城市軌道交通車地通信TD-LTE綜合業務承載測試分析

顧向鋒

(中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司,450052,鄭州//工程師)

城市軌道交通車地通信TD-LTE綜合業務承載測試分析

顧向鋒

(中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司,450052,鄭州//工程師)

鄭州地鐵1號線車地無線系統首次采用TD-LTE(分時—長期演進)專網。通過專用測試儀器和網絡測試系統,對TD-LTE車地無線傳輸性能和綜合業務承載能力進行測試。分析了測試內容和測試結果,指出TD-LTE專網具有實時性好、可靠性高、穩定性強、丟包率低、越區切換業務無中斷且成功率高、終端連接時間短且成功率高等優點,適合高速移動下大帶寬以及多業務服務質量保障的軌道交通綜合承載要求。

城市軌道交通; 車地通信; TD-LTE; 綜合承載

Author′s address The Fourth Branch of China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.,Ltd.,450052,Zhengzhou,China

將TD-LTE(時分雙工—長期演進)移動通信技術用于承載城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)、PIS(乘客信息系統)、CCTV(閉路電視)等生產系統的業務信息,高效運用現有城市軌道交通基礎設施,提高運營效率,已成為城市軌道交通運輸領域最新關注的焦點。

目前鄭州地鐵1號線已建成TD-LTE車地無線通信系統,為驗證TD-LTE系統在城市軌道交通車地無線通信多業務綜合承載的可用性,需進行TD-LTE設備的通信性能測試。

1 測試內容和方法

基于TD-LTE技術的城市軌道交通車地無線通信綜合承載平臺需在列車運行狀態下,滿足實時、寬帶、穩定、具有服務質量(QoS)保障的生產業務需求。生產業務的帶寬需求如表1所示。

表1 生產業務帶寬需求

測試主要包括以下四部分內容:

(1) TD-LTE系統的傳輸時延、丟包率,以及傳輸帶寬、切換時延性能;

(2) TD-LTE系統承載CBTC業務信息、列車實時狀態信息、車載CCTV監控圖像信息、PIS圖像信息的綜合業務傳輸性能;

(3) TD-LTE系統的穩定性;

(4) TD-LTE系統的抗干擾性能。

1.1 測試方案

利用現有的鄭州地鐵1號線TD-LTE系統測試相關業務數據。其中,CBTC業務信息、列車實時狀態信息采用模擬方式進行數據的發送和接收,車載CCTV監控圖像信息和PIS圖像信息采用真實設備進行發送和接收。如圖1所示。

(1) CBTC業務信息:采用模擬CBTC系統進行數據包的發送和接收。模擬CBTC系統由模擬CBTC地面服務器和模擬CBTC車載測試設備組成。

圖1 TD-LTE網絡綜合業務測試方案

(2) 列車實時狀態信息:采用模擬列車實時狀態信息系統進行數據包的發送和接收。模擬列車實時狀態信息系統由模擬列車實時狀態信息地面服務器和模擬列車實時狀態信息車載測試設備組成。

(3) CCTV系統:采用真實CCTV系統設備實現車載CCTV監控圖像信息回傳業務。CCTV系統由控制中心設備、車載視頻監控設備等組成。

(4) PIS系統:采用真實PIS設備實現車載PIS圖像業務。PIS由車載設備、PIS中心服務器等組成。PIS流媒體直播信息由下行信道承載,承載帶寬為每列車2～6 Mbit/s,由中心下發到列車的PIS。

1.2 服務質量規劃

在系統中,將CBTC信號承載業務的優先級設置為1,即最高優先級。緊急信息在特殊需求情況下發送,因此也要求有較高的優先級、較低的時延、較低的丟包率。根據不同業務的要求,結合TD-LTE對優先級和服務質量分類,對各業務的優先級和服務質量(延時、丟包等)進行劃分，如表2所示。

表2 業務優先級和服務質量劃分

1.3 測試儀器配置

測試過程中用到的各種儀器如下:

(1) 高速掃頻儀:1臺,場強覆蓋測試；

(2) IP網絡測試系統:2臺,系統性能測試;

(3) 秒表:1臺,系統功能測試。

1.4 測試方法

本文以TAU(列車接入單元)連接建立時間測試為例,分析業務測試方法與誤差控制措施。

測試目的:業務網絡服務質量測試,測試LTE網絡連接建立時間。

測試條件:①LTE網絡配置正常,2臺TAU 600接入LTE網絡,整個網絡配置正常;②LTE承載的業務正常運行;③TAU下掛的測試PC 1與核心網的測試PC 2互通正常;④測試PC 1安裝測試工具Histudio、軟件IPOP。

