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CN103442362A - 一种通信装置以及采用该装置进行干扰协调和节能的方法 - Google Patents

一种通信装置以及采用该装置进行干扰协调和节能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置，包括基站定向天线、基站无线拉远单元、基站基带处理单元、动车组参数估计单元、基站控制器，车载台定向天线、车载台无线拉远单元以及车载台基带处理单元。本发明还公开了采用上述装置进行高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，通过动车组参数估计单元，实时估计和预测动车组的运动矢量和位置，选择性激活高速铁路车-地通信系统中少量的基站设备，从而大大减少了小区间的干扰和基站设备的功耗。

Description

一种通信装置以及采用该装置进行干扰协调和节能的方法
技术领域
本发明涉及高速铁路通信系统，尤其涉及通信系统的干扰协调和节能装置以及采用该装置进行干扰协调和节能的方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
目前高速铁路采用GSM-R无线通信网络所能提供的仅仅是窄带、低速通信业务，主要用于铁路系统内部生产所需，远不能满足当前高速铁路发展的要求。由于高速铁路运输的特殊性，需要设计专用的宽带车-地无线通信网覆盖高速铁路沿线，以满足列控信息、实时视频监控、车载关键设备工作状态监测、应急通信保障、旅客高速数据通信和娱乐的需求。
移动通信系统经历三代的发展，演进到今天的第4代蜂窝无线系统LTE，实现了从窄带话音到高速数据的过渡。我国新一代高速铁路宽带车-地通信系统部分采用TD-LTE技术，其同频组网产生的小区间干扰是必须解决的关键技术之一。现有的LTE系统的小区间干扰协调算法均是以低速、多用户、多小区、面状覆盖为应用场景，对时速350km/小时以上的高铁环境适应性较差。因此一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置和方法的开发很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置，该装置能够满足时速350km/小时及以上的动车组车-地宽带无线通信的需要，同时减小基站侧设备的能耗。
本发明还要解决的技术问题是提供一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置，包括基站定向天线、基站无线拉远单元、基站基带处理单元、动车组参数估计单元、基站控制器，车载台定向天线、车载台无线拉远单元以及车载台基带处理单元；
其中，所述基站定向天线由两个背靠背的高增益定向天线构成，两个所述高增益定向天线的最大指向相反，且其指向方向与铁轨方向在一条直线上；
所述基站无线拉远单元与定向天线固定连接，其通过定向天线发射和接收无线信号；
所述基站基带处理单元与高铁沿线配置的多个分布式基站无线拉远单元相连，其用于基站侧的基带信号处理；
所述动车组参数估计单元，其将实时估计和预测的动车组运动速度、方向以及位置参数信息传输给基站基带处理单元，再由基站基带处理单元传输给基站控制器；
所述基站控制器，与多个分布式基站基带处理单元相连；
所述车载台定向天线由两个背靠背的高增益定向天线构成，两个所述高增益定向天线的最大指向相反，且所述高增益定向天线的最大指向与动车组的运动方向在一条直线上；
所述车载台无线拉远单元与定向天线固定连接，其通过定向天线接收和发射无线信号；
所述车载台基带处理单元与车载无线拉远单元相连，其用于动车组侧的基带信号处理。
其中，所述基站定向天线由两个背靠背的高增益定向天线构成，两个所述高增益定向天线的最大指向相反，两个最大指向相反的高增益定向天线，其中一个高增益定向天线波束的覆盖区域为0～R米，另一个高增益定向天线波束的覆盖区域为-R～0米。
一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，具体操作步骤如下：
步骤1，将基站无线拉远单元的覆盖区域划分为A1、A2、B三个区；其中，对于每个基站无线拉远单元（以下简称基站）而言，它既包含A1覆盖区、也包含A2覆盖区、与前一个相邻基站的重叠覆盖区B区，以及与后一个相邻基站的重叠覆盖区B区；
