城軌快線車地無線通信測試

張蕾

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司 四川省成都市 610031）

1 引言

城軌快線的建設，對補充公共交通的多樣性，提高城市發展新區各功能組團與主城區之間以及主城區內部出行效率和能力有著顯著效果。

從發改基礎〔2017〕1173 號《關于促進市域（郊）鐵路發展的指導意見》到2019年的《交通強國綱要》、到2020年的《關于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發展的意見》、再到2021年的《國家綜合立體交通網規劃綱要》以及《關于國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》-十三屆全國人大四次會議精神，都從政策層面在積極推進高速軌道交通、都市圈市域（郊）鐵路的建設，對改善我國軌道交通結構、優化城鎮空間布局、促進新型城鎮化建設將發揮重要作用。

早期的城軌快線速度一般在100 km/h 或120km/h，如廣州3 號線、深圳11 號線；隨著軌道交通技術的發展，乘客對都市圈內快速通行的需求，近期的城市快線速度一般在120 km/h～160 km/h 范圍內，如北京新機場線、成都17/18/19 號線，重慶江跳線/27 號線、深圳龍大線/深大/深惠線、廣州18/22 號線。

160 km/h 的時速就是城軌快線的目標值嗎？雖然目前針對城軌快線的技術標準，普遍適用范圍為120 km/h～ 160 km/h，但是相信在“高速軌道”交通時代， 城軌快線的速度必然會不斷提升。通過有針對性的選取三種車地無線通信系統技術制式，開展城軌快線的車地無線實驗室測試，為下階段技術發展、工程應用提供基礎數據資源。

2 車地無線業務承載需求

2.1 城軌快線車地無線通信需求分析

根據《城市軌道交通CBTC 信號系統行業技術規范-數據通信子系統規范》以及《LTE-M 系統需求規范》相關要求，綜合考慮其他生產業務，城軌快線生產業務車地無線通信需求詳見表1。

表1：城市軌道交通生產業務車地無線通信需求

2.2 城軌快線車地無線通信系統主要技術

針對城軌快線車地無線通信系統，可以分為窄帶無線及寬帶無線通信兩類。窄帶無線通信技術主要數字集群Tetra 技術；針對寬帶無線通信，目前開通、在建線路主要采用LTE、EUHT、WLAN等技術。

本文立足于成都軌道交通，選取Tetra、LTE-M、LTE-U 三種技術方案，通過分別開展三種技術在高于160km/h 速度運行下的實驗室模擬測試，為后期分析研究系統性能提供數據基礎。

3 高速移動場景下車地無線通信的關鍵點

3.1 多普勒頻移

列車高速運動會導致接收端接收信號頻率發生變化。頻率變化的大小和快慢與列車的速度相關，車速受客觀條件的限制是時變的，所以多普勒頻率擴展也是時變的。對接收機來講，相當于有個時變的頻率對原有接收信號進行了調制，如果不能排除該時變的頻率影響，必然會導致接收機的解調性能下降。

3.2 快速切換

高速移動的環境下帶來的一個不可忽略的問題是快速切換。若重疊覆蓋區過小，導致終端在切換未處理完成之前，與服務小區失去連接，使得業務中斷。所以，對于高速線路沿線的網絡，要根據切換啟動門限參數的設計，以及完成切換流程所需時間統計，估算切換區所需的重疊覆蓋區域大小，只有當兩個小區覆蓋重疊區域設計得足夠大，才能保證終端將滿足切換條件的測量事件上報之后，有足夠的時間跨越整個重疊覆蓋區。

3.3 多徑衰落

由于漏纜傳播無線信號覆蓋比較均勻，并且在軌道交通隧道場景中漏纜泄露的信號方向性強，大大降低了多徑的影響。

4 在高速移動環境下的實驗室測試

本次實驗室測試由北京交通大學的“軌道交通運行控制系統國家工程研究中心”提供測試報告。

4.1 TETRA系統

4.1.1 測試目標

國標《SJ-T_11228-2000_數字集群移動通信系統體制》對TETRA 系統的抗干擾性有明確描述。而這些指標為系統的特性指標，其不會以系統的安裝環境和使用條件的不同而改變。

