基于5.9GHz的TD－LTE的城市軌道交通通信系統測試研究

蔣海林， 趙紅禮， 朱 力， 唐 濤

（1.北京交通大學 軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

隨著城市軌道交通的快速發展，車－地間的無線通信業務也越來越多。通信系統包括：傳輸列控信息CBTC （Communications Based Train Control）車－地通信系統、列車工況的列車運行狀態監測系統、列車司機與主控室和站臺人員通話的列調系統、用于實時監測列車內安全CCTV（Closed Circuit Television）閉路電視監控系統以及向乘客提供信息廣播和服務PIS（Passenger Information System）乘客信息系統等等。

目前的城市軌道交通車－地通信系統大多數采用工作在2.4GHz頻段的 WLAN（Wireless Local Access Network）技術，面臨越來越嚴重的同頻干擾問題，深圳地鐵曾多次發生因為2.4GHz干擾嚴重導致列車緊急停車的現象。同時，北京新機場線的地鐵列車最高時速達到了140km／h，基于WLAN的車－地通信技術也很難滿足速度超過120km／h的列車車－地通信的需要［1］。為解決同頻干擾、通信的高速適應性以及多種業務的綜合承載問題，北京地鐵建管公司、北京交通大學、北京全路通信信號研究設計院及華為公司在北京地鐵環形道中國鐵道科學研究院國家環形鐵道試驗線進行測試，測試5.9GHz頻段的TD－LTE系統承載CBTC、PIS、CCTV和列車運行狀態監控等綜合業務的傳輸性能。

5.9GHz頻段指5.85～5.925GHz頻段。美國聯邦通信委員會已經正式將5.9GHz頻段批準用于專用短程通信，主要用作智能交通系統中的車－地和車－車通信。歐洲電信標準委員會ETSI（European Telecommunications Standards Institute）建議將5.905～5.925GHz用于 CBTC的安全業務，而將5.855～5.875GHz用于智能交通系統ITS（Intelligent Transportation System）和CBTC的非安全業務，并預留5.925～5.945GHz作為未來城市軌道交通的擴展業務［3］。2002年7月，我國的無線電管理部門開放了5.725～5.850GHz頻段。但是5.850GHz～5.9GHz頻段目前沒有開放，因此可以作為城市軌道交通專用頻段使用。

城市軌道交通的傳輸媒介則包括無線自由波、漏泄波導［2］和漏泄電纜3種傳輸方式。由于5.9GHz頻段較高，市場上還沒有用于此頻段的漏泄電纜產品。在本次現場測試中，采用的傳輸媒介包括漏泄波導和無線自由波兩種，根據兩者的傳輸損耗不同，兩種傳輸媒介組網時，LTE基站的間隔也不同。

本文將TD－LTE用于城市軌道交通車－地通信系統中存在的問題，和本次現場測試的測試環境和網絡結構，然后說明本次測試的測試內容和測試用例并分析本次測試的結果并進行討論。

1 TD－LTE簡介

長期演進LTE（Long Term Evolution）是基于正交頻分復用技術OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple），由第3代合作伙伴計劃3GPP（3rd Generation Partnership Project）組織制定的全球通用標準。TD－LTE是我國擁有核心自主知識產權的國際通信標準技術。作為一種先進的無線通信技術，LTE技術在設計時考慮了滿足高吞吐率的需求，在20 MHz頻寬組網情況下，峰值速率下行可達100Mbit／s，上行可達50Mbit／s。同時采用扁平化架構，降低控制和用戶平面時延。

相比WLAN無線傳輸技術，LTE傳輸技術有完善的服務質量QoS（Quality of Service）傳輸管理策略設計，同時在數據鏈路層也采用了區別于WLAN自由競爭的接入策略，專門設計了控制平面和信令處理多用戶接入中出現的各種問題，因此數據傳輸穩定性較WLAN技術有較大的提升。但將商用LTE系統應用在城市軌道交通車－地通信系統中仍有一些技術問題尚待解決。

