一种基于复合型天线的高铁移动通信方法。所述方法包括如下步骤：高铁在直线路段高速行进时，移动台连接定向天线，并与所述定向天线辐射范围内的基站建立连接；移动台根据高铁的速度传感器传送的车速数据，计算出移动台自身发射与接收频率的偏移量，并进行频率补偿；移动台在定向天线辐射范围内根据接收到的基站信号强度变化和基站的顺序编号进行基站之间的切换；实时显示高铁移动台与各连接基站间信号强度、基站编号和连接状态。根据本发明，可以实现高铁移动台与多个基站同时建立连接，且极大降低移动台和基站之间相对运动引起的多普勒频移，保证了可靠的不间断的大数据量传输，具有较强的工程应用价值。
1.一种基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：高铁在直线路段高速行进时，移动台连接复合型天线，并与所述天线辐射范围内的基站建立连接；
步骤S2：移动台根据高铁的速度传感器传送的车速数据，计算出移动台自身发射与接收频率的偏移量，并进行频率补偿；
步骤S3：移动台在复合型天线辐射范围内根据接收到的基站信号强度变化和基站的顺序编号进行基站之间的切换；
步骤S4：实时显示高铁移动台与各连接基站间信号强度、基站编号和连接状态。
2.根据权利要求1所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述步骤S1和S3中，复合型天线由两个定向天线(T1，T2)和一个全向天线T3构成，其中T1和T2定向天线的分布特征是两个定向天线辐射角的最大辐射方向相反，即背靠背；两个定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车的运行轨道平行，其中T1定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车运行方向一致；T2定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车运行方向相反。
3.根据权利要求2所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述定向天线(T1，T2)和全向天线T3与高铁移动台之间的切换、连接特征是：高铁在直线路段高速行进时，高铁移动台只与T1和T2，或其中之一连接；高铁在转弯处或进出站的位置时保持低速运动状态，高铁移动台只与T3连接。
4.根据权利要求1～3任一所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述复合型天线中的定向天线辐射角小于60°，定向天线最大无源定向增益小于40dB；所述复合型天线中的全向天线T3能够实现360°全向接收；其中，所述复合型天线中的定向天线辐射角2θ小于60°；α是已建立连接的基站与高铁移动台之间的连线与铁轨所成的夹角为α，且α在定向天线辐射角2θ内，且θ小于30°。
5.根据权利要求1所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述步骤S1中，高铁移动台所连接复合型天线中的定向天线与其辐射范围内基站同时建立连接的数量为2～20个。
6.根据权利要求1所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述高铁移动台自身发射与接收频率的偏移量与车速成一一对应的线性关系，进行频率补偿，降低多普勒效应的影响。
7.根据权利要求1所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述的基站的顺序编号是高铁移动台对已建立连接的基站可以识别其按顺序编排的编号，所述顺序编号是高铁移动台寻找下一个要建立连接的新基站的依据，正要断开的基站编号是An，并且动态保持k路连接，高铁移动台开始搜寻编号是An+k的基站，并按照基站An+k的频点、编码特征试图建立连接，k的取值范围是2～20；所述基站编号具有唯一性，又具有顺序性，编号的唯一性体现了该基站的频点、编码特征，是移动台与基站开始建立连接时的依据。
8.根据权利要求1所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述接收到的基站信号强度变化是指与所述高铁移动台连接的基站由远到近，接收信号的强度由弱变强；当权利要求4中移动台与所连接的基站的α角大于定向天线辐射角2θ的一半时，接收信号的强度再由强变弱，此时刻断开与该基站的连接。
9.根据权利要求1所述的基于复合型天线的高铁移动通信方法，其特征在于，所述步骤S4中，高铁移动台与各个基站间信号强度按照信噪比或载噪比显示，实时监测高铁移动台与基站间工作状态，异常情况下及时发出告警信息。
一种基于复合型天线的高铁移动通信方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高铁移动通信方法，特别的涉及一种基于复合型天线的高铁移动通信方法。
背景技术
[0002] 近年随着我国高速铁路的迅猛发展，高铁目前已成为人们日常出行的重要交通工具，为人们的生活工作提供了便利条件，但同时也存在诸多技术问题，高速运行列车的实时有效通信成为一项亟待解决的技术难题。由于移动通信以往主要应用在较低移动速率下，发射信号源与接收信号源速度不同步时所涉及的多普勒效应不明显，用简单算法即可调整。如果把现有的移动通信技术直接应用到高铁上，存在以下问题：