因此，本次測試將從系統的使用角度驗證200km/h～250 km/h高速使用條件下是否對TETRA 系統存在影響，所測試的項目如下：

（1）呼叫接通率/失敗率；

（2）切換成功率；

（3）控制信道和話務信道性能測試；

（4）接通時延（500ms）；

（5）驗證列車運行速度200/220/250km/h 時，是否支持系統功能實現。

上述指標最直觀的體現了系統的使用狀況，其結果將表明系統是否可以正常工作。

4.1.2 測試設備

對于本次測試，摩托羅拉公司配合提供如圖1 測試設備配合測試。

圖1：測試設備型號

4.1.3 測試儀器

如圖2所示。

圖2：測試儀器

4.1.4 測試配置

基站輸出功率：34dBm；基站發射頻點：1 號站（863.0375 MHz）、2 號站（864.5375 MHz）；手持臺輸出功率：30dBm。

4.1.5 測試結論

（1）摩托羅拉TETRA 系統在200/220/250km/h 速度下呼叫接通率是100%，滿足業務需求；

（2）摩托羅拉TETRA 系統在200/220/250km/h 速度下組呼切換成功率是99.7%到99.8%，滿足業務需求；

（3）摩托羅拉TETRA 系統在200/220/250km/h 速度下單呼切換成功率是99.7%到100%，滿足業務需求；

（4）摩托羅拉TETRA 系統在200/220/250km/h 速度下支持半雙工單呼、全雙工單呼、短數據業務和遲后加入功能。

（5）摩托羅拉TETRA 系統在200km/h 速度時呼叫接通時間，滿足業務要求；在220 km/h 、250km/h 速度時呼叫接通時間不滿足要求，待下階段結合現場測試進一步驗證。

4.2 LTE-M系統

4.2.1 測試目標

本測試目的是在實驗室環境驗證200km/h 時速條件下LTE 無線傳輸列車狀態信息業務傳輸能力，LTE 承載CBTC、PIS/CCTV業務的傳輸延時性能、丟包性能、切換延時性能、傳輸中斷概率，以及LTE 網路綜合承載的能力。

4.2.2 測試設備

如圖3所示。

圖3：測試設備說明

4.2.3 測試設備

（1）信道模擬器，能夠模擬在1.8GHz 的LTE 頻點下的小尺度無線衰落特性，支持徑數不少于4 條，最大延時徑的延時不小于1us。支持的多普勒頻偏的列車速度分別為200km/h 、220km/h、250km/h 。

（2）可調衰減器，主要模擬在一定速度條件下小區切換的能力。能夠仿真1.8GHz 的LTE 頻點下的大尺度衰落特性。

（3）模擬業務性能測試軟件為IxchariotV6.7，安裝在業務服務器和業務客戶端上，完成LTE 基本性能的測試。所有測試指標的統計間隔為1 秒。對于傳輸延時等性能，需要支持在模擬業務數據包上打時間戳，在對端進行時間戳分析的方式計算延時。不允許采用ping 包的方式進行延時估計。

4.2.4 測試結論

測試結論如圖4所示。

圖4：測試結論

4.3 LTE-U系統

4.3.1 測試目標

本測試目的是在實驗室環境模擬現場無線信道特性，驗證在城市軌道交通高速（時速180km/h、200km/h、220km/h）環境下LTE-U 系統承載CCTV 與PIS 系統業務的車地通信能力。

4.3.2 測試設備

如圖5所示。

圖5：測試設備描述

4.3.3 測試設備

與LTE-M 測試設備一致。

4.3.4 測試結論

（1）測試情況：

1.華為技術有限公司LTE-U 系統在20MHz 帶寬異頻組網，時隙配比為2:2 時下行吞吐量如圖6所示。

圖6：下行吞吐量

2.華為技術有限公司LTE-U 系統在20MHz 帶寬異頻組網，時隙配比為2:2 時上行吞吐量如圖7所示。

圖7：上行吞吐量

（2）測試結論：

1.華為技術有限公司LTE-U 系統在20MHz 帶寬同頻組網時，180km/h 速度下時延和切換都不能滿足城市軌道交通CCTV/PIS 業務承載需求。

2.華為技術有限公司LTE-U 系統在20MHz 帶寬異頻組網時，180km/h、200km/h、220km/h 速度下加載兩路4Mbps 速率的CCTV業務和一路8Mbps 速率的PIS 業務，傳輸延時、丟包率和切換中斷性能滿足城市軌道交通CCTV/PIS 業務需求。

5 結束語

《中國城市軌道交通 智慧城軌發展綱要》為城軌交通發展明確了路徑指向，為城軌快線的車地無線通信系統選擇合適的技術制式，是推動城軌智能化、智慧化、信息化的有力保證。通過對Tetra、LTE-M、LTE-U 三種寬窄帶無線技術開展高速場景下的實驗室測試，希望能對城軌快線車地無線通信系統的技術發展、設計應用有借鑒和指導意義。