CN110920687A - 一种基于相位调制材料的列车无线通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相位调制材料的列车无线通信***，包括中心控制器、馈电***、波束形成器和相位调制材料天线；所述中心控制器、馈电***和相位调制材料天线依次连接，所述波束形成器连接在所述中心中心控制器与相位调制材料天线之间；所述中心控制器用于处理接收信号，生成发送信号及发送指令；所述馈电***用于模拟信号的电磁波能量分配到相位调制材料天线的各个单元；所述波束形成器用于根据所述发送指令控制所述相位调制材料天线产生的电磁波束方向和零陷方位；所述相位调制材料天线用于接收、发送电磁波信号。具有可有效节约设备安装空间，降低安装难，增加通信距离，提高通信效果和可靠性，提高频谱利用率，节约成本等优点。

Description

一种基于相位调制材料的列车无线通信***
技术领域
本发明涉及列车无线通信技术领域，尤其涉及一种基于相位调制材料的列车无线通信***。
背景技术
随着轨道交通技术的快速发展，列车对多维信息感知和探测能力的要求不断提升，因此需要采用众多不同功能的电磁设备以满列车对监测、导航和通信等工作性能的需求。大量外置的电磁器件会破坏高速运行列车的气动外形，影响列车的外形美观和安全性能。如果将天线安装在车体内，并通过天线罩来保证车体的气动外形，则会占用车体内的空间，增加安装难度，成本，也会缩短通信距离，降低通信的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可有效节约设备安装空间，降低安装难，增加通信距离，提高通信效果和可靠性，提高频谱利用率，节约成本的基于相位调制材料的列车无线通信***。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于相位调制材料的列车无线通信***，包括中心控制器、馈电***、波束形成器和相位调制材料天线；
所述中心控制器、馈电***和相位调制材料天线依次连接，所述波束形成器连接在所述中心中心控制器与相位调制材料天线之间；
所述中心控制器用于处理接收信号，生成发送信号及发送指令；
所述馈电***用于模拟信号的电磁波能量分配到相位调制材料天线的各个单元；
所述波束形成器用于根据所述发送指令控制所述相位调制材料天线产生的电磁波束方向和零陷方位；
所述相位调制材料天线用于接收、发送电磁波信号。
进一步地，所述相位调制天线与其所安装处的列车车体外形结构共形。
进一步地，所述相位调制天线安装在列车车体上预设的天线安装舱内，或者：所述相位调制天线直接安装在列车车体的外表面。
进一步地，所述中心控制器具体用于对实时输入的信号和干扰矢量进行数字信号处理，并通过自适应算法来确定最优权值参数，并根据所述最优权值参数生成发送信号及发送指令。
进一步地，还包括模数转换器，所述模数转换器连接在所述中心控制器和所述馈电***之间，用于将发射链路的数字信号转换为模拟信号，将接收链路的模拟信号转换为数字信号。
进一步地，所述相位调制材料天线包括以阵列方式组成的多个单元，每个单元可独立控制。
进一步地，所述相位调制材料天线安装在列车车头前端上部。
进一步地，所述相位调制材料天线分为三部分，呈水平排列安装，分别位于列车车头前端的正前、左前和右前方。与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的天线采用相位调制材料供天线，能够与列车的车体外形完美共形，从而不会破坏列车的气动性能和外形美观，同时，还可以节约设备的安装空间，降低安装难度。
2、由于无线通信***的通信距离与电磁收发器件的增益息息相关，增益的大小与天线的辐射面积相关，本发明利用共形技术充分利用列车外形结构尺寸来增加辐射面积，能够最大限度的提高电磁收发器件的增益，从而显著增加***的通信距离。
3、本发明中的相位调制材料能够对空间电磁波的相位分布进行动态调控，因此能够根据不同的通信环境需求，自主改变电磁波束方向，对通信目标进行实时跟踪对准，从而列车在高速运动情况下能够保持与目标长时间、稳定的无线通信。
4、本发明中发射装置利用相位调制材料将电磁波能量集中在通信目标用户的方位，在其它空间方位上辐射和接收的电磁能量非常弱，能够有效避免对非用户方位电子设备的干扰和影响，同时也可以增强自身的抗干扰能量，提高了***的安全性和可靠性。
5、本发明通过电磁波束控制方式，从空域中寻找更多的频谱机会，减少同频干扰，降低了频率复用系数，提高频谱利用率。
6、本发明的辐射器件具备高增益，波束可动态调控的优势，可以保证收发器有较大的覆盖范围，从而扩大轨道沿线基站之间的间距，减少基站个数，有效降低投资成本，减少了基站的频繁切换，提高通信质量，该技术还可以实现车车之间的远距离直接通信，在轨旁基站失效的情况下，列车间能够保持实时通信，提高运行安全性。
附图说明
图1为本发明具体实施例基于相位调制材料的列车无线通信***的结构示意图。
图2为本发明具体实施例关于增加通信距离和抗干扰的示意图。
图3为本发明具体实施例相位调制材料天线的安装示意图一。
图4为本发明具体实施例相位调制材料天线的安装示意图二。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例的基于相位调制材料的列车无线通信***，包括中心控制器、馈电***、波束形成器和相位调制材料天线；中心控制器、馈电***和相位调制材料天线依次连接，波束形成器连接在中心中心控制器与相位调制材料天线之间；中心控制器用于处理接收信号，生成发送信号及发送指令；馈电***用于模拟信号的电磁波能量分配到相位调制材料天线的各个单元；波束形成器用于根据发送指令控制相位调制材料天线产生的电磁波束方向和零陷方位；相位调制材料天线用于接收、发送电磁波信号。相位调制天线与其所安装处的列车车体外形结构共形。本实施例中将具有共形特征在相位调制天线简称为共形相位调制天线。还包括模数转换器，模数转换器连接在中心控制器和馈电***之间，用于将发射链路的数字信号转换为模拟信号，将接收链路的模拟信号转换为数字信号。中心控制器具体用于对实时输入的信号和干扰矢量进行数字信号处理，并通过自适应算法来确定最优权值参数，并根据最优权值参数生成发送信号及发送指令。
