一种交通通信系统及方法
阅读说明：本技术 一种交通通信系统及方法 (Traffic communication system and method ) 是由 冯江华 张泰然 唐军 粟荡 全清华 王大君 蒋国涛 陆琦 周学勋 任懋华 于 2018-06-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种交通通信系统及方法,包括：位于地面的FSO基站,车载FSO,支持FSO通信的飞行设备,用户终端；所述车载FSO利用所述飞行设备与所述FSO基站建立通信连接；所述飞行设备的飞行速度和所述车载FSO载体的运行速度之差小于预设差值；所述用户终端通过所述车载FSO与所述FSO基站进行通信。本发明所提供的系统及方法,消除了车辆与地面基站之间FSO光链路的物体遮挡,从而扩大了车辆与地面间FSO的通信间距。(The invention discloses a traffic communication system and a method, comprising the following steps: the system comprises an FSO base station positioned on the ground, a vehicle-mounted FSO, flight equipment supporting FSO communication and a user terminal; the vehicle-mounted FSO establishes communication connection with the FSO base station by using the flight equipment; the difference between the flying speed of the flying equipment and the running speed of the vehicle-mounted FSO carrier is smaller than a preset difference value; and the user terminal communicates with the FSO base station through the vehicle-mounted FSO. The system and the method provided by the invention eliminate the object shielding of the FSO optical link between the vehicle and the ground base station, thereby enlarging the communication distance of the FSO between the vehicle and the ground.)
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种交通通信系统及方法。
背景技术
现有的轨道交通FSO通信方案中，列车上的FSO一般直接与轨旁地面基站的FSO进行点对点视距(Line of Sight，LOS)通信。由于轨道经常存在弯曲(列车转弯)以及轨旁环境复杂(树叶或电线杆)等原因，很容易出现车地FSO的LOS之间存在障碍物遮挡的情况，从而导致光链路收发中断，影响通信的稳定。为了实现列车与地面基站的连续通信，现有方案需要沿着轨道架设大量密集的基站，才能实现无缝的覆盖整个轨道，但过度频繁的漫游切换也是危及列车提供稳定宽带互联网服务的主要因素之一，因为在列车行进过程中，列车需要不断地同新基站进行握手协商和建立连接，车地FSO在信号切换过程中存在通信暂时中断的风险，这无疑对连续稳定的无线通信是有影响的。而列车的速度和切换的频繁度是成正比关系，因此高速列车(例如中国350km时速的复兴号)更有可能面临FSO通信性能不稳定及数据速率受限的风险。
近年来，一些用于铁路无线通信的的方案虽然已被提出，然而这些方案的通信速率都比较有限，例如：基于漏电同轴电缆的列车通信技术的通信数据速率过低(最大速率为768kps)，根本无法满足大数据量的网络通信带宽需求。基于WiMax、WLAN的架构也只能为列车提供几十Mbps以下的无线通信。基于卫星链路的技术手段由于通信时延、速率、稳定性、成本等问题，也不适合为列车提供多媒体宽带业务。
