基于 LTE 的車地通信系統承載 PIS 和CCTV 業務能力研究

謝帥虎，李 杰，霍曉峰，宋傳旺，張守芝，董 瑛，劉 棟

（1. 青島理工大學信息與控制工程學院，山東青島 266520；2. 青島地鐵集團有限公司，山東青島 266000；3. 北京中興高達通信技術有限公司，北京 100191）

0 引言

地鐵的出現很大程度上緩解了交通壓力，但人們已不滿足于當前廣播和文字信息的服務質量，而轉向節目和新聞等相關多媒體信息的多樣性服務體驗[1]。乘客信息系統（PIS）就是以乘客為服務中心的運營系統，能夠為乘客提供所需要的各類信息，因此，被越來越多地應用到地鐵行業中。

另外，對于人員密集且流量大的地鐵環境，為實現列車車廂內的動態監控，便于操作人員觀察地鐵中乘客的上下車情況，以及為運營公司的調度工作提供便利，在此背景下提出了視頻監控的要求，閉路電視系統（CCTV）因此成為了城市軌道交通的主要系統之一[2]。CCTV 可以將列車內情況上傳到控制中心，進行全程監控，保障列車實時安全運營。在地鐵建設過程中，對于如何部署網絡以滿足 CCTV 系統的帶寬需求，是一個值得商榷的問題。

目前對于承載 PIS 和 CCTV 這樣的大帶寬需求的業務主要采用無線局域網（WLAN）技術。但 WLAN 工作在開放頻段，存在較多的干擾源，在列車高速行駛時，網絡性能很不穩定，很有可能出現卡頓現象，因此急需新的技術來改善這種現狀[3]。

長期演進（LTE）是由第三代合作伙伴計劃（3GPP）機構啟動的研發項目，它是專門為高速移動條件下而定義的一個寬帶網絡標準，改善了 3G 的空中接入技術，在 20 MHz 頻譜帶寬下可提供下行 100 Mbit/s、上行 50 Mbit/s 的峰值速率，其帶寬高、穩定性強等特點十分適合于地鐵應用。許多學者對 LTE 在地鐵中的應用展開研究，文獻[4-6]對 LTE 在乘客信息系統無線傳輸中的應用進行了研究，得出 LTE 具有帶寬高、覆蓋范圍廣和抗干擾能力強等優點，且更適合 PIS 車地間的無線通信等結論；文獻[7-8]利用LTE技術對乘客信息系統組網方案進行了分析，測試結果表明無線通道性能符合標準要求。雖然關于 LTE 技術在城市軌道交通中應用的文獻有很多，但很少有針對 PIS 和 CCTV 單業務承載能力的研究。本文在青島地鐵 2 號線 LTE 車地無線通信網絡環境下，測試分析不同帶寬對 PIS 和 CCTV 業務的承載能力。

1 LTE 系統設計方案

LTE 車地通信系統為 PIS 和 CCTV 業務提供數據通道，以實現各種數據信息的雙向傳輸。以青島地鐵 2 號線為例，整個系統由控制中心子系統、車站子系統和車載子系統組成（圖 1）。

圖1 LTE 系統構成圖

1.1 控制中心子系統

控制中心子系統主要是為 PIS 和 CCTV 提供車地寬帶無線接口、核心網設備以及配套網管平臺。

1.2 車站子系統

車站子系統主要由 LTE 基站及相關設備組成。在車站機房布置基站的基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）設備，BBU 通過交換機連接核心網設備，RRU通過多系統接入平臺（POI）與通信系統其他信號合路。合路后的無線信號饋入敷設于區間的漏纜，實現區間的信號覆蓋。

1.3 車載子系統

車載子系統主要由列車接入單元（TAU）設備組成。TAU安裝在車頭和車尾，通過以太網接口與車載交換機連接，建立數據信息交互的通道，實現與各業務系統之間的通信。TAU 通過安裝于列車車體外的天線實現與區間漏纜的無線交互。PIS 流媒體信息經漏纜發送、TAU 天線接收后，顯示在車載液晶顯示屏（LCD）上。CCTV 圖像信息通過 TAU 天線發送到漏纜中，然后通過控制中心與車站之間的有線鏈路將信息上傳到控制中心設備。

