一种隧道微波通信传输系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种隧道微波通信传输系统及方法，所述隧道微基站系统(1)包括支撑座架、天线、射频拉远单元、基带单元、核心网、网络服务器和电源；隧道微基站系统一方面用来与移动通信交换中心的MME/S‑GW进行交互，实现与外网连接，另一方面用来与车载终端系统交互，对无线交互信号进行发送和接收处理；所述车载终端系统包括天线座、天线外罩、GNSS天线、车载天线、车载变频模块、GNSS和惯导组合的导航系统、车载终端设备、电子地图、车载服务器、电源模块和控制单元；车载终端系统(2)一方面用来与隧道微基站进行空中交互，另一方面为列车车厢内的用户提供WI‑FI服务。首次提出在隧道中只需架设少数几个隧道微基站的方式来实现隧道内的通信，且对于复杂类型的隧道，包括弯曲隧道、分支隧道等隧道内通信提出了解决方法。

A Tunnel Microwave Communication Transmission System and Method

The invention discloses a tunnel microwave communication transmission system and method. The tunnel Microbase station system (1) includes a support frame, an antenna, a radio frequency remote unit, a baseband unit, a core network, a network server and a power supply. On the one hand, the tunnel Microbase station system is used to interact with the MME/S_GW of the mobile communication switching center to realize the connection with the external network, on the other hand, it is used to connect with the vehicle terminal. The vehicle terminal system includes antenna pedestal, antenna cover, GNSS antenna, vehicle antenna, vehicle frequency conversion module, GNSS and INS integrated navigation system, vehicle terminal equipment, electronic map, vehicle server, power supply module and control unit; on the one hand, the vehicle terminal system (2) is used with tunnel micro base station. On the other hand, it provides WI FI service for users in train compartments. For the first time, it is proposed that only a few micro-base stations should be set up in tunnels to realize communication in tunnels, and solutions for complex types of tunnels, including curved tunnels, branch tunnels and other tunnels, are proposed.

【技术实现步骤摘要】
一种隧道微波通信传输系统及方法
本专利技术属于移动通信领域，尤其涉及一种隧道中移动通信网络信号的微波贯穿/接力系统及通信传输方法。
技术介绍
在移动通信中，存在着某些弱场地区或“盲区”。例如由于隧道、高大建筑物或山峰的屏蔽，致使其阴影区场强极为微弱。隧道等往往又是无线电波传播的“盲区”。电波可以在有限空间内传播，由于隧道壁的多次反射、多径效应等造成的衰落也是明显的。特别是在与隧道口距离较近的地段，由于隧道口内外耦合及不连续性，传输模式复杂，场强的深度衰落比较明显。此外，隧道弯曲，或传播路径上出现障碍，如车辆等，损耗还会加大。天线位置对传输损耗也有颇大的影响。对于无线电波而言，在隧道中的传播特性与在地面上的自由空间传播特性不同，在隧道中，因弯曲较多，直射波的传播距离很短。同时，隧道对无线信号具有一定的吸收、衰减与多径效应，从而使信号产生极化紊乱，并使传播衰减增加。因此，为了强化无线信号在隧道中的传播，目前国内的高铁工程采用的多是敷设漏泄电缆。泄漏同轴电缆(LeakyCoaxialCable)通常又简称为泄漏电缆或漏泄电缆，其结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波，外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。目前，泄漏电缆的频段覆盖在450MHz-2GHz，适应现有的各种无线通信体制，应用场合包括无线传播受限的地铁隧道、铁路隧道和公路隧道等。然而，漏缆通信同时存在传播损耗以及耦合损耗，为了使常态无线通信达到可用标准，每公里隧道需铺设七公里漏缆。目前，包括中国移动、中国联通以及中国电信三大运营商网络，以及铁路专用的GSM-R系统，在隧道内均采用了漏缆的方式来解决通信问题。即便如此，当列车在隧道内运行时，通话时常掉线，上网更是受限，而铺设漏缆的成本更是居高不下。而且当工作频率高于3GHz，没有相应的泄露电缆产品，只能使用微波接力方式，解决隧道无线通信问题。目前，地铁隧道WLAN的解决方式是，在地铁轨道旁边的隧道壁上安装有多个接入点AP(AccessPoint),AP之间用光缆以及无线桥接相结合的方式进行连接，乘客在地铁车厢内，直接用手机无线接入到铁轨旁的AP，地铁列车本身不做任何改动。缺点是：需要克服信号穿过车厢体的损耗30dB左右；AP之间的距离一般为几百米，需要架设的AP站点数非常多，造价昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决隧道中通信网络信号微波贯穿/接力的问题，使车辆在隧道(包括高铁隧道、普通铁路隧道、地铁隧道、公路隧道和矿井隧道)内运行的环境下，能够给普通车辆，乃至高铁列车内的乘客提供连续的、优质的宽带移动通信、网络及多媒体服务。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种隧道微波通信传输系统，包括设置在隧道内的隧道微基站系统1和设置在列车顶部的车载终端系统2。所述隧道微基站系统1包括支撑座架、天线、射频拉远单元、基带单元、核心网、网络服务器和电源；天线设置在支撑座架上，射频拉远单元与天线通过射频线缆连接，基带单元一端通过同轴线缆与射频拉远单元连接，另一端通过网线与核心网连接，核心网与网络服务器通过网线连接；隧道微基站系统1一方面用来与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接，另一方面用来与车载终端系统2交互，对无线交互信号进行发送和接收处理。所述车载终端系统2包括天线座16、天线外罩15、GNSS天线10、车载天线14、车载变频模块8、GNSS和惯导组合的导航系统12、车载终端设备9、电子地图13、车载服务器4、电源模块和控制单元11；车载天线14和GNSS天线10安装在天线座16上，天线座16固定在列车车厢顶部外侧，车载变频模块8一端通过射频线缆与车载天线14连接，另一端通过同轴线缆与车载终端设备9连接，车载终端设备9的另一端通过网线与车载服务器4连接，GNSS天线10通过同轴线缆连接到车厢内的GNSS和惯导组合的导航系统12；车载终端系统2一方面用来与隧道微基站进行空中交互，另一方面为列车车厢内的用户提供WI-FI服务。其中，隧道微基站系统的天线采用高增益定向天线。其中，隧道微基站天线的波束平行于铁轨，并指向列车前进的方向。其中，隧道微基站系统的数量为一个或多个。其中，隧道微基站的安装方式为壁挂或垂挂。其中，车载天线为高增益收发天线。本专利技术还提供一种基于该系统的隧道微波通信传输方法。该通信传输方法包括以下步骤：(1)隧道微基站系统1的核心网与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接；(2)射频拉远单元将基带单元信号转变成射频信号，通过隧道微基站系统1的天线发送电磁波信号；(3)车载终端系统2的车载天线14接收电磁波信号，车载变频模块8将射频信号转换成车载终端设备9所需要的基带信号；(4)车载终端设备9连接到车厢内的WI-FI设备6，向车厢内用户终端5提供服务。进一步的，通过以下计算步骤判断是否需要增设隧道微基站：首先，以第一个隧道微基站所处的隧道口处为距离基点，计算出电磁波以近似自由空间传播模式传播的第一区域和电磁波以受隧道壁限制的菲涅尔衍射模式传播的第二区域的分界点，即第一菲涅尔圆半径与隧道最大内切圆半径相等处，距离隧道口设置隧道微基站的距离：根据第一菲涅尔区定义，其中，d为发射源到接收天线的距离，d1为发射源到第一菲涅尔圆的距离，d2为第一菲涅尔圆到接收天线的距离，F1为第一菲涅尔圆的半径，λ为电磁波波长；可以近似得到第一菲涅尔区的半径：可以得到第一菲涅尔圆半径的最大值，为：对于圆形隧道来说，第一菲涅尔圆半径即为隧道横截面的半径；对于其他形状隧道，隧道有效半径可取隧道最大内切圆半径。在计算实际隧道有效面积时，由于隧道并不是正圆形，所以应外加修正因子约1.5-3dB；由此可以得到电磁波以近似自由空间传播的距离r0，从而得到电磁波以近似自由空间传播与受隧道壁限制的菲涅尔衍射传播之间的分界点：(2.1)对于长直隧道，当隧道总长L≤r0时，电磁波在隧道内衰减可按自由空间传播衰减值计算，自由空间范围内传播的衰减值PL0计算公式为：PL0(dB)＝32.5+20logf(MHz)+20logd(km),(0≤d≤L)其中，f为工作频率；当隧道长度L>r0时，在[0,r0]区间内先按自由空间传播，然后在(r0,L]区间内再按受隧道壁限制的菲涅尔传播模型衰减，总的路径传播衰减值PL计算公式为：PL＝Max(PL0,PF)其中PL0为自由空间范围内传播的衰减值，由以下公式计算：PL0(dB)＝32.5+20logf(MHz)+20logd(km),(r0＜d≤L)其中，f为工作频率，PF为受隧道壁限制的菲涅尔传播衰减，由以下公式计算：PF(dB)＝-20log10(πF1max2/λ)+20log10(d-r0)+A，(r0＜d≤L)其中，A为衍射效率常数，取值范围为3-6dB，与隧道口径非标准圆及衍射路径长度有关；(2.2)对于弯曲隧道