骤(2)-(4)，根据每个时刻的位置与速度信息，对波束赋形因子进行实时调整，直至达到动态波束赋形效果时停止。具体地，所述步骤(3)中，波束赋形因子的计算公式为：WZF＝(HHH)-1HH其中，H表示信道矩阵，HH表示H的厄米特矩阵。具体地，所述步骤(4)中，发射信号x进行波束赋形后的表达式为：y＝PWZFx其中，P表示每个远程天线单元的发射功率。本专利技术相较于现有技术，具有以下的有益效果：1、本专利技术通过沿着铁路线布设远程天线单元，使得在列车运行过程中，保持让距离接收端近的那几根远程天线单元进行波束赋形作用，使得波束一直与铁路线呈垂直状态，避免大的多普勒频移效应。2、在本专利技术中，对于接收天线侧，能够每次选择多根天线进行波束赋形并分级接收，从而在保证接收端接收信号质量的情况下，提高能量利用效率。附图说明图1为本专利技术实施例中一种基于动态波束赋形的分布式天线系统的结构示意图。图2为本专利技术实施例中一种基于动态波束赋形和分布式天线的通信方法的流程图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例如图1所示为一种基于波束赋形的分布式天线系统，包括发射天线模块和接收天线模块；所述发射天线模块包括远程天线单元、云端和服务器；在铁路沿线设置若干个远程天线单元，每个远程天线单元通过光纤或电缆连接到云端，云端通过光纤或电缆连接到服务器；所述接收天线模块包括光纤外置天线、中继器和检测单元；光纤外置天线接收来自远程天线单元的信号，通过中继器与移动终端进行通信；检测单元用于实时监测列车的位置和速度。进一步地，移动终端选择最近的一个远程天线单元进行波束赋形；当移动终端和远程天线单元的连线与远程天线单元和铁路的垂线的夹角，超过满足系统的多普勒频移的最大角度时，采用多根远程天线单元联合进行波束赋形。进一步地，每个远程天线单元与光纤外置天线允许有一定范围的张角，不需要保持绝对的垂直。进一步地，所述若干个远程天线单元按照区域进行划分，当列车进入特定区域范围内，区域内相应的远程天线单元被激活启动，其他区域内的远程天线单元处于休眠状态。更进一步地，每个区域采用一个云端和服务器进行管理。进一步地，所述远程天线单元可以是非均匀设置。具体地，所述检测单元可以选择卫星定位系统或传感器。如图2所示为一种基于波束赋形和分布式天线的通信方法的流程图，当上下行信道为对称时，用于接收端在进行上行发射信号时与发射端在进行下行发射信号时的通信，具体步骤包括：(1)当列车运行至某区域，启动该区域内的远程天线单元；(2)通过检测单元获取列车的实时位置和速度信息，计算信道矩阵；(3)根据获得的信道矩阵，计算相应的波束赋形因子；(4)根据发射信号和波束赋形因子，计算波束赋形后的信号；(5)重复步骤(2)-(4)，根据每个时刻的位置与速度信息，对波束赋形因子进行实时调整，直至达到动态波束赋形效果时停止。具体地，所述步骤(3)中，波束赋形因子的计算公式为：WZF＝(HHH)-1HH其中，H表示信道矩阵，HH表示H的厄米特矩阵。具体地，所述步骤(4)中，发射信号x进行波束赋形后的表达式为：y＝PWZFx其中，P表示每个远程天线单元的发射功率。上述实施例为本专利技术较佳的实施方式，但本专利技术的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本专利技术的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波束赋形的分布式天线系统，其特征在于，包括发射天线模块和接收天线模块；所述发射天线模块包括远程天线单元、云端和服务器；在铁路沿线设置若干个远程天线单元，每个远程天线单元通过光纤或电缆连接到云端，云端通过光纤或电缆连接到服务器；所述接收天线模块包括光纤外置天线、中继器和检测单元；光纤外置天线接收来自远程天线单元的信号，通过中继器与移动终端进行通信；检测单元用于实时监测列车的位置和速度以及铁轨的弯曲状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于波束赋形的分布式天线系统，其特征在于，包括发射天线模块和接收天线模块；所述发射天线模块包括远程天线单元、云端和服务器；在铁路沿线设置若干个远程天线单元，每个远程天线单元通过光纤或电缆连接到云端，云端通过光纤或电缆连接到服务器；所述接收天线模块包括光纤外置天线、中继器和检测单元；光纤外置天线接收来自远程天线单元的信号，通过中继器与移动终端进行通信；检测单元用于实时监测列车的位置和速度以及铁轨的弯曲状态。2.根据权利要求1所述的一种基于波束赋形的分布式天线系统，其特征在于，移动终端选择最近的一个远程天线单元进行波束赋形；当移动终端和远程天线单元的连线与远程天线单元和铁路的垂线的夹角，超过满足系统的多普勒频移的最大角度时，采用多根远程天线单元联合进行波束赋形。3.根据权利要求1所述的一种基于波束赋形的分布式天线系统，其特征在于，每个远程天线单元与光纤外置天线允许有一定范围的张角，不需要保持绝对的垂直。4.根据权利要求1所述的一种基于波束赋形的分布式天线系统，其特征在于，所述远程天线单元按照区域进行划分，当列车进入特定区域范围内，区域内相应的远程天线单元被激活启动，其他区域内的远程天线单元处于休眠状态；每个区域采用一个云端和服务器进行管理。5.根据权利要求1所述的一种基于波束赋形的分布式天线系统，其特征在于，所述远程天线单元可以是非均匀设置。6.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹高雄，冯穗力，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44