基于射線跟蹤技術的鐵路5G專網定向天線對準方法

2023年12月13日發(作者：河南知名企業)

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基于射線跟蹤技術的鐵路5G專網定向天線對準方法張望（中鐵建電氣化局集團第三工程有限公司，河北高碑店074000）摘要：未來鐵路運輸進入5G時代，為滿足更高的傳輸速率、實現鐵路特殊智能業務，必將采用更高頻段的無線通信技術。為解決高頻段電磁波高路損的問題，高增益定向天線將應用在未來高速鐵路通信系統中，而天線朝向智能化將成為發展趨勢。分析現有天線技術方案的不足，針對未來鐵路移動通信5G專網的應用場景進行討論，提出一種基于邊緣云計算的射線跟蹤仿真方法，實現高增益天線在高速移動場景中的實時對準，以實現大規模數據傳輸。關鍵詞：鐵路移動通信；5G；定向天線；射線跟蹤；邊緣云計算；MIMO中圖分類號：U285文獻標識碼：A文章編號：1001-683X（2021）04-0136-04DOI：10.19549/.1001-683x.2021.04.1360引言以自動駕駛、虛擬聯接、移動超清視頻等新業務為代表的未來智能高鐵，正在成為我國及世界鐵路積極探索的核心交通技術。未來軌道交通無線通信除了需要滿足傳統的連續廣域覆蓋和成倍提高信息傳輸速率的要求外，還呈現出萬物互聯的趨勢，帶來數據量的迅猛增長。隨著高鐵的廣泛部署和運行速度的提高，列車控制信號及時可靠傳輸及滿足乘客移動互聯網接入變得至關重要。在《鐵路“十三五”發展規劃》中作者簡介：張望（1985—），男，總工程師，高級工程師。E-mail：****************已明確指出，現階段必須推進鐵路系統的智能化、現代化發展，加強信息的智能化建設，推動信息的綜合集成應用，加快完善鐵路行業與現代通信行業的交叉融合。為滿足這些需求，用于鐵路的專用移動通信系統正在從窄帶通信系統（GSM-R）轉向寬帶通信系統，與GSM-R相比，5G系統可以提供更多服務［1-3］。3個主要方向：增強型移動寬帶（eMBB）、大型機器類型2015年，國際電信聯盟為新型5G應用場景定義了通信（mMTC）和超可靠低時延通信（uRLLC）。由于列車具有高密度乘客、高行駛速度和大量傳感器，高速鐵路可以被視為要求在上述3個方向均要發展的典型場景。在未來幾年，隨著全球最大5G測試網絡在我國部署，并且有望很快實現全面商業化［4-5］，鐵路移動通信-136-CHINARAILWAY2021/04基于射線跟蹤技術的鐵路5G專網定向天線對準方法張望將通過5G系統進一步增強。典型高速鐵路通信場景見圖1［4］。高速鐵路通信場景通常被分為5類：車-地通信、車-車通信、車內通信、站內通信和地面基礎設施間通信。下一代高鐵移動通信業務將提供大量圖像和視頻服務，隨著鐵路通信服務的巨大變化，車-地通信網絡智能化發展非常必要。作為異構集成網絡，5G將與現有無線通信技術向后兼容，這意味著5G可以支持全部現有鐵路服務。圖1典型高速鐵路通信場景1現有天線技術方案不足在現有天線技術方案中，GSM-R基站采用單方向性天線，天線波瓣朝向依據場強測試方案，采用低速軌道車或者人工測量，測試人員在現場沿著鐵路沿線反復測量接收信號強度等數據，根據工程師經驗和反復測量數據，人工調整天線朝向［6-8］。定向天線與全向天線相比，具有高增益、抗干擾性能好、通信距離遠、保密性強等諸多優點，被廣泛應用于點對點遠距離大容量的通信系統中。但定向天線由于其方向性強、假設難度大，尤其是在具有相對運動、不斷變化位置的動態高速鐵路通信中，要時刻保持收發信機兩端的天線對準是一大難題。目前，定向天線自動校準方法有步進跟蹤校準、圓錐掃描跟蹤校準、單脈沖單通道跟蹤校準和坐標跟蹤校準等。（1）步進跟蹤校準設備簡單、價格低廉，但發射端天線波束通過在目標方向周圍不停擺動進行天線方向的校準，因此其天線波束不能一直停留在目標接收機方向上。（2）圓錐掃描跟蹤校準是驅動天線在空間中做圓錐式掃描搜索空間信號功率，獲得最大信號功率，但由于饋源永遠偏離目標當前位置，因而CHINARAILWAY2021/04天線方向的自動校準滯后于目標接收機的運動位置。（3）單脈沖單通道跟蹤校準的跟蹤更新速度和精度比步進跟蹤校準和圓錐掃描校準更高，但設備復雜。