在本实施例中，相位调制材料天线包括以阵列方式组成的多个单元，每个单元可独立控制。每个单元结构内置可控电子元件，电子元件为变容二极管、或PIN二极管、或铁电材料等。通过控制单元结构内置的可控电子元件对空间电磁波进行移相，移相方式分为数字式移相或/和连续式移相方式，数字式移相提供离散的移相值，为180°×(1/n)的整数倍且在0°～360°范围内，其中n代表位数。连续式移相的移相值是可以连续变化的，从而，共形相位调制材料能够任意控制阵列中各个单元结构的电磁波相位来改变波束指向，实现波束的快速扫描，而且其方向图的零陷位置也可实时调控。
在本实施例中，馈电***主要负责将电磁波能量按照设定的比例要求分配到共形相位调制结构材料的各个单元。模数/数模转换器在接收链路(下行)由模拟信号转换数字信号，发射链路(上行)由数字信号转换模拟信号。中心控制器通过自适应算法和数字信号处理器来对实时输入的信号和干扰矢量进行处理，用来产生自适应的最优权值参数，并通过运算分析来给波束形成器发送指令。波束形成器能够动态自适应加权处理，并根据中心控制器的指令，实时操控共形相位调制材料各个单元结构上的控制电路，实现对空间电磁波相位的调控，从而产生所期望的自适应波束。
在本实施例中，列车通过安装在车上的无线通信***与地面上沿铁路线建立的通信站之间进行通信，在列车运行过程中，列车需要根据运行情况在地面上的多个通信站中选择一个通信站(通信目标用户)进行通信，随着列车的运行，选中的通信站与列车之间的相对位置也在不断的变化，并且，还需要根据列车的位置更换所选中的通信站。如图1和图2所示，列车选择通信目标用户N作为通信目标，为了达到最好的通信状态，需要将相位调制材料天线的窄波束方位调制为指向通信目标用户，并随着列车的运行而不断的调整窄波束的指向，使之保持指向通信目标用户不变。当***处于发射信号的状态时，将对非期望通信目标方向的用户形成零陷，使通信目标用户方向的用户接收到信噪比最大。当***处于接收信号的状态时，仅在期望方向上接收信号，零陷窄带波束以外的信号。这样既可以避免对非期望通信目标用户产生干扰，又能降低与其它用户间的相互干扰。通过空分多址原理来实现对不同用户的区分，从而提高频谱利用率以及通信质量，改善了通信***的性能。
在本实施例中，相位调制天线安装在列车车体上预设的天线安装舱内，或者：所述相位调制天线直接安装在列车车体的外表面。如图3所示的列车侧面剖视图，虚线表示相位调制天线，在列车的车头部分设置有一个天线安装舱，相位调制天线及附属设备安装在该天线安装舱内，而相位调制天线嵌入列车车体上的天线安装舱的开口处，使列车车体的外部结构保持完整，具有完好的气动性能。或者，如图2所示，图中的粗虚线为相位调制天线，直接安装在列车的外表面。
本实施例中，相位调制材料天线安装在列车车头前端上部。相位调制材料天线分为三部分，呈水平排列安装，分别位于列车车头前端的正前、左前和右前方。如图4所示的列车车头的正视图，相位调制天线安装在车头前档风玻璃的上方，相位调制材料天线分为A、B、C三部分，通过此种方式，可以使得相位调制材料天线的安装更为方便，同时，又能够使得相位调制天线的辐射范围更大，可以在这个更大的范围内选择通信目标用户，与之进行通信。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：包括中心控制器、馈电***、波束形成器和相位调制材料天线；
所述中心控制器、馈电***和相位调制材料天线依次连接，所述波束形成器连接在所述中心中心控制器与相位调制材料天线之间；
所述中心控制器用于处理接收信号，生成发送信号及发送指令；
所述馈电***用于模拟信号的电磁波能量分配到相位调制材料天线的各个单元；
所述波束形成器用于根据所述发送指令控制所述相位调制材料天线产生的电磁波束方向和零陷方位；
所述相位调制材料天线用于接收、发送电磁波信号。
2.根据权利要求1所述的基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：所述相位调制天线与其所安装处的列车车体外形结构共形。
3.根据权利要求2所述的基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：所述相位调制天线安装在列车车体上预设的天线安装舱内，或者：所述相位调制天线直接安装在列车车体的外表面。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：所述中心控制器具体用于对实时输入的信号和干扰矢量进行数字信号处理，并通过自适应算法来确定最优权值参数，并根据所述最优权值参数生成发送信号及发送指令。
5.根据权利要求4所述的基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：还包括模数转换器，所述模数转换器连接在所述中心控制器和所述馈电***之间，用于将发射链路的数字信号转换为模拟信号，将接收链路的模拟信号转换为数字信号。
6.根据权利要求5所述的基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：所述相位调制材料天线包括以阵列方式组成的多个单元，每个单元可独立控制。
7.根据权利要求6所述的基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：所述相位调制材料天线安装在列车车头前端上部。
8.根据权利要求7所述的基于相位调制材料的列车无线通信***，其特征在于：所述相位调制材料天线分为三部分，呈水平排列安装，分别位于列车车头前端的正前、左前和右前方。
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