综上所述可以看出，如何车与地面间的FSO通信间距增加是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种交通通信系统及方法，已解决现有技术中，列车与地面间FSO通信间距短，导致基站密度过大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种交通通信系统，包括：位于地面的FSO基站，车载FSO，支持FSO通信的飞行设备，用户终端；所述车载FSO利用所述飞行设备与所述FSO基站建立通信连接；所述飞行设备的飞行速度和所述车载FSO载体的运行速度之差小于预设差值；所述用户终端通过所述车载FSO与所述FSO基站进行通信。
优选地，所述飞行设备有两个时：
所述第一飞行设备利用FSO通信技术使第一车载FSO与第N个FSO基站进行通信连接；
所述第二飞行设备利用所述FSO通信技术使第二车载FSO与第N+1个FSO基站进行通信连接；
其中，所述用户终端通过所述第一车载FSO与所述第N个FSO基站完成通信前，完成所述第二飞行设备与所述第二车载FSO和所述第N+1个FSO基站间的链路连接；
所述用户终端通过所述第二车载FSO与所述第N+1个FSO基站完成通信前，完成所述第二飞行设备与所述第二车载FSO和所述第N+2个FSO基站间的链路连接。
优选地，所述第一飞行设备利用FSO通信技术使第一车载FSO与第N个FSO基站进行连接包括：
当所述用户终端需要与所述第N个FSO基站建立通信连接时，所述第一车载FSO的第一镜头向所述第一飞行设备的第一镜头发射激光，从而使所述第一车载FSO的第一镜头和所述第一飞行设备相连接；
所述第一飞行设备的第二镜头和所述第N个FSO基站进行链路连接，从而使所述用户终端通过所述第一车载FSO与所述第N个FSO基站进行通信。
优选地，还包括：依据所述飞行设备充电所需时长，设置的预设个数的处于充电待命状态的备用飞行设备，所述备用飞行设备用于替换处于低电量状态的所述飞行设备。
优选地，包括第一备用飞行设备和第二备用飞行设备；
当所述第一飞行设备和所述第二飞行设备的电量低于所述预设阈值时，所述第一备用飞行设备和所述第二备用飞行设备从充电区域升起；
在所述第一飞行设备和所述第二飞行设备下降至所述充电区域前，所述第一备用飞行设备的第一镜头与所述第一车载FSO的第二镜头连接，所述第一备用飞行设备的第二镜头与所述第N个FSO基站连接；
所述第二备用飞行设备的第一镜头与所述第二车载FSO的第二镜头连接，所述第二备用飞行设备的第二镜头与所述第N+1个FSO基站连接。
优选地，所述用户终端与所述车载FSO通过无线接入点连接。
优选地，所述飞行设备根据当前外界因素利用AI技术，自动调整自身的飞行高度、角度和路径。
本发明还提供了一种交通通信的方法，应用于交通通信系统，包括：利用支持FSO通信技术的飞行设备，使车载FSO和位于地面上的FSO基站建立通信连接；所述飞行设备的飞行速度和所述车载FSO载体的运行速度之差小于预设差值；通过所述车载FSO，所述用户终端与所述FSO基站进行通信。
优选地，所述飞行设备有两个时：
所述第一飞行设备利用FSO通信技术使第一车载FSO与第N个FSO基站进行通信连接；
所述第二飞行设备利用所述FSO通信技术使第二车载FSO与第N+1个FSO基站进行通信连接；
其中，所述用户终端通过所述第一车载FSO与所述第N个FSO基站完成通信前，完成所述第二飞行设备与所述第二车载FSO和所述第N+1个FSO基站间的链路连接；
所述用户终端通过所述第二车载FSO与所述第N+1个FSO基站完成通信前，完成所述第二飞行设备与所述第二车载FSO和所述第N+2个FSO基站间的链路连接。
优选地，所述第一飞行设备利用FSO通信技术使第一车载FSO与第N个FSO基站进行连接包括：
当所述用户终端需要与所述第N个FSO基站建立通信连接时，所述第一车载FSO的第一镜头向所述第一飞行设备的第一镜头发射激光，从而使所述第一车载FSO的第一镜头和所述第一飞行设备相连接；
所述第一飞行设备的第二镜头和所述第N个FSO基站进行链路连接，从而使所述用户终端通过所述第一车载FSO与所述第N个FSO基站进行通信。
