長期演進技術在城市軌道交通乘客信息系統中的應用

熊棟宇(中鐵二院工程集團有限責任公司地鐵院,610031,成都//工程師)

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長期演進技術在城市軌道交通乘客信息系統中的應用

熊棟宇
(中鐵二院工程集團有限責任公司地鐵院,610031,成都//工程師)

摘 要基于LTE(長期演進)技術車地無線通信,就乘客信息系統的業務,深入討論了系統覆蓋、時鐘同步、區間隧道切換、天線模式等方案。并在此基礎上,建立了系統測試環境。測試結果表明:LTE無線傳輸可很好地承載乘客信息系統的各種業務,具有較好的實用價值。

關鍵詞城市軌道交通;時分長期演進技術;乘客信息系統

Author′s address China Ralway Eyuan Engineering Group Co.,Ltd.,610031,Chengdu,China

分時長期演進(Time Division Long Term Evolution簡為,TD-LTE)技術是3 G(第三代移動通信技術)的演進[1],作為3 G與4 G(第四代移動通信技術)技術之間的一個過渡(又稱為3.9 G標準),采用OFDM(正交頻分復用)和OFDMA(正交頻分多址)技術改進并增強了3 G的空中接口,使移動用戶設備可以更高的傳輸速率、更低的傳輸延時接入到核心網,并支持廣域覆蓋、高速切換、端到端的QoS(服務質量)以及多媒體廣播多播業務等。2015年2月,TD-LTE車地無線通信在杭州地鐵4號線乘客信息系統首次實現了國內城市軌道交通的商用運營,在此分享一下系統應用方案。

1　乘客信息系統的需求及業務

1.1需求分析

乘客信息系統(PIS)是依托多媒體網絡技術,通過布設在控制中心與各車站的有線網絡、列車與軌旁的無線網絡以及車輛上的有線網絡、實現線路控制中心、車站、車輛之間的音視頻、圖像以及文字等信息雙向傳輸的系統。通過設置在站廳、站臺、列車客室的LCD(液晶顯示屏)顯示終端以及出入口的LED(發光二極管)顯示終端,乘客可及時準確地了解列車運營信息和公共媒體信息。同時在車輛內、外設置監控攝像機,并通過車地無線網絡實時地把現場圖像情況上傳到調度大廳和地鐵公安分局的指揮大屏,實現運營和公安人員的統一指揮和調度。為了給上、下車乘客提供連貫、實時和高質量的視頻信息服務,乘客信息系統需要提供足夠的有線網絡和無線網絡帶寬。

1.2乘客信息系統的業務

乘客信息系統的業務信息分為上傳信息和下傳信息兩個部分。上傳信息包含車輛視頻監控圖像和車輛狀態信息,下傳信息包含直播流媒體信息和運營文本信息。具體帶寬分析如下:

(1)在線運營列車通過車地無線網絡上傳至控制中心服務器的實時視頻,按H.264編碼方式、720 P高清視頻同時傳2路考慮,每路視頻2 Mbit/s帶寬。

(2)在線運營列車通過車地無線網絡傳向控制中心服務器的車輛狀態信息,帶寬按1路200 Kbit/s考慮。

(3)控制中心服務器通過車地無線網絡下載到列車的實時直播流媒體視頻按1路標清設計,帶寬按最小4 Mbit/s計算;控制中心服務器通過有線網絡下傳到車站的實時直播流媒體信息按1路高清設計,帶寬按8 Mbit/s計算。

(4)控制中心服務器通過車地無線網絡下傳到列車的運營文本信息按1 Mbit/s考慮。

綜上分析可知,每列車上傳實際信息最小帶寬約為4.2 Mbit/s,考慮2 Mbit/s的帶寬余量,則要求上行帶寬約為6.2 Mbit/s。每列車接收實際信息最小帶寬約為5 Mbit/s,考慮2 Mbit/s的帶寬余量,則要求下行帶寬約為7 Mbit/s。按34座車站,最大76列列車配置計算,乘客信息系統有線網絡最大需要承載帶寬約為554.2 Mbit/s,可見,千兆帶寬的有線網完全滿足實際業務需求,瓶頸在于車地無線網線能否提供足夠的、穩定的傳輸帶寬。

2　系統構成及覆蓋方案

杭州地鐵4號線PIS車-地無線通信系統由無線核心網、BBU(基帶處理單元)、軌旁無線設備RRU(射頻拉遠單元)、TAU(無線車載終端)以及漏纜等組成。根據城市軌道交通運輸的特點,無線核心網放置在控制中心機房內,BBU設置在車站和停車場的通信機房內,RRU布設在區間隧道或設備房墻壁上,并通過POI(多系統接入平臺)接入區間和站臺區的漏纜,RRU與BBU之間采用光纖直連方式(見圖1)。PIS車-地無線系統的無線場強覆蓋范圍包括全線各車站的站臺及區間隧道,以及停車場運用庫區域。

