基于射线跟踪技术的铁路5G专网定向天线对准方法

2023年12月13日发(作者：河南知名企业)

-

基于射线跟踪技术的铁路5G专网定向天线对准方法张望（中铁建电气化局集团第三工程有限公司，河北高碑店074000）摘要：未来铁路运输进入5G时代，为满足更高的传输速率、实现铁路特殊智能业务，必将采用更高频段的无线通信技术。为解决高频段电磁波高路损的问题，高增益定向天线将应用在未来高速铁路通信系统中，而天线朝向智能化将成为发展趋势。分析现有天线技术方案的不足，针对未来铁路移动通信5G专网的应用场景进行讨论，提出一种基于边缘云计算的射线跟踪仿真方法，实现高增益天线在高速移动场景中的实时对准，以实现大规模数据传输。关键词：铁路移动通信；5G；定向天线；射线跟踪；边缘云计算；MIMO中图分类号：U285文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）04-0136-04DOI：10.19549/.1001-683x.2021.04.1360引言以自动驾驶、虚拟联接、移动超清视频等新业务为代表的未来智能高铁，正在成为我国及世界铁路积极探索的核心交通技术。未来轨道交通无线通信除了需要满足传统的连续广域覆盖和成倍提高信息传输速率的要求外，还呈现出万物互联的趋势，带来数据量的迅猛增长。随着高铁的广泛部署和运行速度的提高，列车控制信号及时可靠传输及满足乘客移动互联网接入变得至关重要。在《铁路“十三五”发展规划》中作者简介：张望（1985—），男，总工程师，高级工程师。E-mail：****************已明确指出，现阶段必须推进铁路系统的智能化、现代化发展，加强信息的智能化建设，推动信息的综合集成应用，加快完善铁路行业与现代通信行业的交叉融合。为满足这些需求，用于铁路的专用移动通信系统正在从窄带通信系统（GSM-R）转向宽带通信系统，与GSM-R相比，5G系统可以提供更多服务［1-3］。3个主要方向：增强型移动宽带（eMBB）、大型机器类型2015年，国际电信联盟为新型5G应用场景定义了通信（mMTC）和超可靠低时延通信（uRLLC）。由于列车具有高密度乘客、高行驶速度和大量传感器，高速铁路可以被视为要求在上述3个方向均要发展的典型场景。在未来几年，随着全球最大5G测试网络在我国部署，并且有望很快实现全面商业化［4-5］，铁路移动通信-136-CHINARAILWAY2021/04基于射线跟踪技术的铁路5G专网定向天线对准方法张望将通过5G系统进一步增强。典型高速铁路通信场景见图1［4］。高速铁路通信场景通常被分为5类：车-地通信、车-车通信、车内通信、站内通信和地面基础设施间通信。下一代高铁移动通信业务将提供大量图像和视频服务，随着铁路通信服务的巨大变化，车-地通信网络智能化发展非常必要。作为异构集成网络，5G将与现有无线通信技术向后兼容，这意味着5G可以支持全部现有铁路服务。图1典型高速铁路通信场景1现有天线技术方案不足在现有天线技术方案中，GSM-R基站采用单方向性天线，天线波瓣朝向依据场强测试方案，采用低速轨道车或者人工测量，测试人员在现场沿着铁路沿线反复测量接收信号强度等数据，根据工程师经验和反复测量数据，人工调整天线朝向［6-8］。定向天线与全向天线相比，具有高增益、抗干扰性能好、通信距离远、保密性强等诸多优点，被广泛应用于点对点远距离大容量的通信系统中。但定向天线由于其方向性强、假设难度大，尤其是在具有相对运动、不断变化位置的动态高速铁路通信中，要时刻保持收发信机两端的天线对准是一大难题。目前，定向天线自动校准方法有步进跟踪校准、圆锥扫描跟踪校准、单脉冲单通道跟踪校准和坐标跟踪校准等。（1）步进跟踪校准设备简单、价格低廉，但发射端天线波束通过在目标方向周围不停摆动进行天线方向的校准，因此其天线波束不能一直停留在目标接收机方向上。（2）圆锥扫描跟踪校准是驱动天线在空间中做圆锥式扫描搜索空间信号功率，获得最大信号功率，但由于馈源永远偏离目标当前位置，因而CHINARAILWAY2021/04天线方向的自动校准滞后于目标接收机的运动位置。（3）单脉冲单通道跟踪校准的跟踪更新速度和精度比步进跟踪校准和圆锥扫描校准更高，但设备复杂。（4）坐标跟踪校准则需要预先知道收发信机互相对准的方位角和俯仰角，以及收发信机天线当前的方位角和俯仰角。依据这2组参数，通过执行天线控制单元控制天线指向对方。该方法原理简单、对准速度快，尤其是对于行程预先可知的高速铁路天线通用性强，但是仅通过坐标跟踪天线校准，不能修正地形和周围散射体对波瓣产生的变形偏移，不能修正天线方向使其接收信号最大化。2未来铁路专用移动通信系统天线对准方法未来铁路运输进入5G时代，为满足更高的传输速率、实现铁路特殊智能业务，必将采用更高频段的无线通信技术。为解决高频段电磁波高路损的问题，高增益定向天线将应用在未来高速铁路通信系统中，而天线朝向智能化将成为发展趋势。此外，与传统多发多收（MIMO）天线相比，5G核心技术大规模MIMO可以提供更多无线信道以支持更高的数据速率。借助云计算系统，MIMO联合波束赋形可将辐射能量集中在预期的方向上，自动校准天线方向，以最大程度减小干扰，并大大提升高速移动用户的数据传输速率。在此，将基于应用场景多样化的未来铁路通信，提出一种基于边缘云计算的射线跟踪仿真方法，实现未来铁路移动通信系统中的天线方向对准，以实现天线的智能化［9-11］。