本发明所提供的交通通信系统，包括位于地面的FSO基站，车载FSO，支持FSO通信的飞行设备。本发明利用支持FSO通信技术的飞行设备，使所述车载FSO和所述FSO基站建立通信连接，从而使用户终端可以通过车载FSO和所述FSO基站进行通信连接。本发明所提供的交通通信系统，利用飞行设备建立车载FSO和FSO基站间的通信连接，消除了车辆与地面基站之间FSO光链路的物体遮挡，从而扩大了列车与地面间FSO的通信间距，在避免了车地间频繁的漫游切换的同时，减少了轨道沿线FSO基站的架设数量，降低了基站建设维护难度和节约了投资成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种交通通信系统的第一种具体实施例的流程图；
图2为本发明所提供的一种交通通信系统的第二种具体实施例的结构示意图；
图3为本发明所提供的一种交通通信系统的第三种具体实施例的结构示意图；
图4为备用飞行设备进行工作时交通通信系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种交通通信的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种交通通信系统与方法，扩大了列车与地面间FSO的通信间距。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种交通通信系统的第一种具体实施例的结构示意图；本实施例所提供的交通通信系统包括：位于地面的FSO基站，车载FSO，支持FSO通信的飞行设备，用户终端。所述飞行设备的飞行速度和所述车载FSO载体的运行速度之差小于预设差值；即所述飞行设备在一定速度差值范围内，与所述车载FSO载体保持相对静止的状态。
所述FSO(Free Space Optics，自由空间光)通信技术，用载频更高的光作为信息载体来取代射频/微波链路，是一种非常具有前景的无线通信技术。光谱的高带宽具有高数据速率、超过300GHz的频谱免费自由不受限，高安全性，易部署等优点。在本实施例中所述车载FSO、所述FSO基站和所述支持FSO通信的飞行设备，都具有捕获、跟踪、对准(Acquisition,Tracking，Pointing，ATP)功能，满足在运动状态下，FSO收发端之间的光信号链路的稳定。
本实施例所提供的交通通信系统中的车载FSO可以应用于列车交通轨道中，也可以应用于大巴车的交通通信系统，还可以应用于出租车等小型汽车的交通通信中；可以为列车、大巴车、出租车等交通工具内的乘客提供无线网络服务。在本实施例中，以列车的轨迹交通通信系统为例进行具体说明。
利用支持FSO通信技术的飞行设备分别与所述车载FSO以及FSO基站建立通信连接，以便于车载FSO和所述FSO基站之间可以进行通信连接，从而使所述列车上的用户终端通过所述车载FSO与所述FSO基站进行通信。所述列车上的无线接入点用于在所述FSO基站和用户移动终端之间中继数据。当列车沿着轨道行驶时，只有车顶的FSO收发器需要执行基站切换过程，而车内的用户始终处于所述无线接入点的覆盖范围内。
在本实施例中，所述飞行设备会根据列车行进速度、周围地势环境、天气情况等因素；利用AI等技术自动调整其飞行高度、角度、路径等，在保证ATP对光信号捕获对准和FSO正常稳定通信的同时，优化电量分配和躲避飞行障碍。
所述飞行设备可以为支持所述FSO通信技术的无人机UAV等其他具有飞行悬浮功能的设备。
由于所述飞行设备的供能装置不同，在所述交通通系统中，所需所述飞行设备的数量也不同。在本实施例中，可以认为所述飞行设备是具有可持续供能装置的飞行设备，如通过太阳能，风能，或者多种供能方式结合为所述飞行设备提供续航能力。
本实施例所提供的交通通信系统，通过支持FSO通信的飞行设备作为车载FSO和FSO基站之间的桥接，利用了所述飞行设备位于高空，在LOS范围内视野好、无遮挡的特性。因此，位于地面上FSO基站和所述车载FSO之间的通信间距可以被有效扩大，从而使地面上FSO基站之间的设置间距有效扩大。且随着飞行高度和ATP精度的提升，所述FSO基站间距还有进一步被扩大的空间，这将大大减少轨道沿线FSO基站的数量，从而降低基站建设维护的难度和投资的成本。
基于上述实施例，在所述飞行设备为可持续供能的飞行设备时，为了在飞行设备出现故障时，本实施例中所提供的交通通信系统仍可实现无缝的基站切换，消除切换延时对用户终端通信带来的影响，保证通信的连续性，至少在所述交通通信系统中设置两个支持FSO的飞行设备。可以请参考图2，图2为本发明所提供的一种交通通信系统的第二种具体实施例的结构示意图。
