乘客信息系统PIS车地无线通信LTE网络设计研究

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在城市轨道交通乘客信息系统(PIS)车地无线系统中,目前主要采用基于IEEE 802.11系列协议的WLAN技术,主要有2.4G和5.8G两种方式。 目前欧洲主流应用是5.8G频段,中国主要使用2.4G频段。 尽管LTE技术已广泛应用于民用移动通信领域,但目前在城市轨道交通乘客信息系统(PIS)中采用LTE技术的车地无线通信系统还很少。 本文研究LTE技术在城市轨道交通乘客信息系统(PIS)中的应用,设计一种利用LTE技术实现城市轨道交通乘客信息系统(PIS)车地无线通信的组网方法。 通过组网方法优化和简化设计,更好地实现LTE技术在城市轨道交通领域的应用。

1 概述

城市轨道交通乘客信息系统(PIS)是以计算机和多媒体应用为平台,以车站和车载显示终端为媒介,向乘客提供信息的系统。 车地无线系统作为地铁PIS的重要组成部分,是中央控制中心、车站分中心与行驶列车保持实时信息交互的重要通道。

调度控制中心(OCC)和车站控制室值班人员可以通过车地无线通信系统实时监控运行列车的乘客车厢和司机室的状况,也可以及时向指挥人员发布信息。运行火车。 车地无线通信系统可以为列车运行中的突发事件提供实时通信,如火灾报警、列车紧急开关门等信息上传,方便地铁运营管理,为乘客提供信息服务。

车地无线系统主要用于实现地铁列车与地面的实时信息交互。 目前,城市轨道交通常用的车地无线系统主要传输方式采用WLAN技术。 WLAN技术成熟,但在抗干扰和安全性方面存在缺陷,组网复杂。 LTE具有高带宽、高移动性、远距离覆盖、高扩展性等特点。 同时,系统运行在电信电信级架构和设备上,可以解决现有无线系统不稳定、移动性差的问题。

2. LTE车地无线系统组网总体设计

车地无线系统LTE网络整体设计考虑了城市轨道交通的应用特点,对地下站和高架站采用不同的天馈方式。 整体架构分为核心网、基站系统和车载终端。 基站系统由基带单元(BBU)和拉远射频单元(RRU)组成,如图1所示。

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TD-LTE系统的核心网设备部署在控制中心,上端业务接口连接到核心网交换机,再连接到传输系统的骨干网环,再连接到传输系统的骨干网环。地面PIS系统设备。 核心网通过S1接口与基站系统的BBU连接。 TD-LTE基站系统的BBU放置在通信机房内,通过LTE骨干网与核心网进行通信。 RRU部署在列车沿线,包括干线车站及路段、道岔区、回程线、停车线、车辆段等。 出入口断面线路等区域满足上传车辆视频信息、下载PIS信息的需求。 BBU与RRU通过光纤连接。 基站天馈接口通过合路器与漏缆或天线连接,实现无线信号覆盖。 TD-LTE系统车载终端车载无线模块(TAU)部署在列车编组的前后驾驶室中。 TAU天线安装在驾驶室顶部以及车辆下方左右两侧。 车辆下方的左右两侧相对于中心轴定位(取决于漏泄电缆的安装位置),并保持漏泄电缆与天线之间的间隙畅通无阻,以保持良好的无线传输。 TAU通过以太网接口与车载交换机和车载PIS设备连接,从而建立车载PIS与地面PIS系统的点对点连接。 每列列车首尾各安装一套TAU,通过车载交换机与车载视频交换机连接,接收地面信息并将列车实时车载视频监控信息发送至地面。

3. LTE组网优化

3.1 LTE容量计算

在频域上,LTE的1个资源块(RB)占用180kHz的有效带宽和20kHz的隔离带宽,总计200kHz。 包含12个子载波频段,每个子载波占用15kHz的带宽; 在时域中,每个子载波占用15kHz的带宽。 时隙为0.5ms,每个时隙每个子载波带可以传输7个符号。 由此可见,LTE系统在各调制方式下的理论最大吞吐率为:

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其中,b表示相应调制方式下LTE系统每个子载波承载信息的位数。 根据信道环境,LTE自适应调制方式包括QPSK、16QAM、64QAM。 每个子载波分别承载2比特、4比特和6比特。 位信息; NRB表示对应带宽中的RB(资源块)数量,其中5 MHz带宽中的RB数量为25。因此,5 MHz带宽的LTE系统理论最大容量如表1所示。

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另外,由于信道环境的变化,LTE会自适应信道编码策略,形成信息冗余(详见LTE调制和编码策略(MCS))。 因此,上述数值只是理论上的最大吞吐率。

项目中测得的业务流量值包括:单缆单天线典型平均信道:下行4.4Mbit/s+上行3.3Mbit/s; 单缆单天线差分通道:下行1Mbit/s+上行1Mbit/s; 双缆双天线典型平均信道:下行7.8Mbit/s + 上行3.98Mbit/s; 双缆双天线差分通道:下行2.13Mbit/s + 上行1.45Mbit/s。

