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(tǒng)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(fā)展，車－地間的無線通信業(yè)務也越來越多。通信系統(tǒng)包括：傳輸列控信息CBTC （Communications Based Train Control）車－地通信系統(tǒng)、列車工況的列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、列車司機與主控室和站臺人員通話的列調(diào)系統(tǒng)、用于實時監(jiān)測列車內(nèi)安全CCTV（Closed Circuit Television）閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)以及向乘客提供信息廣播和服務PIS（Passenger Information System）乘客信息系統(tǒng)等等。

目前的城市軌道交通車－地通信系統(tǒng)大多數(shù)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(fā)生因為2.4GHz干擾嚴重導致列車緊急停車的現(xiàn)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(yè)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(huán)形道中國鐵道科學研究院國家環(huán)形鐵道試驗線進行測試，測試5.9GHz頻段的TD－LTE系統(tǒng)承載CBTC、PIS、CCTV和列車運行狀態(tài)監(jiān)控等綜合業(yè)務的傳輸性能。

5.9GHz頻段指5.85～5.925GHz頻段。美國聯(lián)邦通信委員會已經(jīng)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(tǒng)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(yè)務，而將5.855～5.875GHz用于智能交通系統(tǒng)ITS（Intelligent Transportation System）和CBTC的非安全業(yè)務，并預留5.925～5.945GHz作為未來城市軌道交通的擴展業(yè)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(chǎn)品。在本次現(xiàn)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(jù)兩者的傳輸損耗不同，兩種傳輸媒介組網(wǎng)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(tǒng)中存在的問題，和本次現(xiàn)場測試的測試環(huán)境和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，然后說明本次測試的測試內(nèi)容和測試用例并分析本次測試的結(jié)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(chǎn)權(quán)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(wǎng)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(gòu)，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(zhì)量QoS（Quality of Service）傳輸管理策略設計，同時在數(shù)據(jù)鏈路層也采用了區(qū)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(xiàn)的各種問題，因此數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較WLAN技術有較大的提升。但將商用LTE系統(tǒng)應用在城市軌道交通車－地通信系統(tǒng)中仍有一些技術問題尚待解決。

（1）信息傳輸?shù)母呖煽啃院蛯崟r性問題。商用LTE網(wǎng)絡為普通的用戶服務，重點關注系統(tǒng)的容量、用戶的接入成功率等問題，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性的要求不高。而城市軌道交通車－地通信系統(tǒng)需要傳輸CBTC、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、CCTV、PIS等業(yè)務數(shù)據(jù)，對傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性都有很高的要求，CCTV和PIS視頻業(yè)務還要求很高的傳輸吞吐量?，F(xiàn)有的商用LTE系統(tǒng)要承載這些業(yè)務，必須重新設計現(xiàn)有的接入算法、切換算法、信令傳輸算法等，并進行網(wǎng)絡優(yōu)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?，F(xiàn)在商用LTE技術采用同頻組網(wǎng)技術，相鄰小區(qū)使用相同的頻率，這樣不可避免在相鄰小區(qū)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(yè)務對通信的可靠性和實時性要求很高，因此必須研究系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾和系統(tǒng)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(tǒng)性能，增強系統(tǒng)的可用性。

（3）城市軌道交通環(huán)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(huán)境，不同的運行環(huán)境無線信道的特點差別很大。例如在隧道內(nèi)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(jié)省成本。LTE通信系統(tǒng)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(tǒng)的容量和傳輸?shù)目煽啃?。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(huán)境中研究TD－LTE系統(tǒng)的工程化問題，找到最佳的工程化解決方案，以達到系統(tǒng)的設計目標。

2 測試環(huán)境及測試內(nèi)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(yè)務的可行性，測試基于LTE的車－地綜合通信系統(tǒng)在實際環(huán)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(yè)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(huán)境中，采用工程實施的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，驗證LTE系統(tǒng)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(huán)形鐵道試驗中心，中心位于朝陽區(qū)東北五環(huán)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(tǒng)、電力及牽引供電系統(tǒng)和管理指揮系統(tǒng)等基礎建設。因此，環(huán)行線能夠全面地模擬城市軌道交通運行的各種真實環(huán)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(shù)量的限制，無法覆蓋全部環(huán)行線，僅在環(huán)形線的部分區(qū)段上進行了測試，軌旁安裝的5.9GHz漏泄波導見圖2。