（1）信息傳輸的高可靠性和實時性問題。商用LTE網絡為普通的用戶服務，重點關注系統的容量、用戶的接入成功率等問題，對數據傳輸的可靠性和實時性的要求不高。而城市軌道交通車－地通信系統需要傳輸CBTC、列車運行狀態監測、CCTV、PIS等業務數據，對傳輸的可靠性和實時性都有很高的要求，CCTV和PIS視頻業務還要求很高的傳輸吞吐量。現有的商用LTE系統要承載這些業務，必須重新設計現有的接入算法、切換算法、信令傳輸算法等，并進行網絡優化，才能滿足城市軌道交通車－地通信的要求。

（2）同頻干擾下的性能問題。現在商用LTE技術采用同頻組網技術，相鄰小區使用相同的頻率，這樣不可避免在相鄰小區間造成較大的同頻干擾，導致通信性能下降。城市軌道交通的安全相關業務對通信的可靠性和實時性要求很高，因此必須研究系統內同頻干擾和系統間同頻干擾對車－地通信性能的影響，采取針對性的算法，研制相應的設備，提高系統性能，增強系統的可用性。

（3）城市軌道交通環境下的工程化問題。城市軌道交通車－地通信存在高架、地面、隧道和車輛段等多種運行環境，不同的運行環境無線信道的特點差別很大。例如在隧道內無線信號覆蓋和地面差別很大，通常采用漏泄電纜或漏泄波導等特殊傳輸媒介傳輸無線信號，以保證覆蓋的均勻性，而車輛段的無線覆蓋則通常采用無線天線覆蓋的方式以節省成本。LTE通信系統的1個顯著的技術特點是采用多天線技術MIMO（Multiple Input Multiple Output）以提升系統的容量和傳輸的可靠性。但是漏泄波導等特殊傳輸媒介限制了多天線技術的使用。因此必須在城市軌道交通的車－地通信環境中研究TD－LTE系統的工程化問題，找到最佳的工程化解決方案，以達到系統的設計目標。

2 測試環境及測試內容

為了進一步驗證LTE技術運用于城市軌道交通車－地綜合承載業務的可行性，測試基于LTE的車－地綜合通信系統在實際環境中的性能，判斷其是否能夠滿足當前城市軌道交通車－地綜合承載業務的需求，項目組開展了在中國鐵道科學研究院東郊分院進行試驗段測試。試驗段測試在真實的電磁環境中，采用工程實施的組網結構，驗證LTE系統在城市軌道交通車－地無線通信綜合承載的可用性。

試驗段測試地點在環形鐵道試驗中心，中心位于朝陽區東北五環見圖1，其中的城市軌道交通試驗線是我國唯一1條用于試驗和檢驗城市軌道交通裝備的綜合試驗線。城軌試驗線正線長8 631.419m，最高運行速度140km／h。高架橋長785m，采用T型梁，局部設75mU型梁用于相關測試。隧道長925m，其中矩形斷面513m，兩端為U型槽。并且試驗線建設了城軌試驗所必需的通信信號系統、電力及牽引供電系統和管理指揮系統等基礎建設。因此，環行線能夠全面地模擬城市軌道交通運行的各種真實環境，十分適合本次LTE試驗測試。在本次測試中，由于5.9GHz的射頻拉遠單元RRU（Radio Remote Unit）數量的限制，無法覆蓋全部環行線，僅在環形線的部分區段上進行了測試，軌旁安裝的5.9GHz漏泄波導見圖2。

圖1 環形鐵道城市軌道交通試驗線

環行線試驗段測試所構建的TD－LTE系統采用A、B網組網方式，承載不同的業務數據，A、B兩個網單獨分別進行測試。A網采用15MHz帶寬，頻率范圍為5.88～5.895GHz，承載CBTC業務信息、列車運行狀態信息、車載CCTV監控信息和PIS信息（含緊急文本）等業務；B網采用5MHz帶寬，頻率范圍為5.885～5.89GHz，承載CBTC業務信息和緊急文本信息。

