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(shù)在城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)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(shù)車地無線通信,就乘客信息系統(tǒng)的業(yè)務,深入討論了系統(tǒng)覆蓋、時鐘同步、區(qū)間隧道切換、天線模式等方案。并在此基礎(chǔ)上,建立了系統(tǒng)測試環(huán)境。測試結(jié)果表明:LTE無線傳輸可很好地承載乘客信息系統(tǒng)的各種業(yè)務,具有較好的實用價值。

關(guān)鍵詞城市軌道交通;時分長期演進技術(shù);乘客信息系統(tǒng)

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(shù)是3 G(第三代移動通信技術(shù))的演進[1],作為3 G與4 G(第四代移動通信技術(shù))技術(shù)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(shù)改進并增強了3 G的空中接口,使移動用戶設(shè)備可以更高的傳輸速率、更低的傳輸延時接入到核心網(wǎng),并支持廣域覆蓋、高速切換、端到端的QoS(服務質(zhì)量)以及多媒體廣播多播業(yè)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(tǒng)首次實現(xiàn)了國內(nèi)城市軌道交通的商用運營,在此分享一下系統(tǒng)應用方案。

1　乘客信息系統(tǒng)的需求及業(yè)務

1.1需求分析

乘客信息系統(tǒng)(PIS)是依托多媒體網(wǎng)絡技術(shù),通過布設(shè)在控制中心與各車站的有線網(wǎng)絡、列車與軌旁的無線網(wǎng)絡以及車輛上的有線網(wǎng)絡、實現(xiàn)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?shù)南到y(tǒng)。通過設(shè)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(fā)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(nèi)、外設(shè)置監(jiān)控攝像機,并通過車地無線網(wǎng)絡實時地把現(xiàn)場圖像情況上傳到調(diào)度大廳和地鐵公安分局的指揮大屏,實現(xiàn)運營和公安人員的統(tǒng)一指揮和調(diào)度。為了給上、下車乘客提供連貫、實時和高質(zhì)量的視頻信息服務,乘客信息系統(tǒng)需要提供足夠的有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡帶寬。

1.2乘客信息系統(tǒng)的業(yè)務

乘客信息系統(tǒng)的業(yè)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(jiān)控圖像和車輛狀態(tài)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(wǎng)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(wǎng)絡傳向控制中心服務器的車輛狀態(tài)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(wǎng)絡下載到列車的實時直播流媒體視頻按1路標清設(shè)計,帶寬按最小4 Mbit/s計算;控制中心服務器通過有線網(wǎng)絡下傳到車站的實時直播流媒體信息按1路高清設(shè)計,帶寬按8 Mbit/s計算。

(4)控制中心服務器通過車地無線網(wǎng)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(tǒng)有線網(wǎng)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(wǎng)完全滿足實際業(yè)務需求,瓶頸在于車地無線網(wǎng)線能否提供足夠的、穩(wěn)定的傳輸帶寬。

2　系統(tǒng)構(gòu)成及覆蓋方案

杭州地鐵4號線PIS車-地無線通信系統(tǒng)由無線核心網(wǎng)、BBU(基帶處理單元)、軌旁無線設(shè)備RRU(射頻拉遠單元)、TAU(無線車載終端)以及漏纜等組成。根據(jù)城市軌道交通運輸?shù)奶攸c,無線核心網(wǎng)放置在控制中心機房內(nèi),BBU設(shè)置在車站和停車場的通信機房內(nèi),RRU布設(shè)在區(qū)間隧道或設(shè)備房墻壁上,并通過POI(多系統(tǒng)接入平臺)接入?yún)^(qū)間和站臺區(qū)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(tǒng)的無線場強覆蓋范圍包括全線各車站的站臺及區(qū)間隧道,以及停車場運用庫區(qū)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(tǒng)合用。

(2)停車場主要采用RRU+室內(nèi)定向天線進行無線覆蓋。

圖1　LTE車地無線通信系統(tǒng)構(gòu)成圖

3　系統(tǒng)解決方案

3.1頻段使用方案

根據(jù)工信部無函[2003]408號文件《關(guān)于擴展1 800 MHz無線接入系統(tǒng)使用頻段的通知》,城市軌道交通TD-LTE系統(tǒng)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(qū),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(qū)間隧道TD-LTE可使用20 M全頻段;地面部分,為減小系統(tǒng)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(tǒng)間的保護頻段。

圖2　無線頻段分配圖

3.2系統(tǒng)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(qū)、切換測量區(qū)和切換執(zhí)行區(qū)3個階段(見圖3)。切換遲滯,即從源小區(qū)切換至目標小區(qū)時,目標小區(qū)RSRP(參考信號接收功率)高于源小區(qū)RSRP的程度。在正線區(qū)間,切換門限一般取為2 d B。切換測量區(qū),即切換的測量上報區(qū)。切換執(zhí)行區(qū),即從物理信道重配指令下發(fā)到完成的區(qū)域。隧道內(nèi)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(nèi),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(jù)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(qū)示意圖

