謝帥虎，李 杰，霍曉峰，宋傳旺，張守芝，董 瑛，劉 棟

（1. 青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266520；2. 青島地鐵集團有限公司，山東青島 266000；3. 北京中興高達通信技術(shù)有限公司，北京 100191）

0 引言

地鐵的出現(xiàn)很大程度上緩解了交通壓力，但人們已不滿足于當前廣播和文字信息的服務(wù)質(zhì)量，而轉(zhuǎn)向節(jié)目和新聞等相關(guān)多媒體信息的多樣性服務(wù)體驗[1]。乘客信息系統(tǒng)（PIS）就是以乘客為服務(wù)中心的運營系統(tǒng)，能夠為乘客提供所需要的各類信息，因此，被越來越多地應(yīng)用到地鐵行業(yè)中。

另外，對于人員密集且流量大的地鐵環(huán)境，為實現(xiàn)列車車廂內(nèi)的動態(tài)監(jiān)控，便于操作人員觀察地鐵中乘客的上下車情況，以及為運營公司的調(diào)度工作提供便利，在此背景下提出了視頻監(jiān)控的要求，閉路電視系統(tǒng)（CCTV）因此成為了城市軌道交通的主要系統(tǒng)之一[2]。CCTV 可以將列車內(nèi)情況上傳到控制中心，進行全程監(jiān)控，保障列車實時安全運營。在地鐵建設(shè)過程中，對于如何部署網(wǎng)絡(luò)以滿足 CCTV 系統(tǒng)的帶寬需求，是一個值得商榷的問題。

目前對于承載 PIS 和 CCTV 這樣的大帶寬需求的業(yè)務(wù)主要采用無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)。但 WLAN 工作在開放頻段，存在較多的干擾源，在列車高速行駛時，網(wǎng)絡(luò)性能很不穩(wěn)定，很有可能出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，因此急需新的技術(shù)來改善這種現(xiàn)狀[3]。

長期演進（LTE）是由第三代合作伙伴計劃（3GPP）機構(gòu)啟動的研發(fā)項目，它是專門為高速移動條件下而定義的一個寬帶網(wǎng)絡(luò)標準，改善了 3G 的空中接入技術(shù)，在 20 MHz 頻譜帶寬下可提供下行 100 Mbit/s、上行 50 Mbit/s 的峰值速率，其帶寬高、穩(wěn)定性強等特點十分適合于地鐵應(yīng)用。許多學(xué)者對 LTE 在地鐵中的應(yīng)用展開研究，文獻[4-6]對 LTE 在乘客信息系統(tǒng)無線傳輸中的應(yīng)用進行了研究，得出 LTE 具有帶寬高、覆蓋范圍廣和抗干擾能力強等優(yōu)點，且更適合 PIS 車地間的無線通信等結(jié)論；文獻[7-8]利用LTE技術(shù)對乘客信息系統(tǒng)組網(wǎng)方案進行了分析，測試結(jié)果表明無線通道性能符合標準要求。雖然關(guān)于 LTE 技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用的文獻有很多，但很少有針對 PIS 和 CCTV 單業(yè)務(wù)承載能力的研究。本文在青島地鐵 2 號線 LTE 車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，測試分析不同帶寬對 PIS 和 CCTV 業(yè)務(wù)的承載能力。

1 LTE 系統(tǒng)設(shè)計方案

LTE 車地通信系統(tǒng)為 PIS 和 CCTV 業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)通道，以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息的雙向傳輸。以青島地鐵 2 號線為例，整個系統(tǒng)由控制中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)組成（圖 1）。

圖1 LTE 系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 控制中心子系統(tǒng)

控制中心子系統(tǒng)主要是為 PIS 和 CCTV 提供車地寬帶無線接口、核心網(wǎng)設(shè)備以及配套網(wǎng)管平臺。

1.2 車站子系統(tǒng)

車站子系統(tǒng)主要由 LTE 基站及相關(guān)設(shè)備組成。在車站機房布置基站的基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）設(shè)備，BBU 通過交換機連接核心網(wǎng)設(shè)備，RRU通過多系統(tǒng)接入平臺（POI）與通信系統(tǒng)其他信號合路。合路后的無線信號饋入敷設(shè)于區(qū)間的漏纜，實現(xiàn)區(qū)間的信號覆蓋。

1.3 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)主要由列車接入單元（TAU）設(shè)備組成。TAU安裝在車頭和車尾，通過以太網(wǎng)接口與車載交換機連接，建立數(shù)據(jù)信息交互的通道，實現(xiàn)與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的通信。TAU 通過安裝于列車車體外的天線實現(xiàn)與區(qū)間漏纜的無線交互。PIS 流媒體信息經(jīng)漏纜發(fā)送、TAU 天線接收后，顯示在車載液晶顯示屏（LCD）上。CCTV 圖像信息通過 TAU 天線發(fā)送到漏纜中，然后通過控制中心與車站之間的有線鏈路將信息上傳到控制中心設(shè)備。