步骤2，在基站侧，基站控制器首先通过对多个动车组参数估计单元的动车组运动速度、方向以及位置参数数据的分析和处理，实时估计和预测出相邻动车组的运动矢量和位置，再结合步骤1所划分的基站无线拉远单元覆盖区域，实施小区激活算法和干扰协调算法，选择激活当前提供覆盖的基站无线拉远单元，关闭其他的基站无线拉远单元。
其中，步骤1中，A1区表示距离基站无线拉远单元在-（R-D）～0范围内的区域，A2区表示距离基站无线拉远单元在0～（R-D）范围内的区域，B区为相邻基站无线拉远单元的覆盖重叠区，其表示距离基站无线拉远单元在（R-D）～R范围内的区域。
其中，所述R为基站无线拉远单元两个最大指向相反的定向天线波束分别覆盖的距离，其中，一个定向天线波束的覆盖距离为0～R米，另一个定向天线波束的覆盖距离为-R～0米，D为相邻基站无线拉远单元的覆盖重叠区的长度。
其中，步骤2中，基站控制器实时估计和预测相邻动车组的当前位置、速度矢量以及T秒以后的位置。
其中，步骤2中，所述小区激法活算法，当动车当前位置与T秒以后的位置处于任意一个基站的A1覆盖区，且动车运动方向为接近该基站，激活该基站位于A1区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相同的波束与基站通信；
当动车当前位置处于某一基站的A1覆盖区，T秒以后的位置处于该基站的A2覆盖区，且动车运动方向为接近该基站，同时激活该基站位于A1区和A2区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相同的波束与基站中位于A1区的波束通信，同时车载台无线拉远单元准备指向与动车运动方向相反的波束与基站中位于A2区的波束通信；
当动车当前位置与T秒以后的位置处于某一基站的A2覆盖区，且动车运动方向远离该基站，激活该基站位于A2区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相反的波束与基站通信；
当动车当前位置处于某一基站I的A2覆盖区，T秒以后的位置处于B覆盖区，且动车运动方向远离该基站，激活该基站位于A2区的波束，以及与该基站I相邻下一个基站II位于A1区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相反的波束与基站I位于A2区的波束通信，同时准备指向与动车运动方向相同的波束与基站II位于A1区的波束通信；
当动车当前位置处于B覆盖区，T秒以后的位置处于B覆盖区或/某一基站I的A1覆盖区，且动车运动方向远离该基站II，激活基站II位于A2区的波束和基站I位于A1区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相反的波束与基站II位于A2区的波束通信，使用指向与动车运动方向相同的波束与基站I位于A1区的波束通信；基站II为动车已经经过的基站，基站I为动车靠近的基站。
其中，步骤2中，所述干扰协调算法，根据相邻动车所处覆盖区，计算小区间干扰对信干比的影响，信干比=(P2xn/P1xn)2，当信干比大于设定的门限值L时，不进行干扰协调；当信干比小于门限值L，大于[1+(2R-D)/R]2时，基站控制器动态调度频率、时间资源；其中，P2xn为动车I的当前位置，P1xn动车II的当前位置，所述动车I与动车II相邻。
有益效果：相比于现有技术，本发明的高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，充分考虑了高速铁路沿线的特殊组网模式，采取选择性激活基站波束和动态频率资源分配的方法，在最大程度地减少小区间干扰的同时，也大大降低了系统设备的能耗。另外，采用本发明高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能方法的装置结构简单、合理。
附图说明
图1为本发明一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能装置的结构示意图；
图2为本发明一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能方法中基站波束覆盖示意图；
图3为本发明一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能方法中基站定向天线波束的方向图；
