CN112689262A - 基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法 - Google Patents
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Abstract
基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法，包括：步骤S10：设定地铁基地台的目标传输速率；步骤S11：设定多子载波宽带系统参数；步骤S12：计算调变组态与编码率组合的接收信号灵敏度阈值与位元传输比特率阈值；步骤S13：设定环境参数；步骤S14：计算链路预算；步骤S15：计算细胞大小、基地台布建数目与数据传输速率；步骤S16：检测所述数据传输速率是否满足所述目标传输速率，如果满足所述目标传输速率，完成规划。所述基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法实现地铁基地台的系统性布建。
Description
技术领域
本发明涉及地铁通信领域，尤其涉及一种基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法。
背景技术
通信系统在地铁、城市轻轨、单轨交通营运整体服务中扮演重要角色，为方便起见，本文于此之后，将地铁、城市轻轨、单轨交通均称为地铁。我国运营中的地铁交通中，其无线通信系统大部份仍采用“地面中继式无线电(TErrestrial Trunked RAdio，TETRA)”系统，这包括中国香港之“港铁”、中国台湾之“台北捷运、高雄捷运”等等。而欧洲铁路无线电通信系统应用于铁道列车主要以TETRA及轨道全球移动通信系统GSM-R(Global Systemfor Mobile Communications Railway,GSM-R)两大系统为主。虽说TETRA与GSM-R是已经成熟的系统，但它属于第二代行动通信技术，TETRA系统使用UHF频段，采分时多任务撷取之方式，带宽为25KHz，单一带宽可有四个通信频道，每一个通信频道可自由传输语音或数据信息，每一通信频道之最高传输率为7.2Kbits/sec。
国际铁路联盟(International Union of Railways,UIC)研究发现，评估未来的轨道交通在移动通信系统上需要提供超过200种信息服务。现有的TETRA与GSM-R网络，即使进行调整改善(例如，补充GPRS网络)，仍有频谱效率低、QoS不完善、非全IP化系统结构使与其他网络衔接不顺畅等问题。况且，因带宽不足，图像和多媒体信息将无法经由TETRA与GSM-R网络传送，因此，地铁交通的通信系统需进行改善。特别是，预期近年内将进入物联网蓬勃发展时期，而地铁交通也将迈入物联网时代，届时，轨道交通营运时各项传感器、控制与操作指令、安全信息、地铁站间信息机器通信等，均需要依赖低延迟、高可靠度、大量随机接取的宽带通信系统来支持物联网化的轨道交通营运。
如何在高速移动的地铁车辆环境下提供良好的无线通信质量并兼顾数据传输速率成了一个重要的课题。当前，尚无较好的方法，解决在指定的信息传输率条件之下算出细胞服务半径、总基地台布建数目与总信息传输率的规划问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种基于多载波调制宽带技术的地铁于地面基地台布建规划方法，实现在满足指定的信息传输率条件之下，算出细胞服务半径、总基地台布建数目与总信息传输率。
为解决上述问题，本发明提供一种基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法，包括：步骤S10：设定地铁基地台的目标传输速率；步骤S11：根据所述目标传输速率，设定多子载波宽带系统参数；步骤S12：计算调变组态与编码率组合的接收信号灵敏度阈值与位元传输率阈值；步骤S13：设定环境参数；步骤S14：计算链路预算；步骤S15：计算细胞大小、基地台布建数目与数据传输速率；步骤S16：检测所述数据传输速率是否满足所述目标传输速率，如果满足所述目标传输速率，完成规划。
可选的，当所述数据传输速率不满足所述目标传输速率时，进行步骤S17：确认是否重新从步骤S14进行规划。