測試步驟:①使用IPOP登陸到TAU 600,發送AT命令at+cfun=0 0對Modem芯片關機，使用AT命令at+cfun=1 0對Modem芯片開機;，驗證設備是否正常連接②使用HiStudio-LTEAirLayer統計從idle態TAU發Preamble到TAU發送RRC Connection Reconfiguration Complete(無線資源控制重配置完成)的時間;③重復測試20次,統計其平均時間。

測試結果:通過。

(1) 使用AT命令開、關機成功，設備連接正常;

(2) 使用HiStudio-LTEAirLayer統計從idle態TAU發Preamble到TAU發送RRC Connection Reconfiguration Complete的時間為125 ms;

(3) 重復測試20次,計算得出TAU連接建立的平均時間為124.75 ms。

1.5 TD-LTE傳輸性能測試

城市軌道交通生產系統中對于傳輸性能的實時性和可靠性的要求很高，本文就無線業務的傳輸時延、切換時延、丟包率測試情況進行分析。

TD-LTE無線系統傳輸中涉及的主要網元包括終端、基站和核心網。整個數據傳輸時延的構成,分解為各個網元的處理時延、空口傳輸時延以及S1口傳輸時延(見表3)。

表3 傳輸時延分段

切換時延包括切換控制面時延和切換用戶面時延。采用專車、共用車、徒步等測試手段,記錄統計切換情況。測試統計如圖2、3所示。切換控制面平均時延為19 ms,最大值為21 ms,最小值為16 ms；切換用戶面平均時延為59.2 ms,最大值為64 ms,最小值為54 ms。

圖2 切換控制面時延統計圖

圖3 切換用戶面時延統計圖

動態環境下測試了不同列車速度下的數據丟包率，見表4。

從以上測試可以看出,LTE系統業務數據端到端的單向傳輸時延小于100 ms,越區切換無中斷且切換成功率高,信息傳輸及時準確,完全滿足城市軌道交通車地通信綜合業務承載實時、安全、可靠傳輸的要求。

表4 不同列車速度下的丟包率

1.6 綜合業務承載測試

測試TD-LTE網絡承載CBTC、CCTV與PIS綜合業務的能力,統計列車控制性能指標,評估列車控制數據是否可滿足實際應用場景。測試時,產生2路模擬CBTC業務,其中1路是列車狀態信息業務,設置為最高優先級;在15 Hz帶寬條件下,上傳2路CCTV視頻監控,速率為2×2 Mbit/s;下行分發1路PIS視頻,速率為4 Mbit/s；使用業務模擬器產生1路緊急文本業務、1路列車狀態信息業務。

(1) CBTC業務測試:列車速度分別保持在20 km/h、40 km/h、60 km/h的情況下,進行了CBTC業務數據測試,CBTC均可看到正常的數據業務流,無丟包現象。

(2) 上行車廂視頻監控測試:上行業務進行反復拉網測試,在OCC(運營控制中心)調取運行車輛的車內視頻監控,滿足協商視頻采集碼率2.0 Mbit/s的攝像頭視頻流暢清晰；可以同時調取多路視頻,保持拉網過程中視頻清晰流暢。

(3) 上下行視頻并發測試:專車拉網驗證,正線全線進行測試,并發業務。下行由OCC向全網運行車輛播發6 Mbit/s高清片源保持,上行OCC控制中心同時調取行車內視頻監控1～3路保持。車速分別保持在20 km/h、40 km/h、60 km/h。整個拉網測試中上行視頻監控和下行視頻播放流暢，無馬賽克。

2 測試分析

2.1 綜合承載能力分析

城市軌道交通生產系統需要承載多種業務,對無線傳輸系統有明確的帶寬速率要求。本文對TD-LTE系統10 MHz帶寬下的單天線傳輸吞吐量進行分析。

在時隙配比1(即上下行時隙比例為2:2)、10 MHz帶寬下,下行鏈路和上行鏈路SINR(信干噪比)吞吐量關系如圖4、圖5所示。

圖4 時隙配比1下行吞吐量

圖5 時隙配比1上行吞吐量

從圖4、圖5中可以看出,在時隙配比1下,在MIMO(多入出)為 1×1的配置下,SINR在0 dB左右時,下行鏈路能提供5 Mbit/s左右的吞吐量,上行鏈路則為2 Mbit/s左右;當SINR上升到15 dB時,下行鏈路和上行鏈路分別能提供約27 Mbit/s和11 Mbit/s的吞吐量。