图4为本发明一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能方法中车顶车载台定向天线波束的方向图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进一步阐述。
为描述方便，本文以后的小写英文字母“x”表示该位置序号可用正整数替换，以表示不同的车载台和基站设备，速度矢量Vxn接近BS-RRU方向运动为正，速度矢量Vxn远离BS-RRU方向运动为负，基站无线拉远单元（简称基站）。
如图1～4所示，一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置，包括基站定向天线14、基站无线拉远单元15BSx-RRU、基站基带处理单元16BSx-BBUx、动车组参数估计单元17BSx-TPU、基站控制器18BSC，车载台定向天线13、车载台无线拉远单元12UEx-RRU以及车载台基带处理单元11UEx-BBU，所述基站定向天线14由两个背靠背2×4单元的高增益定向天线14BxA1和BxA2构成，天线增益为16dB，其方向图如图3所示，BxA1和BxA2方向图的最大指向相反，且其指向方向与铁轨方向在一条直线上；所述基站无线拉远单元15，为双RF通道RRU，完成数字基带与射频信号的相互转换，其RF接口通过BxA1、BxA2发射和接收无线信号；所述基站基带处理单元16与高铁沿线配置的多个分布式基站无线拉远单元15相连，其包括调制、解调、编码、解码等模块，用于基站侧的基带信号处理；所述动车组参数估计单元17BS-TPU，完成对动车组的运动速度、方向以及位置参数的实时估计和预测；所述基站控制器18BSC，用于控制管理多个基站基带处理单元16BS-BBU，形成单小区多天线分布式覆盖，同时接收和处理多个动车组参数估计单元17BS-TSU的信息，实施干扰协调算法和小区激法活算法；所述车载台定向天线13由两个背靠背2×4单元的高增益定向天线13UxA1、UxA2构成，天线增益为13dB，其方向图如图4所示，UxA1和UxA2方向图的最大指向相反，且其与动车组运动方向在一条直线上；所述车载台无线拉远单元12UEx-RRU，完成数字基带与射频信号的相互转换，其通过UxA1、UxA2接收和发射无线信号；所述车载台基带处理单元11UEx-BBU与车载台无线拉远单元12相连，用于动车组侧的基带信号处理。
一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，具体操作步骤为：
步骤1，基站无线拉远单元的两个最大指向相反的定向天线波束BxA1、BxA2，波束BxA1的覆盖范围为-1500～0米，波束BxA2覆盖范围为0～1500米；相邻基站无线拉远单元BS-RRU1和BS-RRU2的覆盖重叠区为300米；将BS-RRUx的覆盖划分为A1、A2、B三个区，A1区为基站无线拉远单元BS-RRUx在-1200～0米范围内的区域，A2区表示基站无线拉远单元BS-RRUx在0～1200米范围内的区域，B区表示基站无线拉远单元BS-RRUx在1200～1500米范围内的区域，B区为基站波束B1A2和B2A1的覆盖重叠区；两个相邻基站无线拉远单元的间距为2700米；
步骤2，在基站侧，动车组参数估计单元BS-TPU，完成对动车组的运动速度、方向、位置参数的实时估计，运动速度、方向参数的获取通过读取BS-BBU中估计UE多普勒频移间接得到，若射频载波为f0，UE相对基站的多普勒频移为df，则速度矢量为Vn=df/f0×C，f0为载波，C为光速，车顶车载台内含GPS信息，该信息实时传输到基站，因此可以直接读取BS-RRU中解调的UE所处位置的GPS数据，从而获得相对基站BS-RRUx的位置Pn，在基站控制器，实时估计和预测相邻动车组UE1、UE2的当前位置P1n、P2n、速度矢量V1n、V2n、T秒以后的位置P1n+1=P1n+V1n×T，P2n+1=P2n+V2n×T，T为基站激活波束需要的启动时间，通常小于1秒，在基站控制器18，执行小区激活算法，选择激活当前提供覆盖的BS-RRU，关闭其他的BS-RRU；
采用小区激活算法，当Pxn、Pxn+1处于A1覆盖区，且Vxn≥0，激活基站的B1A1波束，车载台UEx使用UxA2波束与基站通信；
采用小区激活算法，当Pxn处于A1覆盖区，Pxn+1处于A2覆盖区，且Vxn≥0，激活基站的B1A1、B1A2波束，车载台UEx使用UxA2波束与基站B1A1波束通信，同时准备UxA1与基站的B1A2波束通信；；