[0003] 1、移动台和基站之间相对运动引起较大多普勒频移：
[0004] 根据频移公式 分析现有“基站方位分布形式”和“高铁移动台与基站之间的连接切换方式”可知当高速列车进入相邻小区的切换区域，产生频移跳变，由最大负频移跳变到最大正频移，即：
[0005] 高铁端接收机瞬间受到了两倍最大多普勒频移影响，影响了切换再连接的时间和可靠性，易产生断线。同时由于θ值频繁的在0°，90°，180°，0°，90°，180°……..之间变化，致使fd也在频繁的变化，就OFDM系统而言，fd频繁较大的变化会极大影响到载波之间的正交性，使其同步性能下降，误码率增加，这一点用现有算法软件算法是难以解决的。
[0006] 2、高铁移动台与基站之间数据传输时间受限
[0007] 假设现有高铁铁道旁基站的间隔按3公里计算，高铁每行进3km，与基站切换一次，如果高铁时速按300km/h计算，切换间隔时间为36s，扣除切换连接时间，所剩传输数据时间将会受到极大的影响。
[0008] 3、无法形成移动台与基站之间的多线连接
[0009] 传统移动通信中移动台和基站之间的连接是“单线程”，即高铁移动台不与两个或以上的基站同时连接并传输数据，这显然不适于高速铁路的应用。
[0010] 因此，有必要提出一种新的技术方案，在实现高铁移动台与基站之间“多线程”连接的同时，极大降低不同基站间切换带来的多普勒效应产生的影响，成为了一种新的技术需求。
发明内容
[0011] 本发明的目的是提供一种基于复合型天线的高铁移动通信方法。根据本发明，可以实现高铁移动台与多个基站同时建立连接，且极大降低移动台和基站之间相对运动引起的多普勒频移，保证了可靠的不间断的大数据量传输，具有较强的工程应用价值。
[0012] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于复合型天线的高铁移动通信方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1：高铁在直线路段高速行进时，移动台连接复合型天线，并与所述天线辐射范围内的基站建立连接；步骤S2：移动台根据高铁的速度传感器传送的车速数据，计算出移动台自身发射与接收频率的偏移量，并进行频率补偿；步骤S3：移动台在复合型天线辐射范围内根据接收到的基站信号强度变化和基站的顺序编号进行基站之间的切换；步骤S4：实时显示高铁移动台与各连接基站间信号强度、基站编号和连接状态。
[0013] 优选的，所述步骤S1和S3中，复合型天线由两个定向天线(T1，T2)和一个全向天线T3构成，其中T1和T2定向天线的分布特征是两个定向天线辐射角的最大辐射方向相反，即背靠背。
[0014] 优选的，所述步骤S1和S3中，复合型天线中两个定向天线(T1，T2)辐射角的最大辐射方向与高铁列车的运行轨道平行，其中T1定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车运行方向一致；T2定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车运行方向相反。
[0015] 优选的，所述定向天线(T1，T2)和全向天线T3与高铁移动台之间的切换、连接特征是：高铁在直线路段高速行进时，高铁移动台只与T1和T2，或其中之一连接；高铁在转弯处或进出站的位置时保持低速运动状态，高铁移动台只与T3连接。
[0016] 优选的，所述复合型天线中的定向天线辐射角小于60°，定向天线最大无源定向增益小于40dB；所述复合型天线中的全向天线T3能够实现360°全向接收。
[0017] 优选的，所述复合型天线中的定向天线辐射角小于60°，即已建立连接的基站与高铁移动台运动轨迹的夹角为α，且α在定向天线辐射角2θ内，且θ小于30°。
[0018] 优选的，所述步骤S1中，高铁移动台所连接复合型天线中的定向天线与辐射范围内基站同时建立连接的数量为2～20个。
[0019] 优选的，所述步骤S2中，所述高铁移动台自身发射与接收频率的偏移量与车速成一一对应的线性关系，进行频率补偿，降低多普勒效应的影响。
[0020] 优选的，所述步骤S3中，所述的基站的顺序编号是高铁移动台对已建立连接的基站可以识别其按顺序编排的编号，正要断开的基站编号是A0，其他已建立连接的编号范围是A1～A20。
[0021] 优选的，所述步骤S3中，所述接收到的基站信号强度变化是指与所述高铁移动台连接的基站由远到近，接收信号的强度由弱变强；当权利要求4中移动台与所连接的基站的α角大于定向天线辐射角2θ的一半时，接收信号的强度再由强变弱，此时刻断开与该基站的连接。
[0022] 优选的，所述步骤S4中，高铁移动台与各个基站间信号强度按照信噪比或载噪比显示，实时监测高铁移动台与基站间工作状态，异常情况下及时发出告警信息。
[0023] 可选的，所述步骤S4中，高铁移动台与各个基站间信号强度以可视化图形界面的方式进行显示，显示平台为下述中的一种或多种：X86平台，X64平台，嵌入式平台。
附图说明
[0024] 图1显示了本发明优选实施例的高铁移动台与基站间多普勒变化示意图；
[0025] 图2显示了本发明优选实施例的高铁移动台与基站间切换示意图；
