基于LTE技術的車地通信系統(tǒng)綜合業(yè)務承載能力測試研究

李 杰，霍曉峰

（青島地鐵集團有限公司，山東青島 266520）

1 引言

目前，城市軌道交通車地之間的無線傳輸主要采用基于無線局域網(wǎng)（WLAN）方式，但WLAN技術存在安全性低、不易覆蓋、切換頻繁等缺陷。而且由于WLAN頻段無需無線電委員會的準許，很多民用設備也可工作在這一開放頻段，這些設備有可能對車地無線通信造成干擾。

長期演進（LTE）技術采用正交頻分復用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等關鍵技術，極大地提高了系統(tǒng)帶寬、用戶傳輸數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量，同時降低了時延，還可實現(xiàn)移動高清電視業(yè)務。LTE能夠錯開WLAN頻段，很大程度上降低了干擾風險。

基于LTE技術的通信系統(tǒng)分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）2種方式，本系統(tǒng)采用TD-LTE方式，該方式專為移動高寬帶應用設計無線通信標準。有學者將LTE與其他無線通信技術進行對比分析，認為LTE技術具有可靠性高和抗干擾能力強等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)LTE技術在城市軌道交通的應用。雖已有研究分析了LTE技術的優(yōu)勢，但缺乏實地測試數(shù)據(jù)。本文提出了通過測試20 MHz帶寬下吞吐量情況來分配各業(yè)務，并通過測試驗證業(yè)務分配設計的可行性。

2 車地無線通信業(yè)務

目前，城市軌道交通車地通信主要承載基于通信的列車運行控制（CBTC）、列車狀態(tài)監(jiān)控、緊急文本、 乘客信息系統(tǒng)（PIS）、閉路電視系統(tǒng)（CCTV）和集群調(diào)度等業(yè)務。

2.1 CBTC業(yè)務

CBTC是一種通過車地之間傳遞列車速度、位置和移動授權等信息來實現(xiàn)對列車運行控制的技術。該系統(tǒng)主要功能是通過交換軌旁設備和車載設備之間的數(shù)據(jù)，監(jiān)督列車的速度和制動方式等狀態(tài)，控制列車安全行駛。

2.2 PIS 業(yè)務

PIS系統(tǒng)是依托多媒體技術向乘客提供信息服務的系統(tǒng)，用于播放由控制中心下發(fā)的節(jié)目，比如乘客須知、換乘信息、列車時刻表、新聞、廣告等信息，經(jīng)過無線傳輸?shù)杰囕d設備，在液晶顯示屏（LCD）顯示終端進行播放，乘客可根據(jù)收聽到的引導信息便捷乘坐地鐵。

2.3 CCTV 業(yè)務

CCTV系統(tǒng)是綜合承載網(wǎng)帶寬需求最大的上行業(yè)務，用于將列車駕駛室、客室車廂內(nèi)的攝像頭視頻信息上傳，使控制中心人員能夠任意選擇各車廂監(jiān)控畫面，便于進行管理、指揮調(diào)度。

2.4 緊急文本

緊急文本信息是控制中心PIS服務器傳送給車載PIS終端的緊急文本信息。如發(fā)生緊急事件，控制中心人員可向列車發(fā)送緊急文本信息，在車載顯示屏上播出。

2.5 其他業(yè)務

在城市軌道交通業(yè)務中，還包括列車狀態(tài)監(jiān)測、集群終端組呼和單呼。狀態(tài)監(jiān)控主要是為了實時傳送列車關鍵設備運行參數(shù)到地面檢測中心；集群調(diào)度業(yè)務是指線路運營、應急和維護等需要的各種音、視頻呼叫通信業(yè)務。

3 系統(tǒng)方案設計

青島地鐵2號線車地無線通信系統(tǒng)采用單線雙網(wǎng)覆蓋，即A+B組網(wǎng)方式。A網(wǎng)和B網(wǎng)的工作頻段完全獨立，兩者互不影響。方案將系統(tǒng)設置為20 MHz帶寬：A網(wǎng)單獨用于CBTC業(yè)務的承載，其帶寬為5 MHz；B網(wǎng)使用15 MHz帶寬，用于CBTC、PIS、CCTV、緊急文本和其他業(yè)務的承載。由于CBTC系統(tǒng)苛刻的安全性要求，因此必須為 CBTC 業(yè)務部署冗余網(wǎng)絡，而對于其他業(yè)務只需配置單一網(wǎng)絡。

