LTE車地無線通信系統互聯互通測試研究

司朝剛

摘 要：城市軌道交通建設周期長，不同線路車地無線通信系統可能采用不同廠家設備，這樣不利于地鐵運營部門管理，甚至，當列車跨線運營時可能造成列車緊急制動或者發生安全事故。該文首先對LTE車地無線通信系統互聯互通測試需求與測試場景進行分析，其次設計互聯互通測試方案，最后給出測試結果并討論，對其他LTE互聯互通測試的開展具有參考意義。

關鍵詞：LTE；車地無線通信；互聯互通

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A

1 基于LTE的車地無線通信系統簡介

城軌CBTC系統由于其雙向、連續、大容量傳輸的優勢，逐漸成為信號系統的主流，其中基于LTE的車地無線通信系統是承載列車安全信息的重要傳輸通道，在目前新建的城市軌道交通中占據著重要地位。

LTE車地無線通信系統由控制中心EPC、車站BBU、軌旁RRU、漏泄同軸電纜、車載無線控制單元TAU以及附屬的交換設備組成，其中核心網EPC由MME、SGW、PGW 3個實體功能模塊構成。LTE各網元設備間存在接口及相應的網絡協議，系統網絡架構如圖1所示。

2 車-地無線通信系統互聯互通測試方案設計

2.1 互聯互通測試需求分析

為便于LTE互聯互通測試的進行，選擇2個不同設備廠家進行測試，其中地面EPC、eNB與車載TAU分別選擇不同設備廠家。

統一各LTE網元設備間的接口是實現互聯互通的關鍵，因此需要對TAU和基站間的Uu接口、基站和MME間的S1接口、MME和HSS間的S6a接口以及MME與MME間的S10接口進行測試，其中S10接口為實現TAU在不同小區間切換，在2個不同核心網MME間建立隧道來傳送控制信息。雖然3GPP對LTE各接口的功能有標準定義，但是各通信設備廠家實現的方式各有不同，需要在測試過程中逐一調試完善。

互聯互通測試涉及2個不同設備廠家，在測試過程中難免出現責任劃分問題，因此需要有相應的設備進行實時監測和安排第三方專員進行測試跟蹤。

2.2 互聯互通測試場景分析

根據車載TAU接入地面設備之間的過程，將互聯互通分為3個測試項，分別為無線RRC接入功能測試、核心網NAS層功能測試以及無線越區切換測試，其中無線越區切換過程測試不僅包括前2個功能測試項，還可測試LTE系統不同接口。

2.2.1 RRC無線接入過程

該過程主要驗證TAU在指定的E-UTRAN 的小區中能正確接收和解析系統信息，收到尋呼消息后，能正確完成RRC連接的建立、釋放及重配置，同時可以建立起數據/信令無線承載，并對無線接入過程進行加密和完整性保護。

2.2.2 核心網NAS層功能

該過程主要驗證TAU接入核心網后，網絡側的信令處理機制。包括TAU與網絡間的附著、分離、鑒權和密鑰協商過程；跟蹤區更新、業務請求、尋呼響應等移動性管理。也包括專用承載的激活、修改、刪除等會話管理。

2.2.3 TAU從一個小區切換到另一個小區，完成RRC無線連接和核心網側處理

LTE切換可分為站內切換、基于X2/S1的站間切換以及跨核心網的站間切換。為最大程度地驗證互聯互通測試的正確性，著重測試后者，即TAU的控制流和數據流經過2家不同廠家的基站和MME側，實現切換成功。LTE不同測試場景對應不同的信令消息，信令中攜帶關鍵信元。

2.3 互聯互通測試方案

該部分搭建互聯互通測試鏈路，模擬車地無線通信過程，首先測試地面設備和車載設備的無線連接性能以及核心網的處理功能，再通過模擬列車跨不同小區不同核心網下的越區切換性能。