，电磁波在弯曲隧道内的衰减值Pc由以下公式计算：Pc(dB)＝-10log10(1-(L(2R))2)-10log10(4-(dL))，当h/2R＜＜1其中，R为隧道弯曲半径，L为内侧弯曲弧切线长度，h为隧道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道微波通信传输系统，其特征在于，包括设置在隧道内的隧道微基站系统(1)和设置在列车顶部的车载终端系统(2)；所述隧道微基站系统(1)包括支撑座架、天线、射频拉远单元、基带单元、核心网、网络服务器和电源；天线设置在支撑座架上，射频拉远单元与天线通过射频线缆连接，基带单元一端通过同轴线缆与射频拉远单元连接，另一端通过网线与核心网连接，核心网与网络服务器通过网线连接；隧道微基站系统(1)一方面用来与移动通信交换中心的MME/S‑GW进行交互，实现与外网连接，另一方面用来与车载终端系统(2)交互，对无线交互信号进行发送和接收处理；所述车载终端系统(2)包括天线座(16)、天线外罩(15)、GNSS天线(10)、车载天线(14)、车载变频模块(8)、GNSS和惯导组合的导航系统(12)、车载终端设备(9)、电子地图(13)、车载服务器(4)、电源模块和控制单元(11)；车载天线(14)和GNSS天线(10)安装在天线座(16)上，天线座(16)固定在列车车厢顶部外侧，车载变频模块(8)一端通过射频线缆与车载天线(14)连接，另一端通过同轴线缆与车载终端设备(9)连接，车载终端设备(9)的另一端通过网线与车载服务器(4)连接，GNSS天线(10)通过同轴线缆连接到车厢内的GNSS和惯导组合的导航系统(12)；车载终端系统(2)一方面用来与隧道微基站进行空中交互，另一方面为列车车厢内的用户提供WI‑FI服务。...

【技术特征摘要】
1.一种隧道微波通信传输系统，其特征在于，包括设置在隧道内的隧道微基站系统(1)和设置在列车顶部的车载终端系统(2)；所述隧道微基站系统(1)包括支撑座架、天线、射频拉远单元、基带单元、核心网、网络服务器和电源；天线设置在支撑座架上，射频拉远单元与天线通过射频线缆连接，基带单元一端通过同轴线缆与射频拉远单元连接，另一端通过网线与核心网连接，核心网与网络服务器通过网线连接；隧道微基站系统(1)一方面用来与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接，另一方面用来与车载终端系统(2)交互，对无线交互信号进行发送和接收处理；所述车载终端系统(2)包括天线座(16)、天线外罩(15)、GNSS天线(10)、车载天线(14)、车载变频模块(8)、GNSS和惯导组合的导航系统(12)、车载终端设备(9)、电子地图(13)、车载服务器(4)、电源模块和控制单元(11)；车载天线(14)和GNSS天线(10)安装在天线座(16)上，天线座(16)固定在列车车厢顶部外侧，车载变频模块(8)一端通过射频线缆与车载天线(14)连接，另一端通过同轴线缆与车载终端设备(9)连接，车载终端设备(9)的另一端通过网线与车载服务器(4)连接，GNSS天线(10)通过同轴线缆连接到车厢内的GNSS和惯导组合的导航系统(12)；车载终端系统(2)一方面用来与隧道微基站进行空中交互，另一方面为列车车厢内的用户提供WI-FI服务。2.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站系统的天线采用高增益定向天线。3.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站天线的波束平行于铁轨，并指向列车前进的方向。4.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站系统的数量为一个或多个。5.根据权利要求1-4之一所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站的安装方式为壁挂或垂挂。6.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述车载天线为高增益收发天线。7.一种基于权利要求1-6之一所述的隧道微波通信传输系统的隧道微波通信传输方法，其特征在于，该通信传输方法包括以下步骤：(1)隧道微基站系统(mTN)的核心网与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接；(2)射频拉远单元将基带单元信号转变成射频信号，通过隧道微基站系统的天线发送电磁波信号；(3)车载终端系统(VTS)的车载天线接收电磁波信号，车载变频模块将射频信号转换成车载终端设备所需要的基带信号；(4)车载终端设备连接到车厢内的WI-FI设备，向车厢内用户终端提供服务。8.根据权利要求7所述的隧道微波通信传输方法，其特征在于，通过以下计算步骤判断是否需要增设隧道微基站：首先，以第一个隧道微基站所处的隧道口处为距离基点，计算出电磁波以近似自由空间传播模式传播的第一区域和电磁波以受隧道壁限制的菲涅尔衍射模式传播的第二区域的分界点，即第一菲涅尔圆半径与隧道最大内切圆半径相等处，距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔君霞，金声震，庞峰，胡超，万庆涛，王兆瑞，高志勇，李建斌，
申请(专利权)人：中科凯普天津卫星导航通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12