馮 禹

（北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100101）

0 引言

近年來，我國通信技術(shù)發(fā)展迅猛，長期演進（Long Term Evolution，LTE）作為3G 與4G 技術(shù)間過渡的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在城市軌道交通的無線通信領(lǐng)域。LTE 技術(shù)立足于無線接入框架的重新構(gòu)建，可以保障由LTE 技術(shù)建成的系統(tǒng)具有較高的演進性能與低延時性。此特性可以滿足現(xiàn)階段我國城市軌道交通對無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求。對此，本文立足于LTE 技術(shù)在軌道交通無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的角度，借助北京市19 號線LTE-M 系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)要求標準對LTE 的應(yīng)用性能進行研究，以期為相關(guān)人員或單位提供參考。

1 案例現(xiàn)狀

1.1 LTE 技術(shù)的基本特征

LTE 融合多輸入多輸出（Multiple-In Multiple Out，MIMO）技術(shù)和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)[1-3]，能夠展現(xiàn)出較高的信息傳輸速率和頻譜效率。并且，LTE 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對頻譜的靈活分配且可以支持新增的無線通信頻率，進而達到顯著提升無線通信系統(tǒng)覆蓋規(guī)模與容量的目的。對于城市軌道交通的無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，利用上述LTE 技術(shù)構(gòu)建的無線通信網(wǎng)絡(luò)可以確保整個系統(tǒng)的最低通信延時，并可以為更廣的通信媒體覆蓋提供高速的無線傳輸速率。從軌道交通通信重要性角度來看，LTE技術(shù)融合MIMO 和OFDM 技術(shù)，能夠基本滿足軌道交通應(yīng)用場景對通信網(wǎng)絡(luò)的一些特殊需求[4]，達到全面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信，提高系統(tǒng)整體性能的目標。

1.2 設(shè)計總體要求

案例地區(qū)城市軌道交通對LTE-M 系統(tǒng)的設(shè)計要求大致有：滿足軌道交通的服務(wù)對象，如信號系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）的相關(guān)需求，滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)傳輸功能、無線接入功能、基本的網(wǎng)絡(luò)安全功能、日常的網(wǎng)絡(luò)管理功能、無線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)承載能力以及其他附屬功能等。

2 LTE 系統(tǒng)性能測試設(shè)計

為深入探究LTE 技術(shù)在城市軌道交通車地無線通信網(wǎng)絡(luò)中綜合承載業(yè)務(wù)的可行性，在我國某研究院進行現(xiàn)場實地測試。測試在1.8 GHz 政務(wù)網(wǎng)干擾條件真實的電磁環(huán)境下進行。使用工程實施的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計對應(yīng)用在19 號線的LTE-M 系統(tǒng)在實際環(huán)境中的運行性能進行監(jiān)測，判斷LTE-M 系統(tǒng)是否可以滿足該軌道無線網(wǎng)絡(luò)通信對綜合承載生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需求[5]。

2.1 測試場地

測試場地全線長為8 630.419 m，測試列車的最高運行速度達到140 km·h-1。全線均配備城市軌道交通所需要的所有通信信號系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、基礎(chǔ)電力基站以及指揮管理系統(tǒng)等，可以全面真實地模擬出城市軌道交通運行可能遇到的各種真實環(huán)境情況[6]。

2.2 頻段選擇

現(xiàn)階段，900 MHz 頻段的GSM-R 鐵路專用頻段已經(jīng)難以支持LTE 的寬帶數(shù)據(jù)移動業(yè)務(wù)。因此，可針對無線網(wǎng)絡(luò)投放地區(qū)情況，申請使用城市專網(wǎng)TD-LTE 頻段，如1 447～1 467 MHz 的固定移動用戶頻段和1 785～1 805 MHz 的行業(yè)專網(wǎng)頻段以及5 850～5 920 MHz 的TD-LTE 可接受頻段[7]。因現(xiàn)階段5.9 GHz頻段的通信技術(shù)應(yīng)用還不太成熟，其空間傳輸所需功耗過大且應(yīng)用在城市軌道交通無線通信領(lǐng)域的硬件設(shè)備缺失，所以現(xiàn)階段較適合于LTE 技術(shù)的城市軌道交通頻段只有1.8 GHz 和1.4 GHz 兩種選擇。目前，我國1.8 GHz 頻段基本上已經(jīng)覆蓋鄭州、烏魯木齊、呼和浩特以及蘭州等城市的軌道交通，相對于1.4 GHz 頻段而言，1.8 GHz更適合LTE 城市軌道交通的無線通信網(wǎng)絡(luò)。因此，本次測試選用1.8 GHz 頻段作為LTE-M 系統(tǒng)的測試工作頻段。本此測試試驗均圍繞1 785～1 805 MHz 頻段展開。LTE 分為A 網(wǎng)和B 網(wǎng)，A網(wǎng)主要負責綜合承載，B 網(wǎng)只承載基于通信的列車自動控制（Communication Based Train Control，CBTC）業(yè)務(wù)。A 網(wǎng)頻段為1 785～1 800 MHz，B網(wǎng)頻段為1 800～1 805 MHz。因1.8 GHz 頻段現(xiàn)已投入北京政務(wù)網(wǎng)中使用，因此本試驗政務(wù)網(wǎng)的干擾屬于不可避免的因素，應(yīng)當在系統(tǒng)設(shè)計時著重考慮這一干擾因素。

2.3 系統(tǒng)抗干擾能力的設(shè)計與對策

因測試的城市軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)使用1.8 GHz 頻段，因此LTE 網(wǎng)絡(luò)受到的主要干擾是政務(wù)網(wǎng)信息干擾。因軌道交通的無線通信只需要在軌道交通沿線處覆蓋LTE 無線信號，所以可結(jié)合軌道交通的線路特點與實際工程應(yīng)用等角度采取干擾規(guī)避措施。先提出兩種防干擾的抑制策略。

第一，全線使用漏纜進行覆蓋。因漏泄同軸電纜擁有信號傳輸能力，同時還擁有天線功能，可利用對外導(dǎo)體的開口實現(xiàn)控制，并將受控的電磁波以能量的方式沿線路均勻輻射傳播出去，并以同樣方式實現(xiàn)接收，所以可實現(xiàn)對整個無線通信電磁場盲區(qū)的全面覆蓋。軌道交通線共布置4 條漏纜，均沿軌旁離開車載天線約1.7 m 位置進行布置。單側(cè)雙漏纜的設(shè)計方式不僅可以抵御外界干擾，同時還能夠通過MIMO 的特性提升車地無線通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路傳輸性能。

第二，將車載天線設(shè)置在車頂，利用車身的屏蔽性能降低干擾。

2.4 測試網(wǎng)絡(luò)的方案設(shè)計

上述試驗檢測所構(gòu)建的基于城市軌道交通的LTE 系統(tǒng)均使用A、B 網(wǎng)冗余組網(wǎng)方式。A、B 網(wǎng)共同作為系統(tǒng)承載能力測試的網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)業(yè)務(wù)的處理。其中，A 網(wǎng)使用帶寬為15 MHz，需要承載CBTC 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、PIS 圖像信息（包括緊急文本）數(shù)據(jù)、列車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及車載閉路電視（Closed Circuit Television，CCTV）監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的傳輸；B 網(wