长期演进技术在城市轨道交通乘客信息系统中的应用

熊栋宇(中铁二院工程集团有限责任公司地铁院,610031,成都//工程师)



长期演进技术在城市轨道交通乘客信息系统中的应用

熊栋宇
(中铁二院工程集团有限责任公司地铁院,610031,成都//工程师)

摘 要基于LTE(长期演进)技术车地无线通信,就乘客信息系统的业务,深入讨论了系统覆盖、时钟同步、区间隧道切换、天线模式等方案。并在此基础上,建立了系统测试环境。测试结果表明:LTE无线传输可很好地承载乘客信息系统的各种业务,具有较好的实用价值。

关键词城市轨道交通;时分长期演进技术;乘客信息系统

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

分时长期演进(Time Division Long Term Evolution简为,TD-LTE)技术是3 G(第三代移动通信技术)的演进[1],作为3 G与4 G(第四代移动通信技术)技术之间的一个过渡(又称为3.9 G标准),采用OFDM(正交频分复用)和OFDMA(正交频分多址)技术改进并增强了3 G的空中接口,使移动用户设备可以更高的传输速率、更低的传输延时接入到核心网,并支持广域覆盖、高速切换、端到端的QoS(服务质量)以及多媒体广播多播业务等。2015年2月,TD-LTE车地无线通信在杭州地铁4号线乘客信息系统首次实现了国内城市轨道交通的商用运营,在此分享一下系统应用方案。

1　乘客信息系统的需求及业务

1.1需求分析

乘客信息系统(PIS)是依托多媒体网络技术,通过布设在控制中心与各车站的有线网络、列车与轨旁的无线网络以及车辆上的有线网络、实现线路控制中心、车站、车辆之间的音视频、图像以及文字等信息双向传输的系统。通过设置在站厅、站台、列车客室的LCD(液晶显示屏)显示终端以及出入口的LED(发光二极管)显示终端,乘客可及时准确地了解列车运营信息和公共媒体信息。同时在车辆内、外设置监控摄像机,并通过车地无线网络实时地把现场图像情况上传到调度大厅和地铁公安分局的指挥大屏,实现运营和公安人员的统一指挥和调度。为了给上、下车乘客提供连贯、实时和高质量的视频信息服务,乘客信息系统需要提供足够的有线网络和无线网络带宽。

1.2乘客信息系统的业务

乘客信息系统的业务信息分为上传信息和下传信息两个部分。上传信息包含车辆视频监控图像和车辆状态信息,下传信息包含直播流媒体信息和运营文本信息。具体带宽分析如下:

(1)在线运营列车通过车地无线网络上传至控制中心服务器的实时视频,按H.264编码方式、720 P高清视频同时传2路考虑,每路视频2 Mbit/s带宽。

(2)在线运营列车通过车地无线网络传向控制中心服务器的车辆状态信息,带宽按1路200 Kbit/s考虑。

(3)控制中心服务器通过车地无线网络下载到列车的实时直播流媒体视频按1路标清设计,带宽按最小4 Mbit/s计算;控制中心服务器通过有线网络下传到车站的实时直播流媒体信息按1路高清设计,带宽按8 Mbit/s计算。

(4)控制中心服务器通过车地无线网络下传到列车的运营文本信息按1 Mbit/s考虑。

综上分析可知,每列车上传实际信息最小带宽约为4.2 Mbit/s,考虑2 Mbit/s的带宽余量,则要求上行带宽约为6.2 Mbit/s。每列车接收实际信息最小带宽约为5 Mbit/s,考虑2 Mbit/s的带宽余量,则要求下行带宽约为7 Mbit/s。按34座车站,最大76列列车配置计算,乘客信息系统有线网络最大需要承载带宽约为554.2 Mbit/s,可见,千兆带宽的有线网完全满足实际业务需求,瓶颈在于车地无线网线能否提供足够的、稳定的传输带宽。

2　系统构成及覆盖方案

杭州地铁4号线PIS车-地无线通信系统由无线核心网、BBU(基带处理单元)、轨旁无线设备RRU(射频拉远单元)、TAU(无线车载终端)以及漏缆等组成。根据城市轨道交通运输的特点,无线核心网放置在控制中心机房内,BBU设置在车站和停车场的通信机房内,RRU布设在区间隧道或设备房墙壁上,并通过POI(多系统接入平台)接入区间和站台区的漏缆,RRU与BBU之间采用光纤直连方式(见图1)。PIS车-地无线系统的无线场强覆盖范围包括全线各车站的站台及区间隧道,以及停车场运用库区域。

(1)正线轨旁主要采用RRU+漏缆进行无线覆盖,其中漏缆为LTE和专用无线TETRA(陆上集群无线电)系统合用。

(2)停车场主要采用RRU+室内定向天线进行无线覆盖。

图1　LTE车地无线通信系统构成图

3　系统解决方案

3.1频段使用方案

根据工信部无函[2003]408号文件《关于扩展1 800 MHz无线接入系统使用频段的通知》,城市轨道交通TD-LTE系统采用1.8 G频段(1 785～1 805 MHz)用于“TDD(时分双工)无线接入”(见图2)。

目前,地下车站站台和隧道区,移动运营商无需覆盖GSM 1 800信号,话务量完全满足使用要求,因此地下区间隧道TD-LTE可使用20 M全频段;地面部分,为减小系统间干扰,TD-LTE采用15 MHz (1 785～1 800 MHz),其中1 800～1 805 MHz频段作为TD-LTE与GSM 1800系统间的保护频段。

图2　无线频段分配图

3.2系统覆盖方案和切换分析

3.2.1切换分析

切换阶段包含切换迟滞区、切换测量区和切换执行区3个阶段(见图3)。切换迟滞,即从源小区切换至目标小区时,目标小区RSRP(参考信号接收功率)高于源小区RSRP的程度。在正线区间,切换门限一般取为2 d B。切换测量区,即切换的测量上报区。切换执行区,即从物理信道重配指令下发到完成的区域。隧道内列车最大速度取80 km/h,测量时长和切换时延一般为150 ms以内,保守起见,时延取500 ms;1-5/8"漏缆传输损耗取3.8 d B/100 m。根据切换带的计算公式:切换带距离= 2 d B/漏缆每米损耗+2(测量时长+切换时延)×车速,可知切换带长度为75 m。

图3　切换区示意图

3.2.2区间RRU配置方案

链路预算关键参数取值分析如下:区间采用1 -5/8"漏缆单缆覆盖,每个TAU配置2副天线;漏缆到TAU的最大距离按4 m考虑,根据L=20 lg (d/2)(d为终端到漏缆之间的距离)公式可知,宽度因子取6 d B;车载天线安装在车体外部,因此阻挡损耗为0;无源设备包含电桥和POI,因此损耗取5.8 d B;根据承载业务带宽需求,上行边缘速率取9.128 Mbit/s,下行边缘速率取10 Mbit/s。相比10 MHz载波带宽,15、20 MHz载波带宽可用的RB(资源块)数更多,接收机需要的SINR(信噪比)相对较小,从而使RRU单边覆盖的距离更大。因此预算取10 MHz载波带宽,RB使用数50个。MCS(调制与编码策略)指数:下行取18、上行取20,调制方式:RRU采用64QAM(正交振幅调制)、TAU采用16QAM,可得下行链路SINR门限为9.8 d B、上行链路SINR为13 d B,而在TAU接收机噪声功率为-97.46、RRU接收机噪声功率为-101.46,因此可得TAU接收灵敏度为-87.66 d Bm,RRU的接收灵敏度为-88.46 d Bm。基站采用2通道RRU,单通道输出功率46 d Bm;TAU发射功率33 d Bm,天线增益8 d Bi。具体计算如下:

最大下行链路允许路损=e NB(基站)发射功率-(e UE(车载终端)接收机灵敏度(-87.66 d Bm) -e UE天线增益(8 d B)+小区内地理因子(3 d B) +e UE馈线损耗(0.5 d B)+慢衰落方差(5 d B)+阴影衰落余量(8d B))=125.16 d B。

最大上行链路允许路损=e UE发射功率+ e UE天线增益-e UE馈线损耗-(e NB接收机灵敏度(-88.46 d Bm)- eNB天线增益+上行干扰裕量(3 d B)+慢衰落方差(5 d B)+阴影衰落余量(8 d B))=112.96 d B。

路径损耗=射缆损耗(2.8 d B)+无源设备及跳线损耗(5.8 d B)+95%漏缆耦合损耗(67 d B)+宽度因子(6 d B)+工程余量(5 d B)+漏缆传输损耗(0.038 d B/m)漏缆长度。

综合可知,上行链路受限,因此RRU单边覆盖距离693 m,从而RRU设备的最大间距为693 m× 2-75 m=1 313 m。考虑到最小行车间隔90 s,平均列车速度50 km/h,则最小行车间隔为1 250 m。因此实际工程应用中,RRU区间间距配置不超过1 200 m,使每个RRU小区内只存在1列车,从而减小了小区边缘时传输带宽的恶化。

3.3时间同步解决方案

TD-LTE采用同频组网[1],如果小区间未保持同步,将会出现比较严重的收发相互干扰,因此TDD网络建设需要小区间保持子帧边界的精确时钟同步(μs级)。目前有两种精确时钟同步方案:

(1)每个BBU都引入GPS(全球定位系统)时钟同步信号,其优点是可靠性高,但需要在地铁出入口外侧设置GPS接收天线,如此GPS天线受到恶意或无意的破坏,导致接收信号的衰减,使后期维护工作较大。

(2)主从时钟同步,即在控制中心设置GPS时钟同步设备,停车场和各车站通过1588v2协议与中心时钟进行同步。主从时钟同步方式使GPS天线安装和后期维护的难度大大减低,非常适用于地铁的建设,但部分传输网和交换机设备不支持1588v2同步协议。同时,该协议推出时间尚短,还有待完善和修正。

基于以上优缺点,杭州地铁4号线在每个站点距离BBU最近的地面出口处,设置2副GPS天线,做主备使用。对于无法引出GPS天线的车站,其BBU设置到相邻的车站,采用光纤拉远的方式将BBU的基带信号接到本站的RRU设备。随着支持1588v2同步协议应用的增多,在后期工程中建议考虑主从时钟同步方式。

3.4区间信号的贯通方案

LTE基站的漏缆覆盖距离为600 m,而TETRA基站单边漏缆的覆盖距离可达1 100 m,因此,存在LTE和TETRA基站信号不同时接入漏缆的情况。如果在LTE信号接入漏缆处TETRA信号中断,那么TETRA手持终端可能没有足够的时间进行切换而导致业务中断。反之,在TETRA基站信号接入漏缆处,LTE车载终端也会出现业务中断的可能。

为解决上述问题,杭州地铁4号线在基站接入漏缆处增加了POI设备,并在合路器采用跳线连接,从而实现信号的贯通(见图4)。

图4　区间漏缆信号贯通示意图

3.5系统天线模式匹配方案

在区间,RRU设备两个端口分别直接接入上行和下行方向的漏缆。在网络优化中,发现存在TAU接收不平衡的现象。经分析发现:TAU和系统交互时系统工作在两天线模式下,TAU只能收到1个天线的信号,从而,TAU实际收到的信号和与系统交互时给的信息不一致,影响终端的解调和系统整体性。为了使TAU和系统交互模式一致,工程优化方案中,在RRU输出端口增加了电桥,见图5。这样既能保证RRU的工作效率,又解决了原方案存在的问题。

图5　系统天线模式匹配示意图

4　系统容量测试

4.1测试方法

理论上,TD-LTE在20 MHz频段上,在上、下行数据子帧配比为2:2时,下行最大数据速率为39.28 Mbit/s,上行最大数据数量为21.43 Mbit/s。无线数据速率密切关系到车地无线网络承载的各种业务,为了测试区间TD-LTE的实际数据速率,杭州地铁4号线对车地LTE无线车载网络进行系统带宽测试,具体方法如下:①笔记本电脑上安装FTP(文件传输协议)客户端,并连接到车载交换机;②设置IP(网络之间互连协议)地址,并能ping通地面模拟的服务器。③服务器上开启FTP服务端程序及IPERF软件。④在笔记本上用开启FTP客户端,开启10个线程上传文件,服务器侧用IPERF软件对笔记本地址进行3线程的灌包。

笔记本上用DU Meter软件记录实时的隧道区间每个位置的上下行数据传输带宽,并对全线隧道区间测试6次,最后对每个隧道位置6个带宽数据取平均值得出最终的数据传输带宽值。

4.2阶段测试数据

左、右线区间RRU设备对称配置,因此本文只给出了右线上、下行测试数据。右线区间FTP上传测试数据见表1;右线区间IPERF灌包下载测试数据见表2。

表1　右线上传测试数据　Mbit/s

表2　右线下载测试数据　Mbit/s

综上阶段性测试数据可见,TD-LTE车地无线网络传输速率高,有足够的带宽满足车-地无线网络上、下行业务需求。

5　结语

TD-LTE在杭州地铁4号线乘客信息系统的成功应用和开通,进一步验证了TD-LTE数据传输速率高、时延更低、覆盖广、切换快、端到端的QoS等级多、多媒体组播业务好、运营维护量小等重要特点。随着车地无线LTE系统的优化和各种业务的承载测试,促进了LTE系统在专用网络中定制化开发和应用,为LTE在城市轨道交通乘客信息系统、信号系统和集群通信系统的应用奠定了工程基础。

参考文献

[1] 王映民,孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[2] 张斌.城市轨道交通乘客信息系统智能移动平台的设计与应用[J].城市轨道交通研究,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

中图分类号U 293.25