2 無線覆蓋設計

LTE 系統的無線覆蓋一般需要綜合考慮切換區分析和鏈路預算，得出單個 RRU 的最大覆蓋距離。切換區示意圖如圖 2 所示，包括切換遲滯區、切換測量區和切換執行區 3 部分。

圖2 切換區示意圖

切換遲滯區定義為目標小區的參考信號接收功率（RSRP）高于源小區 RSRP 時的區域。在地鐵正線區間，配置切換門限為 2 dB。切換測量區即切換的測量上報區。切換執行區是從物理信道重配指令下發到完成的區域。切換區距離計算公式為：

式（1）中：λ為漏纜每米損耗值，根據漏纜廠家給出的參考值，取每 100 m 損耗 4.1 dB（1.8 G 頻段）；ν是列車最大行駛速度，按照 100 km/h 取值；t1和t2分別表示測量時長和切換時延，兩者之和一般為 300 ms 以內。根據式（1）計算可得切換區長度d為 65.45 m。

根據下行參考信號預算和上、下行業務信道預算結果，RRU 單邊最大覆蓋距離為 652.7 m，故單個 RRU 最大覆蓋距離為 652.7×2 - 65.45 = 1 239.95 m，超出該距離時需要增加 RRU 設備。實際上，RRU 需要根據列車行駛線路的走向和坡度具體情況進行部署。

3 PIS 和 CCTV 業務需求分析

PIS 是一種應用網絡技術和多媒體技術形成的綜合性服務系統，用于為乘客提供導乘信息、列車運營信息以及廣告、新聞媒體、娛樂節目等信息。控制中心將此類信息編輯整理后，通過車地無線通信網絡將高清視頻信息 720P 以組播方式下發到列車，實時顯示在 LCD 顯示屏上，其帶寬需求一般為下行 2～6 Mbit/s。

CCTV 業務就是將列車駕駛室和客室內的監控錄像通過車地無線通信網絡上傳到控制中心，實時監控列車運營情況，保障公眾安全。為保證監控效果，CCTV 業務設計為 720P 分辨率，采用 H.264 編碼方式，每 1 路視頻編碼帶寬為 2 Mbit/s。

4 PIS 和 CCTV 業務性能測試

為了測試系統在不同帶寬下對 PIS 和 CCTV 業務的最大負荷能力，并為后續工程調試提供參考，根據現場建設條件，測試環境選擇在青島地鐵 2 號線上行線路的某 3 站 2 區間（全長 1 977 m 左右）進行實地測試。首先將 LTE 系統網絡帶寬先后設置為 5 MHz、10 MHz和 15 MHz，進行場強覆蓋、區間吞吐量測試。在保證場強覆蓋能夠滿足 LTE 系統需求規范要求的前提下，根據上、下行區間吞吐量最小值計算出不同帶寬下系統對 PIS 和 CCTV 單業務的承載能力，再分別進行測試驗證。

4.1 場強覆蓋測試與分析

在進行網絡信號場強 RSRP 覆蓋測試之前，首先要在測試區間做好網絡無線鏈路優化工作，且在網管和基站設備運行正常的條件下，將抓包分析工具 zCAT 的取樣時間設置為 1 s，利用 zCAT 連接 TAU 傳輸的信號，在列車運行狀態下先后進行 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 這3 種帶寬下的 RSRP 測試，其測試結果如表 1 所示。由表 1 可知，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下 RSRP 最小分別為：-92 dBm、-92 dBm 和 -93 dBm，均滿足不低于 -95 dBm 的要求。