2.2 列車高速運行下的性能分析

列車高速運行對無線傳輸系統性能的影響，主要為多普勒頻移導致無線鏈路極不穩定,嚴重影響基站解調性能,引起傳輸性能指標惡化。多普勒頻移對無線通信系統的影響主要在以下兩個方面:

(1) 隨機接入信道(Random Access Channel,簡為RACH)的性能損失導致呼叫成功率降低;

(2) 專用業務信道(Dedicated Channel,簡為DCH)的性能損失導致掉話率上升。

為了對抗列車高速運行情況下的多普勒效應,基站接收機必須采用自動頻率糾正(Automatic Frequency Control,簡為AFC),即自動頻率控制進行頻率糾偏。基站通過快速測算列車高速帶來的頻率偏移,補償多普勒效應,改善無線鏈路的穩定性,從而提高解調性能。

圖6對比了相干長度為2 560個符號,有無AFC時RACH的前導檢測性能。由圖6可知，未接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,1 000 Hz頻移的RACH前導檢測性能損失為5 dB,1 500 Hz頻移的性能損失達到14 dB;接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,500 Hz頻移的性能損失小于0.5 dB,1 000 Hz頻移的性能損失小于1 dB,1 500 Hz頻移的性能損失為1.2 dB。顯而易見,在有頻移情況下，接入AFC大大改善了RACH的前導檢測性能。

圖6 有無AFC時RACH的前導解調性能

圖7對比了信道估計平滑長度為20個符號,有無AFC時RACH的消息解調性能。由圖7可知，未接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,600 Hz頻移的RACH性能損失達到4 dB,700 Hz頻移的性能損失達到10 dB,750 Hz頻移的性能損失超過20 dB,更高的頻移將導致接入消息無法正確解調;接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,500 Hz頻移的性能損失小于1 dB,1 000 Hz頻移的性能損失小于1.5 dB,1 500 Hz頻移的性能損失為2.5 dB,1 600 Hz頻移的性能損失僅為4 dB。顯而易見,在有頻移情況下，接入AFC大大改善了RACH的消息解調性能。

圖7 有無AFC時RACH的消息解調性能

圖8對比了信道估計平滑長度為20個符號,有無AFC時專用信道的解調性能。由圖8可知，無專用信道AFC時,與無頻移時的性能相比,600 Hz頻移的性能損失達到4 dB,700 Hz頻移的性能損失達到10 dB,750 Hz頻移的性能損失超過20 dB,更高的頻移將導致接入消息無法正確解調;有專用信道AFC時,與無頻移時的性能相比,1 000 Hz頻移的性能損失小于0.2 dB,1 500 Hz頻移的性能損失小于0.5 dB,1 600 Hz頻移的性能損失為0.7 dB。可見,在有頻移情況下，接入AFC大大改善了DCH的解調性能。

綜上所述，通過AFC算法可糾正頻偏帶來的對基站解調性能的影響。在1.4 GHz載頻、車速200 km/h情況下，頻偏為259 Hz,采用AFC算法

圖8 有無AFC時專用數據信道改善解調性能

后,RACH的性能損失小于1 dB,而DCH的性能損失小于0.2 dB,對城市軌道交通車地通信的性能幾乎沒有影響。

3 結語

通過鄭州地鐵1號線車地通信綜合業務承載測試,驗證了TD-LTE無線網絡具有實時性好、可靠性高、穩定性強、丟包率低、越區切換業務無中斷且成功率高、終端連接時間短且成功率高等優點,而冗余結構增加了系統可靠性和可用性。因此，TD-LTE無線專網在抗干擾性、高速移動狀態下大帶寬以及多業務QoS的保障上,均能滿足城市軌道交通多業務綜合承載需求。

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Analysis of Integrated Service Carrying Test for Train-Ground Communication Based on Metro TD-LTE Technology

GU Xiangfeng

TD-LTE network is adopted for the first time as the train-ground wireless system on Zhengzhou Metro Line 1.In order to verify the overall capacity, the performance of TD-LTE wireless transmission and integrated service capacity are tested through the special testing instrument and network testing system.The test contents and results are analyzed, which show that TD-LTE network features good real-time performance,high reliability,high-speed suitability and multi-service guarantee, and therefore could meet comprehensive requirements for large bandwidth with high-speed mobile and multi-service guarantee of urban rail transit.

urban raial transit; train-ground communication; TD-LTE; integrated service capacity

U 231.7; TN 929.5

10.16037/j.1007-869x.2016.07.030

2014-08-29)