可选的，当步骤S17中进一步确认不重新从步骤S14进行规划时，进行步骤S18：确认是否重新从步骤S13进行规划。
可选的，当步骤S18中进一步确认不重新从步骤S13进行规划时，进行步骤S19：确认是否重新从步骤S11进行规划。
可选的，步骤S12中，接收信号灵敏度阈值Rss,th的计算公式为：
其中SRNRX为信噪比，Fs为取样频率，Nused为传送资料的子载波数目，N为总子载波数目；X
传输比特率阈值Rb,th计算公式为：Rb,th＝NmodNusedCr/Ts，Nmod为调制信号比特数，Ts为符元时间，Cr为编码率。
可选的，步骤S13中，设定环境参数包括设定地铁环境传播条件参数。
可选的，步骤S13中，设定环境参数包括计算最大多普勒偏移频率。
可选的，步骤S14中，计算链路预算包括计算基地台有效等向辐射功率、路径传输损失和接收端接收信号功率；
基地台有效等向辐射功率EIRP的计算公式为：EIRP＝Pt+Gt；
所述路径传输损失PL(d)的计算公式为：
所述接收端接收信号功率PR(d)的计算公式为：PR(d)＝EIRP-PL(d)。
可选的，步骤S15中，将接收信号灵敏度阈值
公式作为判断准则，可判断PR(d)落在Rss,th的某个阈值区间内，再根据传输率阈值Rb,th＝NmodNusedCr/Ts公式，可得知其相对应的传输率为Rb(d)＝Rb,th；接着，取出细胞半径分别于d0、d0+Δd、d0+2Δd、…、d的传输率，组成一个「传输率向量」为：Rb,d＝[Rb(d0)Rb(d0+Δd)Rb(d0+2Δd)…Rb(d)]，并计算Rb,d的期望值Rbe(d)＝E[Rb,d]，E[]代表期望值；最后，在计算所有d值的Rbe(d)后，取出Rbe(d)大于Rb,tgt中的最小值
与其对应的d*值，即
可选的，步骤S15中，包括执行蒙地卡罗验证MC次，计算总平均细胞半径为：
在d* k的下标k代表执行蒙地卡罗验证的第k次实验。
可选的，步骤S15中，包括执行蒙地卡罗验证MC次，计算总平均传输速率为：
在
的下标k代表执行蒙地卡罗验证的第k次实验；计算总平均细胞半径为：
在
的下标k代表执行蒙地卡罗验证的第k次实验。
可选的，步骤S15中，可以得到基地台数目为：
表示四舍五入后取整数，D为最长测试距离。
可选的，步骤S16中，可以检测所述总平均数据传输速率
是否满足所述目标传输速率，如果满足所述目标传输速率，完成规划。如果不满足所述目标传输速率，则分别进行步骤S16、步骤S17和步骤S18。
本发明的有益效果包括：
本发明采用多载波调制(Multicarrier modulation，MCM)宽带技术，并且使用可适性调变及编码(Adaptive modulation and coding，AMC)，使其适应在系统限制范围内和信道条件，以增加信息容量，实现一种有效的地铁基地台布建规划方法；
本发明将地铁列车在高速移动下造成的质量衰弱，套用至传输路径损失模型(Path-loss model)，并使用链路预算(Link budget)的概念，建立一个计算细胞涵盖范围的方法，该细胞规划方法可确保地铁与空铁列车达成稳定的目标数据传输，计算沿轨道基地台的配置方案，强化列车上通信信号质量。
附图说明
图1是实施例中基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法各步骤示意图；
图2是基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法得到的地铁基地台细胞(直线型细胞)示意图；
图3至图7是基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法在一种场景下，相应软件窗口显示相应步骤操作和计算结果的示意图。
具体实施方式
在地铁与空铁的行车环境下的基地台布建会影响车厢接收信号强度的涵盖范围，也会影响基地台布建数量的投资成本。为此，本发明提出一个沿轨道基地台之系统性布建方法，以涵盖良好的信号质量为目标，来达成地铁列车的基地台细胞涵盖设计的系统性方法。
为更加清楚的表示，下面结合附图对本发明做详细的说明。
如图1，本发明实施例提供的是一种基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法，它包括：
步骤S10：设定地铁基地台的目标传输速率；
步骤S11：根据所述目标传输速率，设定多子载波宽带系统参数；
