LTE技術(shù)在車地無線通信系統(tǒng)中的應用測試*

中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司，北京 100038

城市軌道交通具有安全、舒適、快速、環(huán)保、運量大等特點，近年來我國大部分城市都在不斷發(fā)展城市軌道交通，擴大路網(wǎng)規(guī)模。與此同時，為了保證軌道交通系統(tǒng)的正常運營，需要可靠的車地無線通信網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支持。LTE技術(shù)著眼于無線接入框架的重新構(gòu)建，在穩(wěn)定完成通信任務的同時具有低時延的優(yōu)秀特性。將LTE技術(shù)應用于車地無線通信中，更加符合軌道交通高寬帶、高可靠性的需求，在整個軌道交通運營中具有極其重要的實際意義。

1 LTE技術(shù)概述

LTE（Long Term Evolution）作為通用移動通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications Systems,UMTS）技術(shù)的長期演進項目，在技術(shù)特點上應用正交頻分復用（OFDM）為核心，具有100Mbps以上的數(shù)據(jù)傳載能力，在特性上已經(jīng)基本達到了第四代（4G）通信技術(shù)的功能需求，被視作向4G通信進化的主流傳輸方案。這種被俗稱為“3.9G”的技術(shù)現(xiàn)已被電信運營商廣泛應用，具有十分可觀的應用前景[1]。

LTE在發(fā)展的同時也經(jīng)歷了及其漫長的標準化進程。在項目研究階段，相關(guān)研究單位明確了高寬帶、高可靠性的方案需求，對物理層結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃設(shè)計，推演信令流程，同時對宏分級和射頻部分展開研究，并最終形成了3GPP LTE可行性報告。在工作項目階段，LTE的基本技術(shù)模式被定義，并在幾年時間內(nèi)陸續(xù)生成了多個Release版本。最新版本優(yōu)化了室外場景傳輸效率，并規(guī)范了小基站、小小區(qū)技術(shù)，自此LTE技術(shù)擁有更強的業(yè)務能力與更廣泛的應用場景，使得在城軌車地無線通信中應用LTE技術(shù)也成為可能。

2 LTE技術(shù)的應用優(yōu)勢

（1）高抗干擾能力。相比于傳統(tǒng)的Wi-Fi通信傳輸方案，LTE在抗干擾方面體現(xiàn)出了極強的優(yōu)勢。根據(jù)統(tǒng)計，北京、上海等城市在城軌運營期間均出現(xiàn)過乘客攜帶的便攜式網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備影響列車運行的案例。LTE使用均勻分配時頻域方案，搭載OFDM直載波調(diào)度，能夠在極短時間內(nèi)感知干擾，并通過IRC、重傳等編碼機制，對信號資源進行智能動態(tài)調(diào)配，這些技術(shù)的應用使LTE具備了極強的抗干擾性能[2]。

（2）高可靠性。LTE應用完全扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分散，占地面積大，模式上可以實現(xiàn)多小區(qū)共享，并在傳輸中由多級QoS算法進行監(jiān)督，主要包括限制P2P、ICMP優(yōu)先級、ACK確認字符等設(shè)置，同時按業(yè)務模式對用戶進行優(yōu)先等級劃分，智能分配傳輸對象，最大程度上解決了數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問題，在高可靠性的基礎(chǔ)上提高了社區(qū)服務質(zhì)量，確保了網(wǎng)絡(luò)整體的穩(wěn)定性[3]。

（3）強接收性。在已有的研究中，曾對列車運行時Wi-Fi與LTE的接收性能進行過測試，研究結(jié)果表明若在一定的車速下設(shè)定相同的接收頻率，LTE的接收性能高于Wi-Fi的接收性能[4]。當接收功率低于-90dBm時，Wi-Fi下的接收功能已失效，而在-130dBm時，LTE仍能進行數(shù)據(jù)的正常傳輸，并保持著較高的靈敏度。在城軌這種復雜的傳輸環(huán)境中，應用LTE技術(shù)可以更好地滿足頻繁的數(shù)據(jù)接收需求。

