基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信系統集成測試

盧 鑫 華 堯（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

在信息大爆炸的今天，人們無時不刻接收海量的信息，隨著我國高速鐵路的快速發展和各種電子設備的普及，越來越多的旅客隨身攜帶筆記本電腦，智能手機，智能平板電腦等移動網絡設備，有在列車上即時通信和高速上網的需求。特別是近年來開通的高速鐵路各條干線給車地通信帶來多普勒頻偏大，列車車體損耗大等切換頻繁等問題，導致語音通信的質量下降和數據傳輸速率降低。如何為速度超過300 km/h的高速列車提供順暢的無線通信，滿足旅客通信需求是亟待解決的問題。

目前在國內高速鐵路上應用的無線通信系統為GSM-R系統，GSM-R系統是在GSM基礎上專門為鐵路所設計的，GSM-R網絡在GSM蜂窩系統平臺上增加了多種鐵路業務和適合高速環境下使用的條件，目前能滿足鐵路上對無線通信的需求。但是GSM-R系統是窄帶通信系統，每個連接只占用200 k H z頻率上的1/8時隙，在高速移動環境下的通信性能和頻譜利用率都比較低，頻繁的切換也會導致通信中斷。最重要是后續旅客的無線通信需求主要集中在寬帶數據業務，而GSM-R系統分配給鐵路專網的頻率帶寬有限，很難滿足寬帶業務的要求。以我國GSM-R系統為例，分配的頻率帶寬僅有4 M H z，頻率資源不足的問題也就成為制約GSM-R提供寬帶業務的主要因素。隨著數據業務快速發展并逐步取代語音業務，單純的電路交換數據業務已經不能滿足豐富數據業務的需求，在GSM-R基礎上的GPRS技術在鐵路上也得到廣泛的應用。但是其本身仍然存在一些缺點，丟包與傳輸速率低，抗干擾能力差，存在轉接延時，其本身仍難滿足數據業務增長的需求。

從目前已存在的國際和國內列車無線通信系統的發展現狀來看，目前應用的系統還不能充分滿足高速鐵路對寬帶無線通信在移動速度、可利用帶寬、系統兼容性和穩定性等方面的要求。隨著4G技術發展和LTE商用網絡的大規模部署，LTE系統在鐵路上部署也變成了大勢所趨。因此，高速鐵路上的TD-LTE寬帶通信系統與目前已有的高速鐵路通信系統相比具有支持更高移動速度、更高數據傳輸速率、接入與傳輸延時低、更高的系統兼容性的先進性特征，是無線通信系統未來建設的方向。

盧鑫，男，碩士畢業于清華大學。助理工程師，項目工程師。主要研究方向包括：高速鐵路列車控制系統安全平臺的研發，適用于軌道交通寬帶無線通信系統研發和測試等方面，曾參與過“863”，國家科技重大專項等項目，發表EI檢索的論文一篇，發明專利兩項。

本文以TD-LTE系統在高速鐵路環境上的實驗室測試驗證為背景，在完成TD-LTE系統的基礎上，探討搭建系統集成測試實驗室，完成系統集成測試的相關內容。

1 系統集成測試

為了對TD-LTE關鍵設備的研發和系統集成提供測試和驗證的支持，需要在TD-LTE各自子系統的設備完成子系統功能和性能測試的基礎上，集成各個子系統構成TD-LTE整體的樣機系統。同時搭建集成測試平臺，對樣機系統的業務傳輸性能進行測試和驗證，在覆蓋所有應用場景下，對語音、視頻、數據、視頻監控等業務的傳輸性能進行測試，驗證TD-LTE樣機系統承載業務的能力。樣機系統除了提供TD-LTE系統內部用戶之間的無線通信外，還需要滿足TD-LTE用戶與2G/3G/In ternet網絡用戶的互通測試。通過測試TD-LTE系統與其他網絡業務呼叫的能力，驗證TD-LTE系統的互通性能。

系統集成測試研究從以下3方面展開，測試方法的研究，集成測試環境設計和測試內容和測試關鍵指標的記錄和分析。

1.1 測試對象和方法

TD-LTE樣機系統主要包含地面網關子系統、車載子系統、地面接入子系統、網管與運營維護子系統。

樣機系統實物互聯如圖1所示，主要包括設備有：核心網設備MM E、S-GW/P-GW、HSS設備各1臺，接入網設備eN od eB基站2臺（每臺包括1臺BBU，2個RRU），車載電臺1套，傳輸設備、電源設備、網管系統各一套。車內分布式覆蓋系統，包括車載路由器1臺、車載網關1臺，車內2G微型基站1臺、車內3G微型基站1至3臺（包含3種標準制式）、W IF I接入點1臺，標準路由器2臺、視頻監控設備1套、2G、W IF I終端各一臺，3G終端1至3臺，2G、3G終端模型各一套。

完成子系統專項測試后，在確保子系統能達到互聯互通的前提下進行系統的集成測試，集成測試根據樣機系統的總體方案的需求，制定TD-LTE測試需求規范，進一步制定TD-LTE測試規范，測試規范覆蓋了系統測試需求規范中所有可測的測試需求，通過系統測試，所有可測的系統需求都能證明被測試案例所實現。

集成測試流程主要包括：測試計劃，測試設計，測試執行，測試記錄與缺陷的跟蹤，回歸測試，測試報告，測試過程中需求變更。

1.2 測試環境設計

測試環境基于TD-LTE實驗室環境，包含上述的設備以及各種儀器儀表，測試環境需要建立測試案例管理子系統，實現基于Doo rs、Ch an ge的TD-LTE測試案例管理，開發系統性能測試軟件，實現系統性能的部分自動配置與測試，實現各個測試子系統間的同步，記錄運行監測子系統采集的監測數據與測試結果。