系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖1所示，A、B網(wǎng)核心網(wǎng)設備設置在控制中心機房內(nèi)，基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）設備設置在車站機房。BBU通過交換機直接與LTE 核心網(wǎng)設備連接，與RRU之間采用光纖直連方式。RRU通過多系統(tǒng)接入平臺（POI）接入漏纜，漏纜槽孔對外輻射電磁波，實現(xiàn)隧道區(qū)間內(nèi)的無線信號覆蓋。每張網(wǎng)中的每1個BBU連接若干個RRU。

圖1 LTE車地無線通信系統(tǒng)組網(wǎng)方案

列車的車頭和車尾安裝列車接入單元（TAU）終端設備，車頂安裝天線，分別連接A網(wǎng)和B網(wǎng)。系統(tǒng)中各種業(yè)務的上下行數(shù)據(jù)信息通過TAU實現(xiàn)在控制中心與列車之間的雙向傳輸。

4 系統(tǒng)性能測試方案

為驗證方案的可行性及20 MHz帶寬下的綜合業(yè)務承載能力，在青島地鐵2號線選擇上行線路的某3站2區(qū)間進行實地測試。

系統(tǒng)將每路CBTC傳輸速率設置為120 kbps，緊急本文信息每路為10 kbps，列車狀態(tài)監(jiān)測每路為80 kbps。要求所有業(yè)務單向傳輸時延不大于150 ms，丟包率不超過0.5%。

PIS和CCTV業(yè)務均按 H.264 編碼方式、720 P分辨率設置。PIS帶寬需求為下行2～6 Mbps，采用組播方式進行數(shù)據(jù)傳輸，CCTV每路帶寬需求為2 Mbps。測試過程中，要求播放流暢、畫面不卡頓且無馬賽克現(xiàn)象。

另外，集群終端進行音、視頻呼叫時，要求音質(zhì)清晰、視頻流暢，呼叫不發(fā)生掉線。

綜上所述，城市軌道交通車地通信不同業(yè)務需求如表1所示。

本次LTE系統(tǒng)現(xiàn)場實地測試主要包括以下內(nèi)容：①信號場強覆蓋能力；②車地通信傳輸性能；③系統(tǒng)穩(wěn)定性測試。

表1 城市軌道交通車地通信不同業(yè)務需求 kbps

5 測試結果及分析

5.1 LTE 網(wǎng)絡信號場強測試

為保證信號的無縫漫游切換，必須要確保有效的端到端信號強度，有必要對場強覆蓋情況進行測試。A網(wǎng)和B網(wǎng)的參考信號接收功率（RSRP）測試結果如圖2、圖3所示，從圖中變化特點可以看出：列車在當前區(qū)間布點位置時，與該區(qū)間的RRU距離最短，此時的RSRP信號強度最強；隨著列車行駛遠離當前布點位置，場強覆蓋能力逐漸減弱，直至信號強度持續(xù)下降到兩小區(qū)信號強度大體相同的狀態(tài)時，會出現(xiàn)一定次數(shù)的乒乓切換；隨著列車繼續(xù)行駛，當前小區(qū)信號衰弱，下一小區(qū)信號強度變大，車載終端經(jīng)過切換，與下一區(qū)間RRU建立關聯(lián)；之后列車離下一區(qū)間RRU距離越近則信號強度越強，在離RRU最近時達到峰值，后面信號的變化情況以此類推。信號變化呈倒刺狀，過程中出現(xiàn)抖動，原因是受到了傳輸信號的多徑反射與陰影衰落等因素的影響。A網(wǎng)和B網(wǎng)的RSRP變化范圍分別為-90～-53 dBm、-93～-61 dBm，雙網(wǎng)最小為-93 dBm，均滿足不低于-95 dBm的規(guī)范要求，說明無線覆蓋的設計較為合理。

圖2 A網(wǎng)5 MHz下RSRP覆蓋情況

圖3 B網(wǎng)15 MHz下RSRP覆蓋情況

5.2 LTE 傳輸性能測試

傳輸性能測試包括吞吐量、傳輸時延和丟包率測試3部分。

5.2.1 區(qū)間吞吐量測試

區(qū)間吞吐量測試之前將Ixchariot軟件測試腳本選擇為吞吐量測試，按照基本配置完成系統(tǒng)配置后，分別在A網(wǎng)5 MHz和B網(wǎng)15 MHz帶寬下進行測試。測試結果如表2所示，A網(wǎng)和B網(wǎng)上/下行最小吞吐量分別為2.72 Mbps和9.01 Mbps。