（4）結(jié)構(gòu)部署簡易。相比于傳統(tǒng)的Wi-Fi設(shè)備部署方案，LTE需要在軌旁部署的設(shè)備更少，同時實施方案也更加簡潔[5]。對于一條正常的運營線路，Wi-Fi系統(tǒng)需要的設(shè)備部署量是比較大的。然而對于LTE生態(tài)，軌旁RRU設(shè)備最大發(fā)射率可達到33dBm/MHz，折算軌旁設(shè)備部署間距最遠可達1.2km左右，這樣可以相對減少設(shè)備部署量，對于后期的設(shè)備維護工作也是極其有利的。

3 基于LTE技術(shù)的車地無線通信應用

3.1 LTE車地無線通信系統(tǒng)總體架構(gòu)

在城軌的業(yè)務流程中，需主要傳遞CBTC、PIS、CCTV業(yè)務信息，架構(gòu)包含中心核心網(wǎng)、軌旁無線接入網(wǎng)（BBU+RRU+無線覆蓋）及車載無線終端。網(wǎng)絡(luò)中LTE主要在1.8GHz附近的20MHz的波普頻段內(nèi)運行使用，在避免不同設(shè)備射頻信號交互干涉的同時，可以達到下行100Mbps、上行50Mbps的信號傳輸率和峰值信號率。

在控制中心機房中，主要部署各類中心級設(shè)備及核心網(wǎng)絡(luò)，該層級網(wǎng)絡(luò)通信依賴軌道交通內(nèi)部的專用傳輸網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的上載。無線基站BBU設(shè)備被部署在車站及車輛段中，并在軌旁和車站機房內(nèi)部署無線射頻單元RRU設(shè)備及漏纜，RRU與BBU采用短程光纜連接，車載無線終端設(shè)備被部署在車輛頂端，進行車輛狀態(tài)及車內(nèi)信息的采集與傳輸。

3.2 LTE車地無線傳輸功能測試

進行無線傳輸功能測試時，測試在完全真實的電磁環(huán)境下進行，以驗證不同車速下LTE系統(tǒng)空中接口所產(chǎn)生的延時。測試鏈路中，BBU到RRU的連接為短程光纜連接，系統(tǒng)連接至LTE傳輸系統(tǒng)交換機上配置IP地址，并對BBU和TAU進行PING測試，同時對車載TAU至RRU的空口延時進行測試以驗證LTE傳輸性能。測試系統(tǒng)環(huán)境簡化示意圖見圖1。

圖1 測試系統(tǒng)環(huán)境簡化示意圖

測試中，對LTE傳輸下的空口延時進行測算，主要參數(shù)包括平均延時和最大延時，并對丟包狀況進行監(jiān)測：

式中：Lc為TAU端至RRU端的LTE空口延時；Lb為RRU端至BBU端的光纜傳輸延時；La為TAU端至BBU端的傳輸延時。

另外，測試外部環(huán)境均在氣溫10℃的情況下進行。測試中每8s采集1次設(shè)備PING值，共進行3次測試，統(tǒng)計全部測試結(jié)果，見表1。

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計 單位：ms

測試結(jié)果表明，測試環(huán)境下LTE無線傳輸性能穩(wěn)定，部分延時峰值達到26.742ms，但整體傳輸延時平均值穩(wěn)定在17.478ms，測試過程中未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，同時測試時車輛運行速度對空口傳輸延時并沒有顯著影響。結(jié)合空口測試數(shù)據(jù)可知，基于LTE的車地無線通信能夠滿足城軌日常的業(yè)務需求，具備穩(wěn)定的業(yè)務承載能力。

4 結(jié)束語

LTE技術(shù)憑借高可靠性、高抗干擾能力以及強勁的傳輸性能，能夠為城軌業(yè)務提供更優(yōu)質(zhì)高效的車地數(shù)據(jù)傳輸服務。與此同時，其簡易的部署結(jié)構(gòu)也減少了投資成本，降低了整體運維費用。因此，針對該技術(shù)的研究對整個城軌事業(yè)的發(fā)展具有重要意義，LTE技術(shù)在城軌車地通信中的應用將是城軌建設(shè)與發(fā)展的必然趨勢。未來，LTE技術(shù)在城軌中的應用將會更加廣泛。