圖1 環(huán)形鐵道城市軌道交通試驗線

環(huán)行線試驗段測試所構(gòu)建的TD－LTE系統(tǒng)采用A、B網(wǎng)組網(wǎng)方式，承載不同的業(yè)務數(shù)據(jù)，A、B兩個網(wǎng)單獨分別進行測試。A網(wǎng)采用15MHz帶寬，頻率范圍為5.88～5.895GHz，承載CBTC業(yè)務信息、列車運行狀態(tài)信息、車載CCTV監(jiān)控信息和PIS信息（含緊急文本）等業(yè)務；B網(wǎng)采用5MHz帶寬，頻率范圍為5.885～5.89GHz，承載CBTC業(yè)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(xiàn)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(tǒng)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(huán)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(wěn)定及其它測試，具體的測試內(nèi)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(yè)務包括CBTC、CCTV、PIS和列車運行狀態(tài)信息業(yè)務。每個CBTC業(yè)務流的數(shù)據(jù)包大小為400Byte，發(fā)送周期為100ms，最多產(chǎn)生4路業(yè)務流。列車運行狀態(tài)信息采用業(yè)務模擬軟件生成，文本大小為400Byte，速率為100kbit／s。

CCTV系統(tǒng)加載2路2Mbit／s或1Mbit／s的監(jiān)控視頻模擬數(shù)據(jù)。PIS業(yè)務加載1路2Mbit／s到4 Mbit／ss的視頻模擬數(shù)據(jù)。所有業(yè)務都通過IxChariot軟件模擬產(chǎn)生。各種業(yè)務的QoS要求見表1。

表1 城市軌道交通車－地通信業(yè)務的QoS要求

LTE系統(tǒng)是信息的傳輸通道，對所承載的業(yè)務信息透明傳輸，測試時可以采用統(tǒng)一的腳本進行業(yè)務數(shù)據(jù)模擬。

CBTC系統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送間隔取最小的為100 ms，數(shù)據(jù)包大小取最大的400Byte。列車運行狀態(tài)監(jiān)測信息的速率為100kbit／s。CCTV業(yè)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(yè)務采用實際設備，傳輸速率設為2Mbit／s或4 Mbit／s。

3 測試網(wǎng)絡架構(gòu)及參數(shù)配置

3.1 網(wǎng)絡架構(gòu)及參數(shù)設置

5.9GHz TD－LTE現(xiàn)場測試網(wǎng)絡架構(gòu)見圖3。LTE的核心網(wǎng)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(tǒng)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(qū)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(xiàn)場測試網(wǎng)絡架構(gòu)

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(fā)通過漏泄波導傳輸?shù)男盘?，?個天線安裝在車的頂部，用于收發(fā)通過無線自由波傳輸?shù)男盘?。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(shù)見表2。

表2 TD－LTE測試相關參數(shù)

3.2 QoS參數(shù)配置

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

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

表3 各種業(yè)務的QoS配置表

3.3 切換參數(shù)及視頻緩存設置

在城市軌道交通車－地通信系統(tǒng)中，列車在軌道上快速移動，經(jīng)常會出現(xiàn)在小區(qū)的邊緣切換帶。小區(qū)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(qū)邊緣的傳輸速率，以掌握此時LTE通信系統(tǒng)所能滿足的業(yè)務傳輸速率要求。計算LTE小區(qū)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(shù)A3 offset（偏置）＝2dB，滯后門限 Hysterisis＝1dB［5］。

假設較惡劣環(huán)境下，切換帶的交叉點最低點為0dB，即假設鄰小區(qū)干擾功率和本小區(qū)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(fā)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(wǎng)絡側(cè)發(fā)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(zhí)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(qū)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(yè)務，在接收端對視頻業(yè)務緩存2.2s左右的數(shù)據(jù)，這樣即使在這種極端情況下出現(xiàn)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(xiàn)上，通信設備供應商在進行小區(qū)配置時，均采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術ICIC（Inter－Cell Interference Coordination），這樣相鄰小區(qū)盡量不調(diào)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(tǒng)的吞吐量通常有20%～40%的增益。