步骤S12：计算调变组态与编码率组合的接收信号灵敏度阈值与位元传输率阈值；
步骤S13：设定环境参数；
步骤S14：计算链路预算；
步骤S15：计算细胞大小、基地台布建数目与数据传输速率；
步骤S16：检测所述数据传输速率是否满足所述目标传输速率，如果满足所述目标传输速率，完成规划。
本实施例的方法中，考虑到地铁车厢沿轨道移动而形成一维基地台细胞，因此只须考虑沿线信号强度涵盖状况，并以此条件下讨论以低成本且有效的基地台配置方式来改善信号强度。
在通信系统技术架构方面，本实施例的方法，采用多载波调制(Multi-carrierModulation，MCM)技术。多载波调制是实现宽带通信系统的常用技术，利用多载波调制的技术优势，包括：高带宽使用效率、对抗频率选择性衰减能力较强、均衡器复杂度降低。
为增加信息容量，使其适应在系统限制范围内和信道条件，本实施例的方法，使用可适性调变及编码(Adaptive modulation and coding，AMC)技术，根据多载波调制与可适性调变及编码的系统架构与参数，再根据传输路径损失模型(Path-loss model)与链路预算(Link budget)的概念来讨论多载波调制合并可适性调变及编码条件下的路径损耗值，其中损耗值也包含遮蔽效应。
下面进一步说明各步骤的具体内容。
在步骤S10中，具体可以为例如，给定目标传输速率Rb,tgt。进一步例如，系统欲维持稳定为Rb,tgt等于12Mbit/s的数据传输率。
步骤S11中，可以包括决定多子载波宽带系统参数如下表1。
表1
步骤S11中，可以进一步包括多子载波宽带系统参数计算式与导出值计算式，如下：
上述中，f表示取样因子，BW表示带宽、
表示取整数。
进一步请参考以下公式(2)和(3)。
ΔF为单个子载波间距，N为总子载波数目，表示将通道整体频谱均匀切割成N个子载波数目。
Tb为有用的符元時間。
若多载波技术采用保护周期Tg，Tg与Tb之间的比例可定义为「保护周期比例」，即Gr＝Tg/Tb，则
Ts＝(1+Gr)Tb (4)
由上式可以计算出符元时间Ts。
步骤S12中，可以由下表2知，对于第一字段的每一个调制组态，可得知其对应的编码率Cr与信噪比SNRRX，可由下式计算其对应的接收信号灵敏度阈值Rss，th(dBm)：
其中，Nused为传送资料的子载波数目，即在N中只用了其中的Nused个子载波数目作为传送数据。其它参考前述内容。
接着，由Nmod为调制信号位元数，其计算公式如下：
Nmod＝log2(Mod) (6)
进而，可由下式计算传输比特率阈值Rb,th：
Rb,th＝NmodNusedCr/Ts (7)
前面提到的表2包括以下各种调制组态的参数。
表2
步骤S13中，用表3显示了地铁环境传播条件参数。
表3参数计算式与导出值计算式。包括最大多普勒偏移频率：
波长λ可以根据C/fc得到，其中，C指光速。
最大多普勒偏移频率计算的意义在于，在得出这个值之后，可以计算遮蔽效应损失，然后，遮蔽效应损失可以纳入路径传输损失内，成为路径传输损失PL(d)的一部分，即下述公式(10)中的X(通道被遮蔽情形的随机变量)，请继续参考后续内容。
步骤S14中，用表4显示了链路预算参数如下。
表4
可计算基地台有效等向辐射功率EIRP如下：
EIRP＝Pt+Gt (9)
接着，考虑信号从基地台传送至地铁车厢，除了距离造成的信号损失外，信号也受到建物、树木、车厢、地形等环境产生绕射或是散射的现象，这些现象可归纳为遮蔽效应的影响，因此，当考虑遮蔽效应时，路径传输损失PL(d)可以写为：
其中，d为基地台距车厢距离，即细胞半径，且d0≤d≤D，d0为参考距离，χ表示通道被遮蔽情形的随机变量，遮蔽造成的信号能量变化是呈对数常态(Log normal)分布。在此，自d0至D被均匀切割为S个单位长度，每单位长度Δd＝(D-d0)/S；于是，d＝d0+sΔd，s＝0,1,…,S-1。
而对于A(d0)，有以下计算公式：
A(d0)＝20log10(4πd0/λ) (11)
借由公式(9)与公式(10)，当传送端与接收端距离d时，可计算接收端接收信号功率PR(d)为：
PR(d)＝EIRP-PL(d) (12)
步骤S15中，将公式(5)作为判断准则，可判断PR(d)落在公式(5)的某个阈值区间Rss,th内，再根据(7)，可得知其相对应的传输率为Rb(d)＝Rb,th。接着，取出细胞半径分别于d0、d0+Δd、d0+2Δd、…、d的输出传输率，组成一个「传输率向量」为：