圖2 軌旁安裝的5.9GHz漏泄波導

測試中限于現場的條件，僅僅使用了1輛列車進行測試。城市軌道交通系統實際運營情況下1個RRU下接入上下行方向各1輛列車，因此1個用戶的場景和實際情況差別不大。并且，受實際測試車輛條件限制，車速無法超過80km／h，因此實驗中也未對列車高速運行下的車－地通信性能進行測試。

環行線試驗段測試包括LTE傳輸性能測試、綜合承載傳輸性能測試、設備穩定及其它測試，具體的測試內容包括傳輸時延、切換時延、丟包率、上下行的吞吐量等城市軌道交通車－地通信業務包括CBTC、CCTV、PIS和列車運行狀態信息業務。每個CBTC業務流的數據包大小為400Byte，發送周期為100ms，最多產生4路業務流。列車運行狀態信息采用業務模擬軟件生成，文本大小為400Byte，速率為100kbit／s。

CCTV系統加載2路2Mbit／s或1Mbit／s的監控視頻模擬數據。PIS業務加載1路2Mbit／s到4 Mbit／ss的視頻模擬數據。所有業務都通過IxChariot軟件模擬產生。各種業務的QoS要求見表1。

表1 城市軌道交通車－地通信業務的QoS要求

LTE系統是信息的傳輸通道，對所承載的業務信息透明傳輸，測試時可以采用統一的腳本進行業務數據模擬。

CBTC系統的模擬數據發送間隔取最小的為100 ms，數據包大小取最大的400Byte。列車運行狀態監測信息的速率為100kbit／s。CCTV業務采用實際設備，每路攝像頭傳輸速率設為1Mbit／s或2Mbit／s。PIS業務采用實際設備，傳輸速率設為2Mbit／s或4 Mbit／s。

3 測試網絡架構及參數配置

3.1 網絡架構及參數設置

5.9GHz TD－LTE現場測試網絡架構見圖3。LTE的核心網設備、基帶處理單元BBU（Base Band Unit）和PIS，CCTV服務器安裝在控制中心。RRU設備安裝在軌旁，車載子系統則包括車載終端TAU（Terminal Access Unit）、模擬的車載信號設備和攝像頭等PIS／CCTV設備。隧道、U形槽、高架區段通過漏泄波導進行覆蓋，地面通過無線自由波進行覆蓋。連接漏泄波導的RRU間的距離大約為800m，連接無線自由波天線的RRU的距離約380m。全線共安裝4個BBU，12個RRU設備。

圖3 5.9GHzTD-LTE現場測試網絡架構

在列車的頭部和尾部分別安裝了2個天線，其中1個平板天線安裝在車底部，用于收發通過漏泄波導傳輸的信號，另1個天線安裝在車的頂部，用于收發通過無線自由波傳輸的信號。兩個天線通過功分器連接，增益均為10dBi。測試中的TD－LTE相關參數見表2。

表2 TD－LTE測試相關參數

3.2 QoS參數配置

LTE系統對應不同的服務質量（延時、丟包等）要求，定義了9個服務質量類別標識QCI（QoS Class I－dentifier）［4］，系統根據QCI對應的優先級進行資源分配和調度，其優先級越小者優先保障資源分配和調度。

在城市軌道交通車－地通信系統中，系統需要根據不同業務的優先級和服務質量（延時、丟包等）要求，進行不同的參數配置，并映射到不同的QCI類別上，以保障不同業務的優先級別。在本次測試中，各業務的優先級和服務質量（延時、丟包等）定義見表3。在所測試的TD－LTE系統中，將列控CBTC信號承載業務的優先級設置為1，即系統中的最高優先級。車廂的CCTV視頻監控回傳，PIS多媒體流的業務定義，也標示在表3中。

表3 各種業務的QoS配置表

3.3 切換參數及視頻緩存設置

在城市軌道交通車－地通信系統中，列車在軌道上快速移動，經常會出現在小區的邊緣切換帶。小區邊緣切換帶的信干噪比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）較低，通常傳輸速率是最低的，因此有必要單獨計算列車在小區邊緣的傳輸速率，以掌握此時LTE通信系統所能滿足的業務傳輸速率要求。計算LTE小區的邊緣速率時，作如下假設：