4 測試結(jié)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(tǒng)的場強覆蓋情況。掃描場強時LTE系統(tǒng)工作在A網(wǎng)，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(nèi)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(fā)送，統(tǒng)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(tǒng)計的時候，根據(jù)文獻［6］的采樣準則，取40個波長內(nèi)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(nèi)的接收信號功率，不是LTE系統(tǒng)常用的參考信號接收功率指標。LTE系統(tǒng)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(qū)邊緣的RSRP基本在－95～－97dBm之間。通常公網(wǎng)的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃城區(qū)的RSRP不低于－100dBm［7］，本次測試的接收功率值能滿足公網(wǎng)的覆蓋要求，但對于承載安全相關業(yè)務的城市軌道交通車－地通信系統(tǒng)系統(tǒng)，此值偏低。

4.2 傳輸時延和切換時延

A網(wǎng)系統(tǒng)中僅承載CBTC業(yè)務時，測試得到的CBTC業(yè)務的傳輸時延的概率密度和累計分布函數(shù)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(yè)務的傳輸時延（超過99%的概率）滿足CBTC業(yè)務不高于100ms的要求。

圖6 CBTC業(yè)務的傳輸時延特性

A網(wǎng)系統(tǒng)中僅承載CBTC業(yè)務時，測試得到的CBTC業(yè)務的切換時延的概率密度和累積分布函數(shù)見圖7（a）和7（b），由圖7可見，切換時延集中在40ms內(nèi)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(yè)務不高于100ms的要求。

圖7 CBTC業(yè)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(shù)據(jù)業(yè)務源的發(fā)送。由于TD－LTE系統(tǒng)承載的業(yè)務類型和數(shù)量有限，在模擬業(yè)務源發(fā)送數(shù)據(jù)時，并不是滿速率發(fā)送，而設定其發(fā)送速率為20Mbit／s。測試得到系統(tǒng)帶寬為5 MHz和15MHz時的上行和下行吞吐量見圖8?？梢?，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(tǒng)的丟包率為0.05%左右，遠遠低于CBTC業(yè)務不高于0.5%的要求。這是因為網(wǎng)絡的SINR值一直保持在5dB以上，傳輸?shù)倪^程幾乎不發(fā)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(yè)務時CBTC業(yè)務的傳輸時延和切換時延

在進行承載綜合業(yè)務的CBTC傳輸時延和切換時延測試時，在15MHz的LTE網(wǎng)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(fā)送，速率為4Mbit／s，CCTV業(yè)務上行發(fā)送，速率為2Mbit／s。在測試的過程中，CCTV和PIS的圖像視頻平穩(wěn)清晰無抖動，質(zhì)量很好。

圖9 承載CBTC業(yè)務和承載綜合業(yè)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(yè)務傳輸時，CBTC業(yè)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(yè)務時的傳輸時延和切換時延進行比較，得到圖10?？梢?，傳輸綜合業(yè)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(tǒng)的調(diào)度算法在傳輸多種業(yè)務時，有效保障了CBTC業(yè)務的可靠傳輸。

5 結(jié)束語

本文對5.9GHz頻段的TD－LTE承載城市軌道交通綜合業(yè)務的通信性能的現(xiàn)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(yè)務包括CBTC、PIS、CCTV和列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務。測試結(jié)果表明：

（1）5.9GHz漏泄波導的傳播特性優(yōu)于無線自由波。

（2）TD－LTE系統(tǒng)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(yè)務最大100ms的傳輸時延要求。TD－LTE系統(tǒng)的車－地傳輸丟包率為0.05%，遠低于CBTC業(yè)務0.5%的指標要求。

（3）所測試的TD－LTE系統(tǒng)在承載綜合業(yè)務時，能保證CBTC業(yè)務的業(yè)務質(zhì)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(wǎng)絡的覆蓋和設計造成了挑戰(zhàn)，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(zhì)量。

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