2 無線覆蓋設(shè)計

LTE 系統(tǒng)的無線覆蓋一般需要綜合考慮切換區(qū)分析和鏈路預(yù)算，得出單個 RRU 的最大覆蓋距離。切換區(qū)示意圖如圖 2 所示，包括切換遲滯區(qū)、切換測量區(qū)和切換執(zhí)行區(qū) 3 部分。

圖2 切換區(qū)示意圖

切換遲滯區(qū)定義為目標小區(qū)的參考信號接收功率（RSRP）高于源小區(qū) RSRP 時的區(qū)域。在地鐵正線區(qū)間，配置切換門限為 2 dB。切換測量區(qū)即切換的測量上報區(qū)。切換執(zhí)行區(qū)是從物理信道重配指令下發(fā)到完成的區(qū)域。切換區(qū)距離計算公式為：

式（1）中：λ為漏纜每米損耗值，根據(jù)漏纜廠家給出的參考值，取每 100 m 損耗 4.1 dB（1.8 G 頻段）；ν是列車最大行駛速度，按照 100 km/h 取值；t1和t2分別表示測量時長和切換時延，兩者之和一般為 300 ms 以內(nèi)。根據(jù)式（1）計算可得切換區(qū)長度d為 65.45 m。

根據(jù)下行參考信號預(yù)算和上、下行業(yè)務(wù)信道預(yù)算結(jié)果，RRU 單邊最大覆蓋距離為 652.7 m，故單個 RRU 最大覆蓋距離為 652.7×2 - 65.45 = 1 239.95 m，超出該距離時需要增加 RRU 設(shè)備。實際上，RRU 需要根據(jù)列車行駛線路的走向和坡度具體情況進行部署。

3 PIS 和 CCTV 業(yè)務(wù)需求分析

PIS 是一種應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)形成的綜合性服務(wù)系統(tǒng)，用于為乘客提供導(dǎo)乘信息、列車運營信息以及廣告、新聞媒體、娛樂節(jié)目等信息?？刂浦行膶⒋祟愋畔⒕庉嬚砗?，通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)將高清視頻信息 720P 以組播方式下發(fā)到列車，實時顯示在 LCD 顯示屏上，其帶寬需求一般為下行 2～6 Mbit/s。

CCTV 業(yè)務(wù)就是將列車駕駛室和客室內(nèi)的監(jiān)控錄像通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心，實時監(jiān)控列車運營情況，保障公眾安全。為保證監(jiān)控效果，CCTV 業(yè)務(wù)設(shè)計為 720P 分辨率，采用 H.264 編碼方式，每 1 路視頻編碼帶寬為 2 Mbit/s。

4 PIS 和 CCTV 業(yè)務(wù)性能測試

為了測試系統(tǒng)在不同帶寬下對 PIS 和 CCTV 業(yè)務(wù)的最大負荷能力，并為后續(xù)工程調(diào)試提供參考，根據(jù)現(xiàn)場建設(shè)條件，測試環(huán)境選擇在青島地鐵 2 號線上行線路的某 3 站 2 區(qū)間（全長 1 977 m 左右）進行實地測試。首先將 LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬先后設(shè)置為 5 MHz、10 MHz和 15 MHz，進行場強覆蓋、區(qū)間吞吐量測試。在保證場強覆蓋能夠滿足 LTE 系統(tǒng)需求規(guī)范要求的前提下，根據(jù)上、下行區(qū)間吞吐量最小值計算出不同帶寬下系統(tǒng)對 PIS 和 CCTV 單業(yè)務(wù)的承載能力，再分別進行測試驗證。

4.1 場強覆蓋測試與分析

在進行網(wǎng)絡(luò)信號場強 RSRP 覆蓋測試之前，首先要在測試區(qū)間做好網(wǎng)絡(luò)無線鏈路優(yōu)化工作，且在網(wǎng)管和基站設(shè)備運行正常的條件下，將抓包分析工具 zCAT 的取樣時間設(shè)置為 1 s，利用 zCAT 連接 TAU 傳輸?shù)男盘枺诹熊囘\行狀態(tài)下先后進行 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 這3 種帶寬下的 RSRP 測試，其測試結(jié)果如表 1 所示。由表 1 可知，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下 RSRP 最小分別為：-92 dBm、-92 dBm 和 -93 dBm，均滿足不低于 -95 dBm 的要求。