（1）列車最高車速為80km／h，即22.2m／s；

（2）假設傳輸媒介為漏泄波導，漏泄波導損耗為4 dB／100m；

（3）切換參數A3 offset（偏置）＝2dB，滯后門限 Hysterisis＝1dB［5］。

假設較惡劣環境下，切換帶的交叉點最低點為0dB，即假設鄰小區干擾功率和本小區功率相同，見圖4。

圖4 切換帶的計算

首先計算切換帶的大小。發起切換前，終端的測量周期一般為200ms左右，濾波的周期為60ms左右，網絡側發起RRC連接重配置的時延為100ms，終端上報RRC連接重配置完成的時延為100ms左右，考慮40ms裕量，切換從開始測量到完成切換整個過程需要500ms。

由切換A3事件的偏置為2dB和滯后門限1dB，漏泄波導的損耗為4dB／100m，可以計算得到這一段對應的交叉點后的單邊切換距離長度LHO為100×3／（4×2）＝37.5m，列車運行時間為1.7s。加上切換執行過程的時延0.5s，列車在交叉點后的單邊切換帶的停留時間為2.2s左右。

當SINR值為0dB時，小區所能提供的上下行吞吐量難以滿足PIS下行6Mbit／s和CCTV上行4 Mbit／s傳輸速率的要求。因此，對于PIS等視頻業務，在接收端對視頻業務緩存2.2s左右的數據，這樣即使在這種極端情況下出現流量急劇下降，也可以保證用戶的使用不受影響。

但在具體實現上，通信設備供應商在進行小區配置時，均采用小區間干擾協調技術ICIC（Inter－Cell Interference Coordination），這樣相鄰小區盡量不調度相同位置的時頻資源，從而避免接收信號的SINR值過低。在ICIC開啟時，系統的吞吐量通常有20%～40%的增益。

4 測試結果

4.1 場強覆蓋情況

采用羅德與施瓦茨公司的場強儀ESPI7測試5.9 GHz的LTE系統的場強覆蓋情況。掃描場強時LTE系統工作在A網，即工作在5.88～5.895GHz。場強儀的掃描頻率范圍為5.887～5.888GHz，即掃描中心頻率1MHz帶寬內的接收信號功率。這是因為TDLTE的同步信道和廣播信道所占用的物理資源為中心頻率附近的6個資源塊RB（Resource Block），其帶寬為1.08MHz且周期發送，統計這個頻帶的接收信號功率較為準確。場強儀通過電腦進行遠程控制，掃描的時間間隔為1.2ms左右，在統計的時候，根據文獻［6］的采樣準則，取40個波長內采樣值的算術平均作為場強的局部平均值。同時GPS接收機與同一臺電腦相連，以獲得列車的實際運行位置。

分別接漏泄波導和無線自由波天線時的接收信號功率見圖5。可見，無線自由波的信號衰減基本與距離的平方成反比，這是因為無線自由波天線與軌旁安裝天線間存在較為明顯的直射徑。而漏泄波導的衰減基本是4dB／100m左右。無線自由波的衰減速度明顯高于漏泄波導。

圖5 漏泄波導和無線自由波的無線接收信號

值得注意的是，圖5中顯示的是1MHz帶寬內的接收信號功率，不是LTE系統常用的參考信號接收功率指標。LTE系統的參考信號RS（Reference Signal）的帶寬為15kHz，考慮RS符號上3dB左右的功率提升，將接收功率Pr換算成RSRP為

式中：RSRP為接收功率。

從圖5中可見，小區邊緣的RSRP基本在－95～－97dBm之間。通常公網的LTE系統網絡規劃城區的RSRP不低于－100dBm［7］，本次測試的接收功率值能滿足公網的覆蓋要求，但對于承載安全相關業務的城市軌道交通車－地通信系統系統，此值偏低。