在本实施例中，所述飞行设备和所述车载FSO至少有两个镜头，其中一个镜头用于和车载FSO对准通信，另一个用于和位于地面上FSO基站对准通信。
所述飞行设备有两个时，当所述用户终端需要与所述第N个FSO基站建立通信连接时，所述第一车载FSO的第一镜头向所述第一飞行设备的第一镜头发射激光，从而使所述第一车载FSO的第一镜头和所述第一飞行设备的第一镜头相连接；所述第一飞行设备的第二镜头和所述第N个FSO基站进行链路连接，从而使所述用户终端通过所述第一车载FSO与所述第N个FSO基站进行通信。
当所述用户终端需要与所述第N+1个FSO基站建立通信连接时，所述第二车载FSO的第一镜头向所述第二飞行设备的第一镜头发射激光，从而使所述第二车载FSO的第一镜头和所述第二飞行设备的第一镜头相连接；所述第二飞行设备的第二镜头和所述第N+1个FSO基站进行链路连接，从而使所述用户终端通过所述第二车载FSO与所述第N+1个FSO基站进行通信。
需要说明的是，除了所述车载FSO通过激光与所述飞行设备建立连接关系，所述飞行设备通过激光与所述FSO基站连接关系外，所述车载FSO、所述飞行设备和所述FSO基站还可以通过可见光传输建立通信链接。
其中，所述用户终端通过所述第一车载FSO与所述第N个FSO基站完成通信前，完成所述第二飞行设备与所述第二车载FSO和所述第N+1个FSO基站间的链路连接；所述用户终端通过所述第二车载FSO与所述第N+1个FSO基站完成通信前，完成所述第二飞行设备与所述第二车载FSO和所述第N+2个FSO基站间的链路连接，如此循环反复。
本实施例所提供的交通通信系统至少包括两个支持FSO通信的飞行设备以及至少两个车载FSO，可以实现无缝的基站切换，从而保证了列车在行驶过程中得到连续稳定的通信服务。
基于上述实施例，在本实施例中，若所述飞行设备为可充电的飞行设备时，为了可以实现无缝切换的通信链接，本实施例所提供的交通通信系统在具体两个飞行设备之外，还包括预设数量的用于替换处于低电量状态飞行设备的备用飞行设备。所述备用飞行设备的数量可根据所述飞行设备充电所需时长设置。请参考图3和图4，图3为本发明所提供的一种交通通信系统的第三种具体实施例的结构示意图；图4为备用飞行设备进行工作时交通通信系统的结构示意图。
在本实施例中，设置两个备用飞行设备。当所述第一飞行设备和所述第二飞行设备的电量低于所述预设阈值时，所述第一备用飞行设备和所述第二备用飞行设备从充电区域升起；在所述第一飞行设备和所述第二飞行设备下降至所述充电区域前，所述第一备用飞行设备的第一镜头与所述第一车载FSO的第二镜头连接，所述第一备用飞行设备的第二镜头与所述第N个FSO基站连接；所述第二备用飞行设备的第一镜头与所述第二车载FSO的第二镜头连接，所述第二备用飞行设备的第二镜头与所述第N+1个FSO基站连接。
由于基站的间距得到了很大的扩展，列车与一个基站需要保持长时间的通信，但为了实现无缝的基站切换，需要尽可能的减少切换次数的本实施例中的飞行设备为可充电的飞行设备。因此本实施例所提供的交通通信系统中，至少包括两个飞行设备，两个车载FSO以及预设个数的备用飞行设备；从而是因频繁切换引起的开销、延迟、以及速率等问题都得到了有效解决，保证了通信的可靠性、连续性、高速率等通信性能。
本实施例所提供的交通通信系统，消除了列车与地面基站之间FSO光链路的物体遮挡，从而扩大了列车与地面间FSO的通信间距；在避免了车地间频繁的漫游切换的同时，减少了轨道沿线FSO基站的架设数量，降低了基站建设维护难度和节约了投资成本。
请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种交通通信的方法的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S501：利用支持FSO通信技术的飞行设备，使车载FSO和位于地面上的FSO基站建立通信连接；所述飞行设备的飞行速度和所述车载FSO载体的运行速度之差小于预设差值；
步骤S502：通过所述车载FSO，所述用户终端与所述FSO基站进行通信。
本实施例所提供的交通通信的方法用于实现前述的交通通信系统，因此交通通信的方法中的具体实施方式可见前文中的交通通信系统的实施例部分，在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的交通通信系统以及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。