(1)正線軌旁主要采用RRU+漏纜進行無線覆蓋,其中漏纜為LTE和專用無線TETRA(陸上集群無線電)系統合用。

(2)停車場主要采用RRU+室內定向天線進行無線覆蓋。

圖1　LTE車地無線通信系統構成圖

3　系統解決方案

3.1頻段使用方案

根據工信部無函[2003]408號文件《關于擴展1 800 MHz無線接入系統使用頻段的通知》,城市軌道交通TD-LTE系統采用1.8 G頻段(1 785～1 805 MHz)用于“TDD(時分雙工)無線接入”(見圖2)。

目前,地下車站站臺和隧道區,移動運營商無需覆蓋GSM 1 800信號,話務量完全滿足使用要求,因此地下區間隧道TD-LTE可使用20 M全頻段;地面部分,為減小系統間干擾,TD-LTE采用15 MHz (1 785～1 800 MHz),其中1 800～1 805 MHz頻段作為TD-LTE與GSM 1800系統間的保護頻段。

圖2　無線頻段分配圖

3.2系統覆蓋方案和切換分析

3.2.1切換分析

切換階段包含切換遲滯區、切換測量區和切換執行區3個階段(見圖3)。切換遲滯,即從源小區切換至目標小區時,目標小區RSRP(參考信號接收功率)高于源小區RSRP的程度。在正線區間,切換門限一般取為2 d B。切換測量區,即切換的測量上報區。切換執行區,即從物理信道重配指令下發到完成的區域。隧道內列車最大速度取80 km/h,測量時長和切換時延一般為150 ms以內,保守起見,時延取500 ms;1-5/8"漏纜傳輸損耗取3.8 d B/100 m。根據切換帶的計算公式:切換帶距離= 2 d B/漏纜每米損耗+2(測量時長+切換時延)×車速,可知切換帶長度為75 m。

圖3　切換區示意圖

3.2.2區間RRU配置方案

鏈路預算關鍵參數取值分析如下:區間采用1 -5/8"漏纜單纜覆蓋,每個TAU配置2副天線;漏纜到TAU的最大距離按4 m考慮,根據L=20 lg (d/2)(d為終端到漏纜之間的距離)公式可知,寬度因子取6 d B;車載天線安裝在車體外部,因此阻擋損耗為0;無源設備包含電橋和POI,因此損耗取5.8 d B;根據承載業務帶寬需求,上行邊緣速率取9.128 Mbit/s,下行邊緣速率取10 Mbit/s。相比10 MHz載波帶寬,15、20 MHz載波帶寬可用的RB(資源塊)數更多,接收機需要的SINR(信噪比)相對較小,從而使RRU單邊覆蓋的距離更大。因此預算取10 MHz載波帶寬,RB使用數50個。MCS(調制與編碼策略)指數:下行取18、上行取20,調制方式:RRU采用64QAM(正交振幅調制)、TAU采用16QAM,可得下行鏈路SINR門限為9.8 d B、上行鏈路SINR為13 d B,而在TAU接收機噪聲功率為-97.46、RRU接收機噪聲功率為-101.46,因此可得TAU接收靈敏度為-87.66 d Bm,RRU的接收靈敏度為-88.46 d Bm。基站采用2通道RRU,單通道輸出功率46 d Bm;TAU發射功率33 d Bm,天線增益8 d Bi。具體計算如下:

最大下行鏈路允許路損=e NB(基站)發射功率-(e UE(車載終端)接收機靈敏度(-87.66 d Bm) -e UE天線增益(8 d B)+小區內地理因子(3 d B) +e UE饋線損耗(0.5 d B)+慢衰落方差(5 d B)+陰影衰落余量(8d B))=125.16 d B。

最大上行鏈路允許路損=e UE發射功率+ e UE天線增益-e UE饋線損耗-(e NB接收機靈敏度(-88.46 d Bm)- eNB天線增益+上行干擾裕量(3 d B)+慢衰落方差(5 d B)+陰影衰落余量(8 d B))=112.96 d B。

路徑損耗=射纜損耗(2.8 d B)+無源設備及跳線損耗(5.8 d B)+95%漏纜耦合損耗(67 d B)+寬度因子(6 d B)+工程余量(5 d B)+漏纜傳輸損耗(0.038 d B/m)漏纜長度。

綜合可知,上行鏈路受限,因此RRU單邊覆蓋距離693 m,從而RRU設備的最大間距為693 m× 2-75 m=1 313 m。考慮到最小行車間隔90 s,平均列車速度50 km/h,則最小行車間隔為1 250 m。因此實際工程應用中,RRU區間間距配置不超過1 200 m,使每個RRU小區內只存在1列車,從而減小了小區邊緣時傳輸帶寬的惡化。

3.3時間同步解決方案

TD-LTE采用同頻組網[1],如果小區間未保持同步,將會出現比較嚴重的收發相互干擾,因此TDD網絡建設需要小區間保持子幀邊界的精確時鐘同步(μs級)。目前有兩種精確時鐘同步方案:

(1)每個BBU都引入GPS(全球定位系統)時鐘同步信號,其優點是可靠性高,但需要在地鐵出入口外側設置GPS接收天線,如此GPS天線受到惡意或無意的破壞,導致接收信號的衰減,使后期維護工作較大。