3.2 天线滤波器

地铁的地下部分通常被漏泄电缆覆盖。 其他专用通信或公安通信网络可以使用POI馈漏电缆,实现多个系统共享漏电缆。 专用通信系统的乘客信息子系统通过双频合路器与POI处其他子系统的合路信号进行合路,馈入间隔漏缆。 目前,最接近专用通信乘客信息子系统PIS(1 795 ~ 1 805 MHz)的频段是信号系统DCS子系统(1 720 ~ 1 735 MHz/1 815 ~ 1 830 MHz)。 因此,DCS需要考虑上下行对PIS车地无线通信上下行的干扰。

地铁PIS车地无线通信系统的主要干扰源包括相邻区域同频干扰。 为了减少同频相邻区域的干扰,需要考虑减少隧道前后同方向以及车站两侧同频相邻区域的干扰。 隧道入口处两个小区相互干扰的影响。 隧道小区干扰图如图2所示。

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在LTE移动网络中,同频邻区干扰主要影响系统内小区的数据吞吐量和小区覆盖能力。 由于LTE网络频段申请和带宽限制,城市轨道交通LTE一般只能申请5~20M的带宽。因此,城市轨道交通LTE组网一般采用同频组网方式,容易造成同频干扰来自邻近地区。 同频邻区干扰中,同向隧道前后同频邻区的干扰和站台两侧隧道入口两个小区的干扰是主要干扰源。

1)同向隧道中前后同频邻区的干扰

同向隧道中前后同频邻区的干扰会导致小区边缘最大信噪比时信道切换时延为0~-2dB。 如果不采取相关抗干扰措施,小区边缘的上下行干扰将严重影响数据传输速率,无法满足PIS车地无线通信的速率要求服务。 为了减少同向隧道中前后同频邻区的干扰,上行信道可以通过相关优化算法来控制和消除干扰。 优化算法包括调度算法、小区间干扰协调算法、干扰抑制组合算法(IRC)等。下行信道可以采用业务异频调度方法,在边缘获得较高的信噪比。小区并保证其服务率。 还可以预先规划相关频率,实现小区中心同频、相邻小区边缘异频,从而在小区中心获得更大的数据吞吐量,相邻小区边缘也能获得更大的数据吞吐量。更高的信噪比,提高相邻小区的边缘率。 在地铁应用中,由于列车间距和运力因素,一个小区内规划的车站之间的距离小于2个车次间隔,这样就不会出现同一小区内两辆列车处于相反方向的情况时间。

2)车站两侧隧道口社区干扰

站台两侧隧道入口处小区干扰的路径损耗可以根据室内传播模型(Keenan-Motley传播模型)计算。 站台两侧小区同频隔离。 位于车站末端的列车接收该小区的信号。 线损按式(2)计算。 距泄漏电缆的平均距离按1m计算,不考虑穿透损耗。

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位于车站两端的列车接收对面社区信号的线损按式(3)计算。 距泄漏电缆的距离计算为6 m,列车和站台门的穿透损耗计算为10 dB。

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由式(2)和(3)计算可知,两侧小区的信号隔离度为两条路径损耗之差:PL2-PL1=27.5 dB,满足上下行隔离度要求。

3.3 电磁干扰优化分析

城市轨道交通地下段电磁干扰主要按照国家环境电磁波卫生标准执行。 站厅层办公区域必须满足一级标准(10W/cm2)要求。 站台、站厅、隧道断面必须满足二级标准(40W/cm2)的要求。 对于车地无线通信系统,为了满足国家环境电磁波健康标准的要求,LTE设备基站(BBU)接收到的上行噪声应小于-113 dBm/180 kHz。 一般情况下,地铁无线覆盖多采用专用通信子系统和漏缆天线。 无线信号之间的干扰基本上不会影响其他子系统。 用于城市轨道交通的合路器也能满足相关电磁兼容指标要求。

本文设计了一种基于LTE技术的车地无线系统组网解决方案。 通过研究国内外的应用现状及其在城市轨道交通领域的应用,对整个系统的组网进行了详细的分析和阐述,并提出了相关的优化方案。 和措施。 达到了预期的效果。

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参考

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[2] 丁胜高. LTE无线网络优化[M]. 北京:机械工业出版社,2016。

[3] 埃里克·达尔曼、斯特凡·帕克瓦尔、约翰·斯克·LD。 4G移动通信技术权威指南[M]. 北京:人民邮电出版社,2015。

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[5] 哈里·霍尔玛、安蒂·托斯卡拉、尤西·鲁纳宁等人。 LTE小基站优化:3GPP演进至R13[M]. 北京:机械工业出版社,2016。

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[8]顾其正,杨国民。 无线通信中射频收发系统设计[M]. 北京:清华大学出版社,2016。

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