采用小区激活算法，当Pxn、Pxn+1处于A2覆盖区，且Vxn＜0，激活基站的B1A2波束，车载台UEx使用UxA1波束与基站通信；
采用小区激活算法，当Pxn处于A2覆盖区，Pxn+1处于B覆盖区，且Vxn＜0，激活基站的B1A2、B2A1波束，车载台UEx使用UxA1波束与基站的B1A2波束通信，同时准备UxA2与基站的B2A1波束通信；
采用小区激活算法，当Pxn处于B覆盖区，Pxn+1处于B或/A1覆盖区，且Vxn＜0，激活基站的B1A2、B2A1波束，车载台UEx使用UxA1与基站的B1A2波束通信，使用UxA2波束与基站的B2A1通信；
采用小区激活算法，由于定向天线的空间选择特性，对单个车载台UE而言，激活波束之间导致的小区间干扰可忽略不计。
小区干扰协调算法，根据P1xn、P2xn所处覆盖区，计算小区间干扰对信干比SIR的影响，当P1xn、P2xn处于同类覆盖区，激活的基站波束之间会产生相互干扰，以UE1为参考的信干比为SIR=(P2xn/P1xn)2，SIR最小值发生在激活间隔为R的同类覆盖区情况，此时UE1处于覆盖边沿R处，SIR|min=[1+(2R-D)/R]2=7.84；当SIR大于门限值100时，干扰可忽略，不进行干扰协调；当SIR小于门限值100，大于7.84时，基站控制器，调度激活BS-RRUx的频率、时间资源，使BS-RRUx所占用的资源块互不重叠，保证UE1、UE2能以合理的数据率与基站BS-RRUx进行可靠的通信。
在所述实施例中，采用本发明的一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置，以及利用该装置的方法，通过预测动车组的运动矢量和位置，选择激活系统中少量的基站设备，从而大大减少了小区间的干扰和基站设备的功耗，以高铁动车组运行速度350km/小时，最小追踪运行间隔6分钟、基站无线拉远单元间距3km为例计算，对双线运行的高速铁路，在35km范围内最多只有运行方向相反的两列动车组，BS-RRU数量为12个，平均激活的基站数为2个，本发明的系统功耗仅为基站全部激活的1/6，能耗大大降低。本发明的小区间干扰导致的信干比SIR最小为7.84（8.9dB），相比普通商用LTE的同频组网有很大改善。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的保护范围并不局限与这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。本发明的保护范围仅由所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置，其特征在于：包括基站定向天线（14）、基站无线拉远单元（15）、基站基带处理单元（16）、动车组参数估计单元（17）、基站控制器（18），车载台定向天线（13）、车载台无线拉远单元（12）以及车载台基带处理单元（11）；
其中，所述基站定向天线（14）由两个背靠背的高增益定向天线构成，两个所述高增益定向天线的最大指向相反，且其指向方向与铁轨方向在一条直线上；
所述基站无线拉远单元（15）与定向天线（14）固定连接，其通过定向天线（14）发射和接收无线信号；
所述基站基带处理单元（16）与高铁沿线配置的多个分布式基站无线拉远单元（15）相连，其用于基站侧的基带信号处理；
所述动车组参数估计单元（17），其将实时估计和预测的动车组运动速度、方向以及位置参数信息传输给基站基带处理单元（16），再由基站基带处理单元（16）传输给基站控制器（18）；
所述基站控制器（18），与多个分布式基站基带处理单元（16）相连；
所述车载台定向天线（13）由两个背靠背的高增益定向天线构成，两个所述高增益定向天线的最大指向相反，且所述高增益定向天线的最大指向与动车组的运动方向在一条直线上；
所述车载台无线拉远单元（12）与定向天线（13）固定连接，其通过定向天线（13）接收和发射无线信号；
所述车载台基带处理单元（11）与车载无线拉远单元（12）相连，其用于动车组侧的基带信号处理。
2.根据权利要求1所述高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的装置，其特征在于：所述基站定向天线（14）由两个背靠背的高增益定向天线构成，两个所述高增益定向天线的最大指向相反，两个最大指向相反的高增益定向天线，其中一个高增益定向天线波束的覆盖区域为0～R米，另一个高增益定向天线波束的覆盖区域为-R～0米。