表1 RSRP 測試結(jié)果統(tǒng)計 dBm

4.2 區(qū)間吞吐量測試與分析

由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時存在著多種干擾，如同隧道中同頻干擾、雜散干擾和互調(diào)干擾等情況，而吞吐量是能直觀反映 LTE 技術(shù)抗干擾能力的重要指標，因此，要進行區(qū)間吞吐量測試。區(qū)間吞吐量測試使用 Ixchariot軟件，設(shè)置軟件中的控制端和終端 IP 地址，通信協(xié)議選擇為 UDP 協(xié)議，測試腳本選擇為 Throughput.scr，在列車啟動時運行該軟件，先后測試 5 MHz、10 MHz 和15 MHz 不同帶寬上、下行吞吐量。測試結(jié)果如圖 3～圖 8 所示，由圖可知：5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下的上行吞吐量最小值分別為 4.03 Mbit/s、7.14 Mbit/s和 9.64 Mbit/s；下行吞吐量最小值分別為 2.72 Mbit/s、5.59 Mbit/s 和 9.01 Mbit/s。分析不同帶寬上、下行吞吐量的概率分布情況會發(fā)現(xiàn)，3 種帶寬的上行吞吐量較分散，說明上行吞吐量較穩(wěn)定，一直在平均值附近波動；而下行吞吐量均集中在某一值附近，其余部分僅占很少概率，懸殊太大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是單漏纜以及單天線的組網(wǎng)方式導(dǎo)致下行接收功率的不平衡，從而導(dǎo)致信號在切換期間的吞吐能力急劇變?nèi)酢?/p>

圖3 5 MHz 上行區(qū)間吞吐量測試結(jié)果

圖4 5 MHz 下行區(qū)間吞吐量測試結(jié)果

圖5 10 MHz 上行區(qū)間吞吐量測試結(jié)果

圖6 10 MHz 下行區(qū)間吞吐量測試結(jié)果

圖7 15 MHz 上行區(qū)間吞吐量測試結(jié)果

圖8 15 MHz 下行區(qū)間吞吐量測試結(jié)果

4.3 PIS 和 CCTV 單業(yè)務(wù)測試

4.3.1 PIS 單業(yè)務(wù)測試

根據(jù) 4.2節(jié)區(qū)間 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下行最小吞吐量測試結(jié)果推算，應(yīng)可以分別滿足 1 路 2M、4M 和 6M 的 PIS 下行組播業(yè)務(wù)帶寬需求。為了驗證系統(tǒng)在 3 種帶寬下承載 PIS 業(yè)務(wù)的能力，在列車 65 km/h 速度下進行 PIS 單業(yè)務(wù)測試。考慮到列車移動到邊緣切換區(qū)時會發(fā)生切換，此時的吞吐量會急劇降到最低，對視頻效果極可能造成卡頓現(xiàn)象，故將車載服務(wù)器緩沖時間設(shè)置為 20 s 左右并采取補包措施，從而保證不影響用戶的觀看體驗。在列車運行時，控制中心下發(fā) PIS 視頻到LCD 顯示屏進行測試，測試過程中通過目測觀察視頻播放情況。測試結(jié)果如表 2 所示，視頻下發(fā)播放過程中全程流暢，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬能夠分別承載 1 路 2M、4M 和 6M 的 PIS 業(yè)務(wù)。

表2 PIS 業(yè)務(wù)測試結(jié)果

4.3.2 CCTV 單業(yè)務(wù)測試

通過分析 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下的上行最小區(qū)間吞吐量結(jié)果，系統(tǒng)應(yīng)至少可以分別滿足1路2M、2 路 4M 和 3 路 6M 的 CCTV 視頻上傳業(yè)務(wù)。首先將列車駕駛室及各客室攝像機的碼率設(shè)置為 2M，在不同帶寬下分別添加 1 路、2 路和 3 路攝像機到空白監(jiān)控區(qū)進行測試，并打開 Net Meter 軟件對當前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量進行監(jiān)控。列車在 65 km/h 速度下的測試結(jié)果如表 3 所示。測試結(jié)果表明，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬流量范圍分別為 0.91～2.09 Mbit/s、1.51～4.03 Mbit/s 和 2.41～5.95 Mbit/s，視頻流暢且無卡頓現(xiàn)象。所以，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 帶寬下系統(tǒng)可分別承載 1 路、2 路和 3 路 CCTV 上傳業(yè)務(wù)。

5 結(jié)論

根據(jù)青島地鐵 2 號線 LTE 系統(tǒng) PIS 和 CCTV 單業(yè)務(wù)的測試結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）在 5 MHz 帶寬條件下，LTE 系統(tǒng)能夠滿足 1 路2M 下行 PIS 和 1 路 2M 視頻上傳業(yè)務(wù)承載需求；

表3 CCTV 業(yè)務(wù)測試結(jié)果

（2）在 10 MHz 帶寬條件下，LTE 系統(tǒng)能夠滿足1 路 4M 下行 PIS 和 2 路 4M 視頻上傳業(yè)務(wù)承載需求；

（3）在 15 MHz 帶寬條件下，LTE 系統(tǒng)能夠滿足1 路 6M 下行 PIS 和 3 路 6M 視頻上傳業(yè)務(wù)承載需求。

因此，基于 LTE 技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)完全可以承載 PIS 和 CCTV 大帶寬業(yè)務(wù)。本文對 PIS 和 CCTV 業(yè)務(wù)的測試結(jié)果，對不同帶寬下的 PIS 和 CCTV 業(yè)務(wù)規(guī)劃設(shè)計有一定的參考價值。