基于LTE技術的車地通信系統綜合業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（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，極大地提高了系統帶寬、用戶傳輸數據速率和系統容量，同時降低了時延，還可實現移動高清電視業務。LTE能夠錯開WLAN頻段，很大程度上降低了干擾風險。

基于LTE技術的通信系統分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）2種方式，本系統采用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，能夠實現LTE技術在城市軌道交通的應用。雖已有研究分析了LTE技術的優勢，但缺乏實地測試數據。本文提出了通過測試20 MHz帶寬下吞吐量情況來分配各業務，并通過測試驗證業務分配設計的可行性。

2 車地無線通信業務

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）、列車狀態監控、緊急文本、 乘客信息系統（PIS）、閉路電視系統（CCTV）和集群調度等業務。

2.1 CBTC業務

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對列車運行控制的技術。該系統主要功能是通過交換軌旁設備和車載設備之間的數據，監督列車的速度和制動方式等狀態，控制列車安全行駛。

2.2 PIS 業務

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

2.3 CCTV 業務

CCTV系統是綜合承載網帶寬需求最大的上行業務，用于將列車駕駛室、客室車廂內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控畫面，便于進行管理、指揮調度。

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。如發生緊急事件，控制中心人員可向列車發送緊急文本信息，在車載顯示屏上播出。

2.5 其他業務

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

3 系統方案設計

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

系統組網方案如圖1所示，A、B網核心網設備設置在控制中心機房內，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 核心網設備連接，與RRU之間采用光纖直連方式。RRU通過多系統接入平臺（POI）接入漏纜，漏纜槽孔對外輻射電磁波，實現隧道區間內的無線信號覆蓋。每張網中的每1個BBU連接若干個RRU。

圖1 LTE車地無線通信系統組網方案

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網和B網。系統中各種業務的上下行數據信息通過TAU實現在控制中心與列車之間的雙向傳輸。

4 系統性能測試方案

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區間進行實地測試。

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

PIS和CCTV業務均按 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據傳輸，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象。

另外，集群終端進行音、視頻呼叫時，要求音質清晰、視頻流暢，呼叫不發生掉線。

綜上所述，城市軌道交通車地通信不同業務需求如表1所示。

本次LTE系統現場實地測試主要包括以下內容：①信號場強覆蓋能力；②車地通信傳輸性能；③系統穩定性測試。

表1 城市軌道交通車地通信不同業務需求 kbps

5 測試結果及分析

5.1 LTE 網絡信號場強測試

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網和B網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：列車在當前區間布點位置時，與該區間的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，直至信號強度持續下降到兩小區信號強度大體相同的狀態時，會出現一定次數的乒乓切換；隨著列車繼續行駛，當前小區信號衰弱，下一小區信號強度變大，車載終端經過切換，與下一區間RRU建立關聯；之后列車離下一區間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網和B網的RSRP變化范圍分別為-90～-53 dBm、-93～-61 dBm，雙網最小為-93 dBm，均滿足不低于-95 dBm的規范要求，說明無線覆蓋的設計較為合理。

圖2 A網5 MHz下RSRP覆蓋情況

圖3 B網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 區間吞吐量測試

區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配置后，分別在A網5 MHz和B網15 MHz帶寬下進行測試。測試結果如表2所示，A網和B網上/下行最小吞吐量分別為2.72 Mbps和9.01 Mbps。

表2 區間吞吐量測試結果統計 Mbps

5.2.2 傳輸時延測試

根據CBTC信號廠家綜合考慮地下線路和高架線路2種場景，計算區間段容量，每1個區間段不高于6輛車，則6路CBTC傳輸速率共720 kbps，根據表2中5 MHz區間吞吐量測試結果，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據流。測試結果表明：6路CBTC最大時延為62.5 ms，其中1 路CBTC業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，由累積分布圖發現，最小時延為13 ms左右，在10～20 ms區間呈近直線上升，20 ms以后增加速度變緩，到30 ms時的時延累積程度接近100%，遠小于系統需求規范規定的150 ms。

圖4 CBTC業務傳輸時延的概率分布

圖5 CBTC業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 穩定性測試

由15 MHz區間吞吐量測試結果，得出上下行最小吞吐量為9.01 Mbps，在B網15 MHz帶寬下，承載6輛車的CBTC、列車狀態監測和緊急文本業務后（6×210 kbps =1 260 kbps，取1.3 Mbps），下行邊緣區還有不低于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）等業務。因此在B網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、列車狀態監測、1路PIS、3路CCTV、7路集群音/視頻呼叫業務。穩定性測試結果如表3所示，全程高優先級的多路CBTC業務時延和丟包率得到很好的保證，僅PIS業務有少量丟包現象，集群呼叫視頻清晰無掉字，各項業務測試結果均完全滿足系統要求。表明B網可滿足6路CBTC、6路狀態監測和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業務和7路以上集群音視頻調度業務能力。如果需要提升集群的視頻質量，可以適當降低PIS和CCTV的承載。

表3 LTE系統穩定性測試結果

6 結論

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