測試環境如圖2所示，分為系統性能測試主引擎、系統性能測試分引擎、業務模擬子系統、無線電磁環境模擬子系統、運行監測子系統5部分。

1）系統性能測試主引擎對整個測試的需求、案例、過程、結果進行管理，完成測試案例與測試指令的轉換，并控制測試環境的運行、停止、同步等功能。

2）系統性能測試分引擎負責解析測試指令，并生成配置數據，分發給對應的執行層模塊。同時收集測試產生的中間與最終結果并分析測試結果，在界面上顯示測試結果，并能夠生成最終的測試報告。

3）業務模擬子系統根據分引擎的配置數據，對TD-LTE系統的加載業務進行配置，確保測試環境滿足配置要求，并實現加載業務與業務性能統計。

4）無線電磁環境模擬子系統根據分引擎的配置數據，對TD-LTE系統的無線環境進行配置，確保測試環境滿足配置要求。

5）運行監控子系統主要負責收集在測試過程中產生的射頻信號、協議信令數據，記錄下來并發給分引擎，并完成監控結果的統計，以及監控數據出現故障的原因初步分析。

測試環境所包含的硬件設備和環境如下。

1）程序服務器1臺，帶兩塊千兆網卡，支持W indow s xp操作系統，安裝SQL Server2008數據庫。

2）無線電磁環境模擬儀及其上位機，無線電磁環境模擬儀上位機安裝W indow s XP操作系統，具有以太網連接。

3）具有TD-LTE系統射頻、協議、性能解析功能的矢量信號源、頻譜分析儀與信令分析儀，能夠使用遠程控制接口完成設備遠程控制、監控與結果收集。

測試環境運行總體流程如下。

1）系統性能測試主引擎錄入測試，完成測試案例與測試指令的轉換，發起測試。

2）系統性能測試分引擎讀取測試指令，并根據測試指令類型，分發給業務模擬子系統、運行監控子系統與無線電磁環境模擬子系統。

3）業務模擬子系統、運行監控子系統與無線電磁環境模擬子系統根據測試指令完成業務模擬、無線環境模擬的配置。人工完成被測TD-LTE設備的配置。

4）啟動測試，由業務模擬子系統收集業務統計結果，運行監控子系統實時觀測射頻、協議層的故障，并返回給系統性能測試分引擎。

5）系統性能測試分引擎完成測試結果的收集與存儲。

6）離線狀態，可以對測試結果進行查詢和展示，并根據要求生成測試報告。

1.3 測試內容與分析

完成了測試方法的研究和測試環境的搭建，樣機系統進行主要的測試內容如下。

首先進行LTE網絡基本性能測試，測試在不包含車載子系統情況下，傳輸數據業務并測試其傳輸性能，主要目的是驗證TD-LTE網絡本身能否滿足基本的功能要求。

接著加入車載子系統，進行樣機系統端對端業務承載能力的測試。完成承載2G/3G/Internet/視頻監控系統的各種業務的基本業務指標測試，驗證樣機系統能夠進行各種業務的端到端傳輸。

進行單用戶測試，即在一個車載電臺承載下，多個2G/3G/In ternet用戶接入網絡、驗證傳輸的性能；

進行網絡匯聚與差分處理能力測試，在單用戶條件下，驗證不同業務類型/網絡終端共享傳輸信道時， TD-LTE網絡是否能夠區分業務類型，并進行相應的QoS差分處理，滿足所有接入業務的QoS需求；

進行多用戶測試，使用兩個車載電臺承載業務，驗證在不同列車之間共享無線信道時，系統的QoS保證、切換以及接納控制能力。

進行車廂內外的網絡切換和與2G系統的互通測試，驗證TD-LTE系統與2G系統的互操作能力。

測試需要遍歷在不同信道條件下，不同的加載和加干擾情況下系統的性能。記錄上下行峰值速率，控制面時延，用戶面時延，不同M IM O配置下吞吐量，切換時延，LTE網絡承載各種業務的性能測試，單車載電臺下網絡性能，多車載電臺下網絡的性能，多用戶切入和切出場景下切換成功率和切換時延，網絡承載的用戶數，車廂覆蓋微基站與公網宏基站切換性能，與GSM-R系統的互聯互通性能。

2 測試后處理工作

在以上工作完成基礎上，需要制定測試方案，細化測試過程，科學制定驗收標準，進而完成樣機系統集成測試。通過樣機系統集成測試的結果。將測試結果進行分析，提出在系統設計中存在的尚未針對高速鐵路環境適配的技術問題，反饋給設備研發單位，推進設備研發的改進。在改進的設備版本集中采用回歸測試的方法進行設備驗證，減少未受到研發改進影響的測試項的重復測試。

同時，結合高鐵建設、設計、規劃等開展應用示范。可以針對某條高速鐵路的TD-LTE試驗網設計、集成方案在實驗室環境進行仿真驗證，部署與設計方案數量一致的基站和基站模型，并加載與現場環境一致的業務、無線環境模型，從系統級角度驗證試驗網的設計、集成方案的有效性，為下一代寬帶移動通信網絡在高速鐵路上的大規模應用奠定基礎。

3 結論

本文主要研究了基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信樣機系統集成測試，從總體方案的需求出發，在子系統完成專項測試的基礎上，制定集成測試規范和相關測試流程，接著研究了集成測試環境組織結構、硬件配置、軟件模塊和運行機制。最后闡述了系統的測試內容和集成測試關注和記錄的相關指標。

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