（4）坐標跟蹤校準則需要預先知道收發信機互相對準的方位角和俯仰角，以及收發信機天線當前的方位角和俯仰角。依據這2組參數，通過執行天線控制單元控制天線指向對方。該方法原理簡單、對準速度快，尤其是對于行程預先可知的高速鐵路天線通用性強，但是僅通過坐標跟蹤天線校準，不能修正地形和周圍散射體對波瓣產生的變形偏移，不能修正天線方向使其接收信號最大化。2未來鐵路專用移動通信系統天線對準方法未來鐵路運輸進入5G時代，為滿足更高的傳輸速率、實現鐵路特殊智能業務，必將采用更高頻段的無線通信技術。為解決高頻段電磁波高路損的問題，高增益定向天線將應用在未來高速鐵路通信系統中，而天線朝向智能化將成為發展趨勢。此外，與傳統多發多收（MIMO）天線相比，5G核心技術大規模MIMO可以提供更多無線信道以支持更高的數據速率。借助云計算系統，MIMO聯合波束賦形可將輻射能量集中在預期的方向上，自動校準天線方向，以最大程度減小干擾，并大大提升高速移動用戶的數據傳輸速率。在此，將基于應用場景多樣化的未來鐵路通信，提出一種基于邊緣云計算的射線跟蹤仿真方法，實現未來鐵路移動通信系統中的天線方向對準，以實現天線的智能化［9-11］。該方法通過實時仿真獲得精確的信道信息，解決高頻段電磁波傳播過程中，由物理現象引起的自由空間路徑損耗、散射造成的能量色散而嚴重影響高速鐵路無線通信性能的問題。該方法總體技術路線見圖2，主要涉及高速鐵路場景的三維場景重建、基站邊緣云計算、射線跟蹤仿真器校正、實時自適應調整天線陣元對準天線方向。（1）第1階段：在基站邊緣云中預存高鐵環境材料/位置信息模塊，預載入相關信息。具體步驟如下：在邊緣云的環境材料/位置信息模塊中預載入目標高鐵場景中N個基站的GPS信息（經緯度）和高度信息。-137-基于射線跟蹤技術的鐵路5G專網定向天線對準方法張望圖2總體技術路線對于目標場景中各種典型結構體對應各種傳播機制的關鍵電磁參數，預先進行萃取和理論性建模。載入根據大量測量數據獲得的目標環境中各結構體表面材料的電磁參數信息，構建目標頻段材料庫。電磁參數包括材料表面的介電常數、材料表面粗糙度、材料粗糙度的去相關距離或散射指數、散射系數。其中，反射對應的傳播模型是菲涅爾模型，對應材料介電常數；散射對應的傳播模型是方向性散射模型，對應散射指數和散射系數。或者基爾霍夫散射模型，對應材料表面粗糙度及其去相關距離；繞射對應的傳播模型是一致性繞射理論模型。主要結構體包括高速鐵路運行過程中周圍的聲屏障、樓房、地面、樹木、交通標識牌等（見圖3）。圖3高鐵場景典型結構體材料庫-138-（2）第2階段：高速列車位置上報、激光點云和視覺數據重建三維場景模型。具體步驟如下：通過列車NGPS個基站的裝置測得自身經緯度信息；列車根據目標場景中GPS信息判斷自身與這些基站的位置距離，選取距離最近的基站進行上報位置信息。同時，上傳列車在行駛中利用激光點云和視覺數據實時重建的路端三維場景幾何信息；在邊緣云中利用深度學習方法和視覺識別方法，識別場景中的結構體表面材質信息，映射到預先存儲在云端的各種材料電磁參數信息。（3）第3階段：利用邊緣云計算進行射線跟蹤實時仿真，得到準確的電波傳播角度信息，實時調整天線的對準方向。其中，射線跟蹤仿真在5G系統毫米波頻段的傳播模型指直射、反射、散射、繞射等電波傳播模型。利用邊緣云計算可以大幅降低業務時延，提高內容分發效率及提高高速列車無線信號的有效傳輸率。利用實時射線跟蹤仿真結果，仿真時假設收發信機天線為全向天線，選取接收功率最強的來波方向，自適應調整高增益天線方向，使天線主波束方向對準目標列車接收方向，保障無線鏈路的相對穩定，同時避免由于多徑效應產生的信號符號間干擾（ISI）影響通信質量。射線跟蹤技術作為無線傳播預測中的一項新技術，是光學射線技術在電磁計算領域中的應用，能夠準確地考慮到電磁波的各種傳播途徑，包括直射、反射、繞射、透射等，能夠考慮到影響電波傳播的各種因素，從而針對不同高鐵具體場景都能做出準確預測。利用點云數據實時上傳場景信息重構三維模型，通過邊緣云計算實時進行射線跟蹤仿真，能夠得到準確、完整的三維信道信息，找到損耗最小傳輸路徑，將天線方向對準該路徑，實現5G系統的穩定連接。3結束語的需求，需要進一步發展為寬帶通信系統。