LTE技術在車地無線通信系統中的應用測試*

中鐵信（北京）網絡技術研究院有限公司，北京 100038

城市軌道交通具有安全、舒適、快速、環保、運量大等特點，近年來我國大部分城市都在不斷發展城市軌道交通，擴大路網規模。與此同時，為了保證軌道交通系統的正常運營，需要可靠的車地無線通信網絡提供技術支持。LTE技術著眼于無線接入框架的重新構建，在穩定完成通信任務的同時具有低時延的優秀特性。將LTE技術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技術概述

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

LTE在發展的同時也經歷了及其漫長的標準化進程。在項目研究階段，相關研究單位明確了高寬帶、高可靠性的方案需求，對物理層結構進行規劃設計，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的基本技術模式被定義，并在幾年時間內陸續生成了多個Release版本。最新版本優化了室外場景傳輸效率，并規范了小基站、小小區技術，自此LTE技術擁有更強的業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技術也成為可能。

2 LTE技術的應用優勢

（1）高抗干擾能力。相比于傳統的Wi-Fi通信傳輸方案，LTE在抗干擾方面體現出了極強的優勢。根據統計，北京、上海等城市在城軌運營期間均出現過乘客攜帶的便攜式網絡傳輸設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直載波調度，能夠在極短時間內感知干擾，并通過IRC、重傳等編碼機制，對信號資源進行智能動態調配，這些技術的應用使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絡結構，其特點是網絡節點分散，占地面積大，模式上可以實現多小區共享，并在傳輸中由多級QoS算法進行監督，主要包括限制P2P、ICMP優先級、ACK確認字符等設置，同時按業務模式對用戶進行優先等級劃分，智能分配傳輸對象，最大程度上解決了數據傳輸不穩定的問題，在高可靠性的基礎上提高了社區服務質量，確保了網絡整體的穩定性[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，研究結果表明若在一定的車速下設定相同的接收頻率，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仍能進行數據的正常傳輸，并保持著較高的靈敏度。在城軌這種復雜的傳輸環境中，應用LTE技術可以更好地滿足頻繁的數據接收需求。

（4）結構部署簡易。相比于傳統的Wi-Fi設備部署方案，LTE需要在軌旁部署的設備更少，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系統需要的設備部署量是比較大的。然而對于LTE生態，軌旁RRU設備最大發射率可達到33dBm/MHz，折算軌旁設備部署間距最遠可達1.2km左右，這樣可以相對減少設備部署量，對于后期的設備維護工作也是極其有利的。

3 基于LTE技術的車地無線通信應用

3.1 LTE車地無線通信系統總體架構

在城軌的業務流程中，需主要傳遞CBTC、PIS、CCTV業務信息，架構包含中心核心網、軌旁無線接入網（BBU+RRU+無線覆蓋）及車載無線終端。網絡中LTE主要在1.8GHz附近的20MHz的波普頻段內運行使用，在避免不同設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備及核心網絡，該層級網絡通信依賴軌道交通內部的專用傳輸網絡，以實現業務數據的上載。無線基站BBU設備被部署在車站及車輛段中，并在軌旁和車站機房內部署無線射頻單元RRU設備及漏纜，RRU與BBU采用短程光纜連接，車載無線終端設備被部署在車輛頂端，進行車輛狀態及車內信息的采集與傳輸。

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境下進行，以驗證不同車速下LTE系統空中接口所產生的延時。測試鏈路中，BBU到RRU的連接為短程光纜連接，系統連接至LTE傳輸系統交換機上配置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。測試系統環境簡化示意圖見圖1。

圖1 測試系統環境簡化示意圖

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

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，測試外部環境均在氣溫10℃的情況下進行。測試中每8s采集1次設備PING值，共進行3次測試，統計全部測試結果，見表1。

表1 測試結果統計 單位：ms

測試結果表明，測試環境下LTE無線傳輸性能穩定，部分延時峰值達到26.742ms，但整體傳輸延時平均值穩定在17.478ms，測試過程中未出現丟包現象，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。結合空口測試數據可知，基于LTE的車地無線通信能夠滿足城軌日常的業務需求，具備穩定的業務承載能力。

4 結束語

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