[0026] 图3显示了本发明优选实施例的基于复合型天线的高铁移动通信方法流程图。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0028] 本发明的目的是提供一种基于复合型天线的高铁移动通信方法。所述方法包括如下步骤：高铁在直线路段高速行进时，移动台连接定向天线，并与所述定向天线辐射范围内的基站建立连接；移动台根据高铁的速度传感器传送的车速数据，计算出移动台自身发射与接收频率的偏移量，并进行频率补偿；移动台在定向天线辐射范围内根据接收到的基站信号强度变化和基站的顺序编号进行基站之间的切换；实时显示高铁移动台与各连接基站间信号强度、基站编号和连接状态。
[0029] 本发明可以实现高铁移动台与多个基站同时建立连接，且极大降低移动台和基站之间相对运动引起的多普勒频移，保证了可靠的不间断的大数据量传输，具有较强的工程应用价值。
[0030] 图1显示了本发明优选实施例的高铁移动台与基站间多普勒变化示意图。
[0031] 如图1所示，a～g为铁道两旁的基站，本发明优选实施例中，间隔假设为3km，A是高铁移动台上的“复合型天线”，B是铁道线，基站g与A点和铁道线B所成的角度为α＝17°，其中“复合型天线”A的特点是定向天线辐射角小于60°，定向天线最大无源定向增益小于40dB；高铁列车在高速行驶时，复合型天线A工作在定向天线辐射方式，辐射角度为2θ，其中2θ＝60°，假设铁道线B是非常直的，因为高速行驶在弯道上是不可能的，其理由是非常危险，各基站如图1分布在铁道两旁，基站a、b、c不在天线A的接收或传送范围内，基站e、f、g在A的接收或传送范围内，基站d马上就会超出了天线A的辐射范围。
[0032] 从基站g变到基站d的位置，相对于天线A来说，角度的变化值为θ-α，本发明中优选实施例中，θ＝30°，α＝17°，则产生的多普勒频移变化值为：
[0033]
[0034] 而传统的方案中多普勒频移变化值为：
[0035] 本发明提出的技术方案与传统方案的比值为：
[0036] 本发明提出的技术方案所产生的多普勒频移变化值约为传统方案的0.04515，极大降低了多普勒频移变化值，保证了可靠的不间断的大数据量传输，具有较强的工程应用价值。
[0037] 图2显示了本发明优选实施例的高铁移动台与基站间切换示意图。
[0038] 如图2所示，高铁G沿着铁轨直线行驶，复合型天线中的定向天线辐射范围为2θ，在铁轨的一侧有基站An-2，An-1，An，An+1...An+k，其中An-2不在辐射范围内，高铁移动台与该基站不建立连接，而与辐射范围内的An-1，An，An+1...An+k建立连接，此时高铁与基站An，An+1...An+k进行通信，随着高铁的继续前进，高铁移动台接收基站An所发射的信号会逐渐增强，当增加到一定时，信号会急剧的减弱，此时，高铁移动台与基站An断开连接，寻找下一基站进行通信，从而实现高铁移动台与基站间的灵活切换。
[0039] 图3显示了本发明优选实施例的基于复合型天线的高铁移动通信方法流程图。
[0040] 如图3所示，本发明优选实施例的基于复合型天线的高铁移动通信方法包括如下步骤：
[0041] S1：高铁在直线路段高速行进时，移动台连接定向天线，并与所述定向天线辐射范围内的基站建立连接；
[0042] 所述复合型天线由两个定向天线(T1，T2)和一个全向天线T3构成，其中，T1和T2定向天线的分布特征是两个定向天线辐射角的最大辐射方向相反，即背靠背；
[0043] 两个定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车的运行轨道平行，其中T1定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车运行方向一致；
[0044] T2定向天线辐射角的最大辐射方向与高铁列车运行方向相反；
[0045] 所述定向天线(T1，T2)和全向天线T3与高铁移动台之间的切换、连接特征是高铁在直线路段高速行进时，高铁移动台只与T1和T2，或其中之一连接；高铁在转弯处或进出站的位置时保持低速运动状态，高铁移动台只与T3连接；
[0046] 其中，高铁移动台所连接复合型天线中的定向天线与辐射范围内基站同时建立连接的数量为2～20个。
[0047] S2：移动台根据高铁的速度传感器传送的车速数据，计算出移动台自身发射与接收频率的偏移量，并进行频率补偿；
[0048] 所述高铁移动台自身发射与接收频率的偏移量与车速成一一对应的线性关系，进行频率补偿，降低多普勒效应的影响；
[0049] S3：移动台在定向天线辐射范围内根据接收到的基站信号强度变化和基站的顺序编号进行基站之间的切换；
[0050] 所述的基站的顺序编号是高铁移动台对已建立连接的基站可以识别其按顺序编排的编号，正要断开的基站编号是A0，其他已建立连接的编号范围是A1～A19。
[0051] S4：实时显示高铁移动台与各连接基站间信号强度、基站编号和连接状态；
[0052] 高铁移动台与各个基站间信号强度按照信噪比或载噪比显示，实时监测高铁移动台与基站间工作状态，异常情况下及时发出告警信息。
[0053] 应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