4.2 傳輸時延和切換時延

A網系統中僅承載CBTC業務時，測試得到的CBTC業務的傳輸時延的概率密度和累計分布函數見圖6（a）和6（b）。由圖6可見，大部分的傳輸時延集中在10ms左右，傳輸時延低于25ms的概率接近100%，絕大部分業務的傳輸時延（超過99%的概率）滿足CBTC業務不高于100ms的要求。

圖6 CBTC業務的傳輸時延特性

A網系統中僅承載CBTC業務時，測試得到的CBTC業務的切換時延的概率密度和累積分布函數見圖7（a）和7（b），由圖7可見，切換時延集中在40ms內的分布較多，切換時延低于57ms的概率接近100%，最大切換時延不超過60ms，遠遠低于CBTC業務不高于100ms的要求。

圖7 CBTC業務的切換時延特性

4.3 吞吐量

在吞吐量測試中，用軟件來模擬數據業務源的發送。由于TD－LTE系統承載的業務類型和數量有限，在模擬業務源發送數據時，并不是滿速率發送，而設定其發送速率為20Mbit／s。測試得到系統帶寬為5 MHz和15MHz時的上行和下行吞吐量見圖8。可見，5MHz帶寬時，上行的平均吞吐量為3.8Mbit／s左右，下行的平均吞吐量為7.5Mbit／s左右。在15 MHz帶寬時，上下行的平均吞吐量分別為11.6Mbit／s和19.5Mbit／s左右。

4.4 丟包率

在本次測試過程中，系統的丟包率為0.05%左右，遠遠低于CBTC業務不高于0.5%的要求。這是因為網絡的SINR值一直保持在5dB以上，傳輸的過程幾乎不發生差錯。

圖8 不同頻寬時上下行吞吐量概率密度曲線

4.5 傳輸綜合業務時CBTC業務的傳輸時延和切換時延

在進行承載綜合業務的CBTC傳輸時延和切換時延測試時，在15MHz的LTE網絡中接入1臺真實的PIS設備和2臺CCTV設備。其中PIS設備下行發送，速率為4Mbit／s，CCTV業務上行發送，速率為2Mbit／s。在測試的過程中，CCTV和PIS的圖像視頻平穩清晰無抖動，質量很好。

圖9 承載CBTC業務和承載綜合業務時的傳輸時延和切換時延概率密度曲線

圖10 傳輸時延和切換時延平均值比較

測試得到的傳輸時延和切換時延見圖9（a）和9（b）。可見，進行綜合業務傳輸時，CBTC業務的傳輸時延和切換時延受到的影響很小，平均值仍然在14 ms和30ms左右。與僅傳輸CBTC業務時的傳輸時延和切換時延進行比較，得到圖10。可見，傳輸綜合業務時，CBTC的平均傳輸時延有所增加，從11.6ms增加為14.6ms左右，但是平均切換時延反而有輕微下降，從33.5ms降為32.1ms左右，這說明 TD－LTE系統的調度算法在傳輸多種業務時，有效保障了CBTC業務的可靠傳輸。

5 結束語

本文對5.9GHz頻段的TD－LTE承載城市軌道交通綜合業務的通信性能的現場測試進行了介紹，測試中車－地通信的傳輸媒介包括漏泄波導和無線自由波，承載的業務包括CBTC、PIS、CCTV和列車運行狀態監測業務。測試結果表明：

（1）5.9GHz漏泄波導的傳播特性優于無線自由波。

（2）TD－LTE系統的傳輸時延以接近100%的概率小于25ms，切換時延以接近100%的概率小于57 ms，均遠低于CBTC業務最大100ms的傳輸時延要求。TD－LTE系統的車－地傳輸丟包率為0.05%，遠低于CBTC業務0.5%的指標要求。

（3）所測試的TD－LTE系統在承載綜合業務時，能保證CBTC業務的業務質量。但5.9GHz的LTE設備射頻功率偏小，信號衰減快，通過無線自由波進行傳輸時，對于LTE網絡的覆蓋和設計造成了挑戰，需要在實際工程中進一步完善設計，以保障無線信號的覆蓋和傳輸質量。

參考文獻：

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