(2)主從時鐘同步,即在控制中心設置GPS時鐘同步設備,停車場和各車站通過1588v2協議與中心時鐘進行同步。主從時鐘同步方式使GPS天線安裝和后期維護的難度大大減低,非常適用于地鐵的建設,但部分傳輸網和交換機設備不支持1588v2同步協議。同時,該協議推出時間尚短,還有待完善和修正。

基于以上優缺點,杭州地鐵4號線在每個站點距離BBU最近的地面出口處,設置2副GPS天線,做主備使用。對于無法引出GPS天線的車站,其BBU設置到相鄰的車站,采用光纖拉遠的方式將BBU的基帶信號接到本站的RRU設備。隨著支持1588v2同步協議應用的增多,在后期工程中建議考慮主從時鐘同步方式。

3.4區間信號的貫通方案

LTE基站的漏纜覆蓋距離為600 m,而TETRA基站單邊漏纜的覆蓋距離可達1 100 m,因此,存在LTE和TETRA基站信號不同時接入漏纜的情況。如果在LTE信號接入漏纜處TETRA信號中斷,那么TETRA手持終端可能沒有足夠的時間進行切換而導致業務中斷。反之,在TETRA基站信號接入漏纜處,LTE車載終端也會出現業務中斷的可能。

為解決上述問題,杭州地鐵4號線在基站接入漏纜處增加了POI設備,并在合路器采用跳線連接,從而實現信號的貫通(見圖4)。

圖4　區間漏纜信號貫通示意圖

3.5系統天線模式匹配方案

在區間,RRU設備兩個端口分別直接接入上行和下行方向的漏纜。在網絡優化中,發現存在TAU接收不平衡的現象。經分析發現:TAU和系統交互時系統工作在兩天線模式下,TAU只能收到1個天線的信號,從而,TAU實際收到的信號和與系統交互時給的信息不一致,影響終端的解調和系統整體性。為了使TAU和系統交互模式一致,工程優化方案中,在RRU輸出端口增加了電橋,見圖5。這樣既能保證RRU的工作效率,又解決了原方案存在的問題。

圖5　系統天線模式匹配示意圖

4　系統容量測試

4.1測試方法

理論上,TD-LTE在20 MHz頻段上,在上、下行數據子幀配比為2:2時,下行最大數據速率為39.28 Mbit/s,上行最大數據數量為21.43 Mbit/s。無線數據速率密切關系到車地無線網絡承載的各種業務,為了測試區間TD-LTE的實際數據速率,杭州地鐵4號線對車地LTE無線車載網絡進行系統帶寬測試,具體方法如下:①筆記本電腦上安裝FTP(文件傳輸協議)客戶端,并連接到車載交換機;②設置IP(網絡之間互連協議)地址,并能ping通地面模擬的服務器。③服務器上開啟FTP服務端程序及IPERF軟件。④在筆記本上用開啟FTP客戶端,開啟10個線程上傳文件,服務器側用IPERF軟件對筆記本地址進行3線程的灌包。

筆記本上用DU Meter軟件記錄實時的隧道區間每個位置的上下行數據傳輸帶寬,并對全線隧道區間測試6次,最后對每個隧道位置6個帶寬數據取平均值得出最終的數據傳輸帶寬值。

4.2階段測試數據

左、右線區間RRU設備對稱配置,因此本文只給出了右線上、下行測試數據。右線區間FTP上傳測試數據見表1;右線區間IPERF灌包下載測試數據見表2。

表1　右線上傳測試數據　Mbit/s

表2　右線下載測試數據　Mbit/s

綜上階段性測試數據可見,TD-LTE車地無線網絡傳輸速率高,有足夠的帶寬滿足車-地無線網絡上、下行業務需求。

5　結語

TD-LTE在杭州地鐵4號線乘客信息系統的成功應用和開通,進一步驗證了TD-LTE數據傳輸速率高、時延更低、覆蓋廣、切換快、端到端的QoS等級多、多媒體組播業務好、運營維護量小等重要特點。隨著車地無線LTE系統的優化和各種業務的承載測試,促進了LTE系統在專用網絡中定制化開發和應用,為LTE在城市軌道交通乘客信息系統、信號系統和集群通信系統的應用奠定了工程基礎。

參考文獻

[1] 王映民,孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[2] 張斌.城市軌道交通乘客信息系統智能移動平臺的設計與應用[J].城市軌道交通研究,2014(3):63.

Application of TD-LTE in Urban Rail Transit Passenger Information System

Xiong Dongyu

AbstractBased on LTE wireless communications between train and ground,and combined with the service of passenger information system,some schemes like the system coverage, clock synchronization,hand off in tunnel,antenna pattern and so on are discussed.On this basis,a test environment of TD LTE is established.And the results show that LTE wireless transmission has better practical value,it is a good system to carry a variety of passenger information service.

Key wordsurban rail transit;time division long term evolution(TD-LTE);passenger information system

(收稿日期:2015-08-24)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.024

中圖分類號U 293.25