Rb,d＝[Rb(d0)Rb(d0+Δd)Rb(d0+2Δd)…Rb(d)] (13)
并计算Rb,d的期望值Rbe(d)＝E[Rb,d]，其中E[]代表期望值。最后，在计算所有d值的Rbe(d)后，取出Rbe(d)大于Rb,tgt中的最小值Rbe *与其对应的d*值，即
具体的，由于遮蔽造成的能量变化是随机变量，故，执行蒙地卡罗验证MC次，每次计算细胞半径dk *与传输速率R* be,k，其中下标k代表第k次实验，最后计算总平均细胞半径
与平均传输速率
为：
因此，可以得到基地台数目为：
其中
表示四舍五入后取整数，D为最长测试距离。
STEP7检视平均传输速率是否满足目标传输速率，即验证以下公式是否成立：
根据公式(18)的判断结果，决定是否更改前面的参数以重新设计。当公式(18)成立时，说明规划成功。
请继续参考图1，当所述数据传输速率不满足所述目标传输速率时，进行步骤S17：确认是否重新从步骤S14进行规划。如果确认重新从步骤S14进行规划，则整个方法重新从步骤S14进行到步骤S16，并再次进行步骤16的判断，如此循环。
请继续参考图1，当步骤S17中进一步确认不重新从步骤S14进行规划时，进行步骤S18：确认是否重新从步骤S13进行规划。如果确认重新从步骤S13进行规划，则整个方法重新从步骤S13进行到步骤S16，并再次进行步骤16的判断，如此循环。
请继续参考图1，当步骤S18中进一步确认不重新从步骤S13进行规划时，进行步骤S19：确认是否重新从步骤S11进行规划。如果确认重新从步骤S11进行规划，则整个方法重新从步骤S11进行到步骤S16，并再次进行步骤16的判断，如此循环。
本发明提供的方法，可以在不同步骤间自由调整参数，使设计更为弹性。因此，上述步骤S10至S19的序号并非强调前后固定，例如，步骤S13可以先进行，再进行步骤S11和步骤S14，等等。
本发明的目的是，提供一个沿轨道基地台系统性布建方法，由于地铁列车行经路线固定不轻易改变，故在细胞规划(Cell Layout)方面沿轨道建设基地台的细胞规划为直线型细胞，最终形成的规划如图2所示，图2中每个椭圆形区域(未标注)代表一个细胞，每个细胞内的塔形结构(未标注)代表细胞里面布建的基地台。
本发明实施例对应的一种具体场景，请结合参考图3至图7。
具体的，本发明实施例提供的方法，能够形成对应的用于该方法的软件规划器，软件规划器的软件窗口如图3所示，它显示了本实施方法可以用于设计多载波调制技术于地铁地面通信系统上的细胞规划；
在图3对应场景中，在步骤S13时，如图4所示，点击软件窗口中的“最高都(多)普勒频率”方形按键，点选后，就会进行最大多普勒偏移频率的计算，并且计算结果显示为多普勒频率产生的功率频谱密度(PSD，Power Spectrum Density)，该功率频谱密度结果如图4中右上角的波形，波形中间的主体部分呈U形；
在图3对应场景中，在步骤S14时，如图5所示，点击软件窗口中的“遮蔽效应”的方形按键，点选后，可显示遮蔽效应计算结果(Shadowed effect VS Train speed)，如图5中右上角的波形；
在图3对应场景中，在仍步骤S15时，如图6所示，点击软件窗口中的“Rss(d)”的形按键，点选后，可显示“路径损失与遮蔽效应”合并两项损失的计算结果(RssVS Distance)，如图6中右上角的波形；
在图3对应场景中，在仍步骤S15时，如图6所示，点击软件窗口中的“Rss(d)”的形按键，点选后，可显示“路径损失与遮蔽效应”合并两项损失的计算结果(RssVS Distance)，如图6中右上角的波形；
在图3对应场景中，在仍步骤S16时，点击软件窗口中的“分析信息吞吐量”方形按键，点选后，可显示“信息吞吐量”图表(Throughput VS Radius Distance)，如图7中右上角的图表。
图7中显示，它的图表下方有三个指标，分别为总吞叶量、细胞尺度(亦即细胞，单位Km)和遮蔽(单位Km)。本场景中，计算出的“细胞半径”，是只考虑路径损失时的计算结果；计算出遮蔽后对应的“细胞半径”，是合并“路径损失”与“遮蔽效应”两项损失的计算结果。
也就是说，根据相应的各个步骤，图7最终得到的结果是：当只考虑路径损失时，信号有效强度可以达到2.1713Km；但同时考虑“路径损失”与“遮蔽效应”时，信号有效强度可以达到1.2933Km。