2.3.1 互聯互通無線接入測試方案

該方案用于測試靜態連接性，驗證分別來自2個不同廠家的TAU和核心網（含基站）之間是否能相互接入，包括了RRC無線連接和NAS層功能測試項，測試系統無線連接時延、丟包率及傳輸帶寬的指標。

PC1和PC2為終端服務器，裝載IxChariot軟件，分別在性能指標測試時，模擬車地通信設備，核心網EPC、BBU、RRU均屬于廠家A設備，TAU來自廠家B，固衰和可編程衰減器模擬車地無線通信環境，通過調節固衰和可編程衰減器，設置車載TAU處的RSRP達到-85 dBm，SINR為19 dBm，該值也是車載終端在LTE基站覆蓋下的小區邊緣接收到的信干噪比。測試中子幀配比為DSUUDDSUUD，特殊子幀配比為10︰2︰2，系統帶寬為5 M，對于下行鏈路，參考信號發射功率為10 dBm，RRU發送功率為47 dBm；對于上行鏈路，TAU發送功率為-23 dBm～23 dBm，路徑損耗約為90 dBm。在IxChariot軟件上設置一路CBTC業務，數據包大小為400 Bytes，傳輸速率為100 kbps，通過啟動PC1和PC2上的IxChariot控制端開始測試。

2.3.2 互聯互通越區切換測試方案

該方案用于測試車載的切換性能，2個RRU同屬一個BBU，同樣的，廠家B的TAU在廠家A的網絡間跨區切換，系統參數配置與靜態測試相同。

車地無線環境由固衰、可編程衰減器以及合路器模擬，其中固衰為60 dB，可編程衰減器從0 dB～60 dB以每500 ms變化1.5 dB的速率調節，通過固衰和可變衰減的共同調節模擬列車真實越區切換的信道條件，保證每10 s車載在2個RRU小區間至少切換1次，合路器實現TAU與可編程衰減器間的連接。

2.3.3 互聯互通跨核心網切換測試方案

該方案是對方案二的補充和深化，廠家A的TAU從自己的網絡切換到廠家B的網絡，其中基站eNB（BBU+RRU）和核心網分別從屬于不同設備廠家，切換路由經過2家的基站和核心網設備且共用一個HSS，系統參數配置與上述2方案一致，設備架構連接如圖2所示。

地面區域控制器ZC1和ZC2用2臺PC機模擬，MME之間的接口為S10，MME與HSS之間的接口為S6a，整個地面設備通過交換機相連，該切換測試將接口、RRC、NAS等功能測試項整合，其中信令監測儀連接交換機上的鏡像接口監測互聯互通信令交互，為測試提供第三方認證服務。

3 測試結果及討論

車地通信時延、丟包主要影響列車運行效率。在10 M帶寬配置下，切換1 000次，LTE單核心網切換時延平均值為46 ms ，最大值為127 ms；跨核心網切換時延平均值為47 ms ，最大值為186 ms，丟包率為0。

地鐵設計中，一般控制中心設置的核心網設備與車站通信設備交互，丟包率和單核心網切換時延符合大部分配置實際，且滿足信號系統對LTE車地無線通信系統丟包率小于1 %，時延小于150 ms的傳輸需求。跨核心網切換測試是對設備性能的極限測試，測試結果小于信號系統對車地無線傳輸的極限值。測試結果丟包率為0，是由于LTE技術中有緩存和轉發機制，越區切換時，先將數據保存在切換前的基站一側，切換成功后，通過基站間的X2接口轉發到另一側，防止了數據包丟失。

4 結語

該文研究了LTE車地無線通信系統互聯互通測試需求、設計測試方案、搭建測試環境、討論測試結果，LTE互聯互通測試結果表明其無線傳輸性能能夠滿足信號系統的要求，為現場互聯互通測試提供了一定依據。

參考文獻

[1]姚斌.3GPP LTE無線接口協議及體系結構[J].移動通信，2007，31（12）：54-57.

[2]步兵.CBTC系統中無線通信的可用性分析[D].北京：北方交通大學，2001.