預計未來GSM-R已經遠遠不能滿足未來鐵路移動通信系統鐵路通信系統5G專網將提供極具競爭力的功能，必將支持眾多高數據速率的鐵路服務。提出一種基于邊緣云計算的實時射線跟蹤仿真方法，實現車-地間通信天線對準的智能化技術，以實現大規模數據傳輸。CHINARAILWAY2021/04基于射線跟蹤技術的鐵路5G專網定向天線對準方法張望參考文獻［1］王同軍.鐵路5G關鍵技術分析和發展路線［J］.中國鐵路，2020（11）：1-9.［2］吳軻.高速鐵路移動通信系統關鍵技術的演進與發展［J］.移動信息，2016（11）：35-36，39.［3］AIB，GUANK，RUPPM，railwayr?vices-orientedmobilecommunicationsnetwork［J］.IEEECommunMag，2015（10）：retechnologicaladvancementsinmobile［R］.［8］刑小琴.GSM-R直放站引起的多徑時延擴展問題分析與解決［J］.中國鐵路，2017（2）：51-54.［9］路曉彤.基于高性能射線跟蹤的GSM-R高精度網絡優化技術研究［J］.中國鐵路，2020（7）：136-142.［10］北京中鐵建電氣化設計研究院有限公司，北京交通大學，中國鐵建電氣化局集團有限公司.基于機器學習和射線跟蹤的高鐵網絡覆蓋預測方法及裝置：2.2［P］.2020-06-05.［11］北京中鐵建電氣化設計研究院有限公司，北京交通大學，中國鐵建電氣化局集團有限公司.高鐵網絡定向天線的對準方法、裝置和電子設備：2.3［P］.2020-06-30.［4］tanding5G：Perspectives［5］GUANK，LIGK，KUERNERT，ime?terwaveandTHzmobileradiochannelforsmartrailmobility［J］.IEEETransactionsonVehicularTechnol?［6］楊帆，丁珣.高速鐵路GSM-R網絡優化過程研究［J］.鐵路通信信號，2013（7）：64-67.［7］楊帆.GSM-R網絡基站直放站共同覆蓋區多徑干擾問題研究［J］.中國鐵路，2018（4）：，2017（7）：5658-5674.責任編輯盧敏收稿日期2021-03-02ZHANGWang(The3rdEngineeringCoLtdofChinaRailwayConstructionElectrificationBureauGroup,GaobeidianHebei074000,China)Abstract:rtoachieveahighertransmissionrateandrealizethespecializedandintelligentrailwayrvices,theradiocommunlvetheissueofhighpathlossofhigh-frequencyelectromagneticwaves,thehigh-gaindirectionalantennawillbeudinthefutureHSRcommunicationsystem,peranalyzestheshortcomingsoftheexistingtechnicalschemeofantenna,discusstheapplicationscenariosof5Gprivatenetworkforrailwaymobilecommunicationinthefuture,andproposaraytracingsimulationmethodbadonedgecloudcomputing,andalsoamethodthatenablesthereal-timealignmentofthehigh-gainantennaasthetrainrunsatahighspeed,ds:railwaymobilecommunication;5G;directionalantenna;raytracing;edgecloudcomputing;MIMOCHINARAILWAY2021/04-139-

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