图7进一步显示，当只考虑以路径损失情况来决定15Km内所需布建的地铁基地台数量，在图7中显示结果为需要4个(显示在图7右下角)。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于多载波调制宽带技术的地铁基地台布建规划方法，其特征在于，包括：
步骤S10：设定地铁基地台的目标传输速率；
步骤S11：设定多载波宽带系统参数；
步骤S12：计算调变组态与编码率组合的接收信号灵敏度阈值与传输比特率阈值；
步骤S13：设定环境参数；
步骤S14：计算链路预算；
步骤S15：计算细胞大小、基地台布建数目与数据传输速率；
步骤S16：检测所述数据传输速率的总平均值是否满足所述目标传输速率，如果满足所述目标传输速率，完成规划。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述数据传输速率不满足所述目标传输速率时，进行步骤S17：确认是否重新从步骤S14进行规划。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当步骤S17中进一步确认不重新从步骤S14进行规划时，进行步骤S18：确认是否重新从步骤S13进行规划。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当步骤S18中进一步确认不重新从步骤S13进行规划时，进行步骤S19：确认是否重新从步骤S11进行规划。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S12中，接收信号灵敏度阈值Rss，th的计算公式为：
其中SRNRX为信噪比，Fs为取样频率，Nused为传送资料的子载波数目，N为总子载波数目；
传输比特率阈值Rb，th计算公式为：Rb，th＝NmodNusedCr/Ts，Nmod为调制信号比特数，Ts为符元时间，Cr为编码率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S13中，设定环境参数包括设定地铁环境传播条件参数。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S13中，设定环境参数包括计算最大多普勒偏移频率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S14中，计算链路预算包括计算基地台有效等向辐射功率、路径传输损失和接收端接收信号功率；
基地台有效等向辐射功率EIRP的计算公式为：EIRP＝Pt+Gt；
所述路径传输损失PL(d)的计算公式为：
所述接收端接收信号功率PR(d)的计算公式为：PR(d)＝EIRP-PL(d)。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S15中，将接收信号灵敏度阈值
公式作为判断准则，可判断PR(d)落在Rss，th的某个阈值区间内，再根据传输率阈值Rb，th＝NmodNusedCr/Ts公式，可得知其相对应的传输率为Rb(d)＝Rb，th；接着，取出细胞半径分别于d0、d0+Δd、d0+2Δd、...、d的传输率，组成一个「传输率向量」为：Rb，d＝[Rb(d0) Rb(d0+Δd) Rb(d0+2Δd) ... Rb(d)]，并计算Rb，d的期望值Rbe(d)＝E[Rb，d]，E[]代表期望值；最后，在计算所有d值的Rbe(d)后，取出Rbe(d)大于Rb，tgt中的最小值
与其对应的d*值，即
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S15中，包括执行蒙地卡罗验证MC次，计算总平均细胞半径为：
在d* k的下标k代表执行蒙地卡罗验证的第k次实验。
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2020
- 2020-12-03 CN CN202011396096.XA patent/CN112689262B/zh active Active
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