3.一种高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
步骤1，将基站无线拉远单元的覆盖区域划分为A1、A2、B三个区；
步骤2，在基站侧，基站控制器首先通过对多个动车组参数估计单元的动车组运动速度、方向以及位置参数数据的分析和处理，实时估计和预测出相邻动车组的运动矢量和位置，再结合步骤1所划分的基站无线拉远单元覆盖区域，实施小区激活算法和干扰协调算法，选择激活当前提供覆盖的基站无线拉远单元，关闭其他的基站无线拉远单元。
4.根据权利要求3所述高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，其特征在于：步骤1中，A1区表示距离基站无线拉远单元在-（R-D）～0范围内的区域，A2区表示距离基站无线拉远单元在0～（R-D）范围内的区域，B区为相邻基站无线拉远单元的覆盖重叠区，其表示距离基站无线拉远单元在（R-D）～R范围内的区域。
5.根据权利要求4所述高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，其特征在于：所述R为基站无线拉远单元两个最大指向相反的定向天线波束分别覆盖的距离，其中，一个定向天线波束的覆盖距离为0～R米，另一个定向天线波束的覆盖距离为-R～0米，D为相邻基站无线拉远单元的覆盖重叠区的长度。
6.根据权利要求3所述高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，其特征在于：步骤2中，基站控制器实时估计和预测相邻动车组的当前位置、速度矢量以及T秒以后的位置。
7.根据权利要求3所述高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，其特征在于：步骤2中，所述小区激法活算法，当动车当前位置与T秒以后的位置处于任意一个基站的A1覆盖区，且动车运动方向为接近该基站，激活该基站位于A1区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相同的波束与基站通信；
当动车当前位置处于某一基站的A1覆盖区，T秒以后的位置处于该基站的A2覆盖区，且动车运动方向为接近该基站，同时激活该基站位于A1区和A2区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相同的波束与基站中位于A1区的波束通信，同时车载台无线拉远单元准备指向与动车运动方向相反的波束与基站中位于A2区的波束通信；
当动车当前位置与T秒以后的位置处于某一基站的A2覆盖区，且动车运动方向远离该基站，激活该基站位于A2区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相反的波束与基站通信；
当动车当前位置处于某一基站I的A2覆盖区，T秒以后的位置处于B覆盖区，且动车运动方向远离该基站，激活该基站位于A2区的波束，以及与该基站I相邻下一个基站II位于A1区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相反的波束与基站I位于A2区的波束通信，同时准备指向与动车运动方向相同的波束与基站II位于A1区的波束通信；
当动车当前位置处于B覆盖区，T秒以后的位置处于B覆盖区或/某一基站I的A1覆盖区，且动车运动方向远离该基站II，激活基站II位于A2区的波束和基站I位于A1区的波束，车载台无线拉远单元使用指向与动车运动方向相反的波束与基站II位于A2区的波束通信，使用指向与动车运动方向相同的波束与基站I位于A1区的波束通信；基站II为动车已经经过的基站，基站I为动车靠近的基站。
8.根据权利要求3所述高速铁路车-地通信系统小区间干扰协调和节能的方法，其特征在于：步骤2中，所述干扰协调算法，根据相邻动车所处覆盖区，计算小区间干扰对信干比的影响，信干比=(P2xn/P1xn)2，当信干比大于设定的门限值L时，不进行干扰协调；当信干比小于门限值L，大于[1+(2R-D)/R]2时，基站控制器动态调度频率、时间资源；其中，P2xn为动车I的当前位置，P1xn动车II的当前位置，所述动车I与动车II相邻。
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