该方法通过实时仿真获得精确的信道信息，解决高频段电磁波传播过程中，由物理现象引起的自由空间路径损耗、散射造成的能量色散而严重影响高速铁路无线通信性能的问题。该方法总体技术路线见图2，主要涉及高速铁路场景的三维场景重建、基站边缘云计算、射线跟踪仿真器校正、实时自适应调整天线阵元对准天线方向。（1）第1阶段：在基站边缘云中预存高铁环境材料/位置信息模块，预载入相关信息。具体步骤如下：在边缘云的环境材料/位置信息模块中预载入目标高铁场景中N个基站的GPS信息（经纬度）和高度信息。-137-基于射线跟踪技术的铁路5G专网定向天线对准方法张望图2总体技术路线对于目标场景中各种典型结构体对应各种传播机制的关键电磁参数，预先进行萃取和理论性建模。载入根据大量测量数据获得的目标环境中各结构体表面材料的电磁参数信息，构建目标频段材料库。电磁参数包括材料表面的介电常数、材料表面粗糙度、材料粗糙度的去相关距离或散射指数、散射系数。其中，反射对应的传播模型是菲涅尔模型，对应材料介电常数；散射对应的传播模型是方向性散射模型，对应散射指数和散射系数。或者基尔霍夫散射模型，对应材料表面粗糙度及其去相关距离；绕射对应的传播模型是一致性绕射理论模型。主要结构体包括高速铁路运行过程中周围的声屏障、楼房、地面、树木、交通标识牌等（见图3）。图3高铁场景典型结构体材料库-138-（2）第2阶段：高速列车位置上报、激光点云和视觉数据重建三维场景模型。具体步骤如下：通过列车NGPS个基站的装置测得自身经纬度信息；列车根据目标场景中GPS信息判断自身与这些基站的位置距离，选取距离最近的基站进行上报位置信息。同时，上传列车在行驶中利用激光点云和视觉数据实时重建的路端三维场景几何信息；在边缘云中利用深度学习方法和视觉识别方法，识别场景中的结构体表面材质信息，映射到预先存储在云端的各种材料电磁参数信息。（3）第3阶段：利用边缘云计算进行射线跟踪实时仿真，得到准确的电波传播角度信息，实时调整天线的对准方向。其中，射线跟踪仿真在5G系统毫米波频段的传播模型指直射、反射、散射、绕射等电波传播模型。利用边缘云计算可以大幅降低业务时延，提高内容分发效率及提高高速列车无线信号的有效传输率。利用实时射线跟踪仿真结果，仿真时假设收发信机天线为全向天线，选取接收功率最强的来波方向，自适应调整高增益天线方向，使天线主波束方向对准目标列车接收方向，保障无线链路的相对稳定，同时避免由于多径效应产生的信号符号间干扰（ISI）影响通信质量。射线跟踪技术作为无线传播预测中的一项新技术，是光学射线技术在电磁计算领域中的应用，能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径，包括直射、反射、绕射、透射等，能够考虑到影响电波传播的各种因素，从而针对不同高铁具体场景都能做出准确预测。利用点云数据实时上传场景信息重构三维模型，通过边缘云计算实时进行射线跟踪仿真，能够得到准确、完整的三维信道信息，找到损耗最小传输路径，将天线方向对准该路径，实现5G系统的稳定连接。3结束语的需求，需要进一步发展为宽带通信系统。预计未来GSM-R已经远远不能满足未来铁路移动通信系统铁路通信系统5G专网将提供极具竞争力的功能，必将支持众多高数据速率的铁路服务。提出一种基于边缘云计算的实时射线跟踪仿真方法，实现车-地间通信天线对准的智能化技术，以实现大规模数据传输。CHINARAILWAY2021/04基于射线跟踪技术的铁路5G专网定向天线对准方法张望参考文献［1］王同军.铁路5G关键技术分析和发展路线［J］.中国铁路，2020（11）：1-9.［2］吴轲.高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展［J］.移动信息，2016（11）：35-36，39.［3］AIB，GUANK，RUPPM，railwayr⁃vices-orientedmobilecommunicationsnetwork［J］.IEEECommunMag，2015（10）：retechnologicaladvancementsinmobile［R］.［8］刑小琴.GSM-R直放站引起的多径时延扩展问题分析与解决［J］.中国铁路，2017（2）：51-54.［9］路晓彤.基于高性能射线跟踪的GSM-R高精度网络优化技术研究［J］.中国铁路，2020（7）：136-142.［10］北京中铁建电气化设计研究院有限公司，北京交通大学，中国铁建电气化局集团有限公司.基于机器学习和射线跟踪的高铁网络覆盖预测方法及装置：2.2［P］.2020-06-05.［11］北京中铁建电气化设计研究院有限公司，北京交通大学，中国铁建电气化局集团有限公司.高铁网络定向天线的对准方法、装置和电子设备：2.3［P］.2020-06-30.［4］tanding5G：Perspectives［5］GUANK，LIGK，KUERNERT，ime⁃terwaveandTHzmobileradiochannelforsmartrailmobility［J］.IEEETransactionsonVehicularTechnol⁃［6］杨帆，丁珣.高速铁路GSM-R网络优化过程研究［J］.铁路通信信号，2013（7）：64-67.［7］杨帆.GSM-R网络基站直放站共同覆盖区多径干扰问题研究［J］.中国铁路，2018（4）：，2017（7）：5658-5674.责任编辑卢敏收稿日期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-

-