表1 RSRP 測試結果統計 dBm

4.2 區間吞吐量測試與分析

由于系統數據傳輸時存在著多種干擾，如同隧道中同頻干擾、雜散干擾和互調干擾等情況，而吞吐量是能直觀反映 LTE 技術抗干擾能力的重要指標，因此，要進行區間吞吐量測試。區間吞吐量測試使用 Ixchariot軟件，設置軟件中的控制端和終端 IP 地址，通信協議選擇為 UDP 協議，測試腳本選擇為 Throughput.scr，在列車啟動時運行該軟件，先后測試 5 MHz、10 MHz 和15 MHz 不同帶寬上、下行吞吐量。測試結果如圖 3～圖 8 所示，由圖可知：5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下的上行吞吐量最小值分別為 4.03 Mbit/s、7.14 Mbit/s和 9.64 Mbit/s；下行吞吐量最小值分別為 2.72 Mbit/s、5.59 Mbit/s 和 9.01 Mbit/s。分析不同帶寬上、下行吞吐量的概率分布情況會發現，3 種帶寬的上行吞吐量較分散，說明上行吞吐量較穩定，一直在平均值附近波動；而下行吞吐量均集中在某一值附近，其余部分僅占很少概率，懸殊太大。造成這種現象的主要原因是單漏纜以及單天線的組網方式導致下行接收功率的不平衡，從而導致信號在切換期間的吞吐能力急劇變弱。

圖3 5 MHz 上行區間吞吐量測試結果

圖4 5 MHz 下行區間吞吐量測試結果

圖5 10 MHz 上行區間吞吐量測試結果

圖6 10 MHz 下行區間吞吐量測試結果

圖7 15 MHz 上行區間吞吐量測試結果

圖8 15 MHz 下行區間吞吐量測試結果

4.3 PIS 和 CCTV 單業務測試

4.3.1 PIS 單業務測試

根據 4.2節區間 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下行最小吞吐量測試結果推算，應可以分別滿足 1 路 2M、4M 和 6M 的 PIS 下行組播業務帶寬需求。為了驗證系統在 3 種帶寬下承載 PIS 業務的能力，在列車 65 km/h 速度下進行 PIS 單業務測試。考慮到列車移動到邊緣切換區時會發生切換，此時的吞吐量會急劇降到最低，對視頻效果極可能造成卡頓現象，故將車載服務器緩沖時間設置為 20 s 左右并采取補包措施，從而保證不影響用戶的觀看體驗。在列車運行時，控制中心下發 PIS 視頻到LCD 顯示屏進行測試，測試過程中通過目測觀察視頻播放情況。測試結果如表 2 所示，視頻下發播放過程中全程流暢，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬能夠分別承載 1 路 2M、4M 和 6M 的 PIS 業務。

表2 PIS 業務測試結果

4.3.2 CCTV 單業務測試

通過分析 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下的上行最小區間吞吐量結果，系統應至少可以分別滿足1路2M、2 路 4M 和 3 路 6M 的 CCTV 視頻上傳業務。首先將列車駕駛室及各客室攝像機的碼率設置為 2M，在不同帶寬下分別添加 1 路、2 路和 3 路攝像機到空白監控區進行測試，并打開 Net Meter 軟件對當前網絡數據量進行監控。列車在 65 km/h 速度下的測試結果如表 3 所示。測試結果表明，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬流量范圍分別為 0.91～2.09 Mbit/s、1.51～4.03 Mbit/s 和 2.41～5.95 Mbit/s，視頻流暢且無卡頓現象。所以，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下系統可分別承載 1 路、2 路和 3 路 CCTV 上傳業務。

5 結論

根據青島地鐵 2 號線 LTE 系統 PIS 和 CCTV 單業務的測試結果，可以得到如下結論：

（1）在 5 MHz 帶寬條件下，LTE 系統能夠滿足 1 路2M 下行 PIS 和 1 路 2M 視頻上傳業務承載需求；

表3 CCTV 業務測試結果

（2）在 10 MHz 帶寬條件下，LTE 系統能夠滿足1 路 4M 下行 PIS 和 2 路 4M 視頻上傳業務承載需求；

（3）在 15 MHz 帶寬條件下，LTE 系統能夠滿足1 路 6M 下行 PIS 和 3 路 6M 視頻上傳業務承載需求。

因此，基于 LTE 技術的車地無線通信系統完全可以承載 PIS 和 CCTV 大帶寬業務。本文對 PIS 和 CCTV 業務的測試結果，對不同帶寬下的 PIS 和 CCTV 業務規劃設計有一定的參考價值。