表2 區(qū)間吞吐量測試結果統(tǒng)計 Mbps

5.2.2 傳輸時延測試

根據(jù)CBTC信號廠家綜合考慮地下線路和高架線路2種場景，計算區(qū)間段容量，每1個區(qū)間段不高于6輛車，則6路CBTC傳輸速率共720 kbps，根據(jù)表2中5 MHz區(qū)間吞吐量測試結果，上下行最小吞吐量為2.72 Mbps，在滿足6路CBTC承載情況下，還有足夠的帶寬冗余，故在A網(wǎng)5 MHz帶寬下進行6路CBTC傳輸時延測試時，同時外加一定量的飽和數(shù)據(jù)流。測試結果表明：6路CBTC最大時延為62.5 ms，其中1 路CBTC業(yè)務測試分析結果如圖4、圖5所示。結果表明，大部分的傳輸時延集中在16 ms附近，由累積分布圖發(fā)現(xiàn)，最小時延為13 ms左右，在10～20 ms區(qū)間呈近直線上升，20 ms以后增加速度變緩，到30 ms時的時延累積程度接近100%，遠小于系統(tǒng)需求規(guī)范規(guī)定的150 ms。

圖4 CBTC業(yè)務傳輸時延的概率分布

圖5 CBTC業(yè)務傳輸時延的累積分布

5.2.3 丟包率測試

進行丟包率測試時，Ixchariot軟件的配置與吞吐量、時延測試基本相同，僅改變測試腳本為丟包測試。6路CBTC業(yè)務上下行丟包率測試結果均為0，未超過0.5%的要求。

5.3 LTE 穩(wěn)定性測試

由15 MHz區(qū)間吞吐量測試結果，得出上下行最小吞吐量為9.01 Mbps，在B網(wǎng)15 MHz帶寬下，承載6輛車的CBTC、列車狀態(tài)監(jiān)測和緊急文本業(yè)務后（6×210 kbps =1 260 kbps，取1.3 Mbps），下行邊緣區(qū)還有不低于7.7 Mbps的流量富裕。理論上，下行還能增加1路6 Mbps的PIS，上行還能增加3×2 Mbps的CCTV和7路以上的視頻組呼（7×64 kbps =448 kbps，取500 kbps）等業(yè)務。因此在B網(wǎng)進行車地通信綜合承載模擬測試：同時加載6路CBTC、緊急文本、列車狀態(tài)監(jiān)測、1路PIS、3路CCTV、7路集群音/視頻呼叫業(yè)務。穩(wěn)定性測試結果如表3所示，全程高優(yōu)先級的多路CBTC業(yè)務時延和丟包率得到很好的保證，僅PIS業(yè)務有少量丟包現(xiàn)象，集群呼叫視頻清晰無掉字，各項業(yè)務測試結果均完全滿足系統(tǒng)要求。表明B網(wǎng)可滿足6路CBTC、6路狀態(tài)監(jiān)測和6路緊急文本的承載能力，同時可額外提供6 Mbps下行的PIS、3路共6 Mbps高清CCTV業(yè)務和7路以上集群音視頻調(diào)度業(yè)務能力。如果需要提升集群的視頻質(zhì)量，可以適當降低PIS和CCTV的承載。

表3 LTE系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結果

6 結論

本文從承載技術角度出發(fā)，研究基于LTE技術的車地無線通信承載系統(tǒng)在20 MHz帶寬下的業(yè)務承載能力。通過在青島地鐵2號線網(wǎng)絡環(huán)境多次實地測試，結果表明：在滿足場強覆蓋要求的前提下，A網(wǎng)5 MHz可同時承載6路CBTC業(yè)務；B網(wǎng)15 MHz可同時承載6 路 CBTC、狀態(tài)監(jiān)測、緊急文本、1路PIS、3路CCTV業(yè)務，外加7路集群調(diào)度業(yè)務。所有的測試結果充分體現(xiàn)出了LTE網(wǎng)絡的低時延、低丟包、高吞吐量和穩(wěn)定性強等優(yōu)點，能夠滿足城市軌道交通多業(yè)務綜合承載需求。本研究對LTE技術在城市軌道交通無線通信系統(tǒng)中的應用提供一定的參考價值。