3.2.2區(qū)間RRU配置方案

鏈路預算關(guān)鍵參數(shù)取值分析如下:區(qū)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(jù)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(shè)備包含電橋和POI,因此損耗取5.8 d B;根據(jù)承載業(yè)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(shù)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(shù)50個。MCS(調(diào)制與編碼策略)指數(shù):下行取18、上行取20,調(diào)制方式:RRU采用64QAM(正交振幅調(diào)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(fā)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(fā)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(qū)內(nèi)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(fā)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(shè)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(shè)備的最大間距為693 m× 2-75 m=1 313 m?？紤]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(qū)間間距配置不超過1 200 m,使每個RRU小區(qū)內(nèi)只存在1列車,從而減小了小區(qū)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(wǎng)[1],如果小區(qū)間未保持同步,將會出現(xiàn)比較嚴重的收發(fā)相互干擾,因此TDD網(wǎng)絡建設(shè)需要小區(qū)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(tǒng))時鐘同步信號,其優(yōu)點是可靠性高,但需要在地鐵出入口外側(cè)設(shè)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(shè)置GPS時鐘同步設(shè)備,停車場和各車站通過1588v2協(xié)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(shè),但部分傳輸網(wǎng)和交換機設(shè)備不支持1588v2同步協(xié)議。同時,該協(xié)議推出時間尚短,還有待完善和修正。

基于以上優(yōu)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(shè)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(shè)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(shè)備。隨著支持1588v2同步協(xié)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(qū)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(yè)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(xiàn)業(yè)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(shè)備,并在合路器采用跳線連接,從而實現(xiàn)信號的貫通(見圖4)。

圖4　區(qū)間漏纜信號貫通示意圖

3.5系統(tǒng)天線模式匹配方案

在區(qū)間,RRU設(shè)備兩個端口分別直接接入上行和下行方向的漏纜。在網(wǎng)絡優(yōu)化中,發(fā)現(xiàn)存在TAU接收不平衡的現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):TAU和系統(tǒng)交互時系統(tǒng)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(tǒng)交互時給的信息不一致,影響終端的解調(diào)和系統(tǒng)整體性。為了使TAU和系統(tǒng)交互模式一致,工程優(yōu)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(tǒng)天線模式匹配示意圖

4　系統(tǒng)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(shù)據(jù)子幀配比為2:2時,下行最大數(shù)據(jù)速率為39.28 Mbit/s,上行最大數(shù)據(jù)數(shù)量為21.43 Mbit/s。無線數(shù)據(jù)速率密切關(guān)系到車地無線網(wǎng)絡承載的各種業(yè)務,為了測試區(qū)間TD-LTE的實際數(shù)據(jù)速率,杭州地鐵4號線對車地LTE無線車載網(wǎng)絡進行系統(tǒng)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(xié)議)客戶端,并連接到車載交換機;②設(shè)置IP(網(wǎng)絡之間互連協(xié)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(cè)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(qū)間每個位置的上下行數(shù)據(jù)傳輸帶寬,并對全線隧道區(qū)間測試6次,最后對每個隧道位置6個帶寬數(shù)據(jù)取平均值得出最終的數(shù)據(jù)傳輸帶寬值。

4.2階段測試數(shù)據(jù)

左、右線區(qū)間RRU設(shè)備對稱配置,因此本文只給出了右線上、下行測試數(shù)據(jù)。右線區(qū)間FTP上傳測試數(shù)據(jù)見表1;右線區(qū)間IPERF灌包下載測試數(shù)據(jù)見表2。

表1　右線上傳測試數(shù)據(jù)　Mbit/s

表2　右線下載測試數(shù)據(jù)　Mbit/s

綜上階段性測試數(shù)據(jù)可見,TD-LTE車地無線網(wǎng)絡傳輸速率高,有足夠的帶寬滿足車-地無線網(wǎng)絡上、下行業(yè)務需求。

5　結(jié)語

TD-LTE在杭州地鐵4號線乘客信息系統(tǒng)的成功應用和開通,進一步驗證了TD-LTE數(shù)據(jù)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(yè)務好、運營維護量小等重要特點。隨著車地無線LTE系統(tǒng)的優(yōu)化和各種業(yè)務的承載測試,促進了LTE系統(tǒng)在專用網(wǎng)絡中定制化開發(fā)和應用,為LTE在城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和集群通信系統(tǒng)的應用奠定了工程基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 王映民,孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)智能移動平臺的設(shè)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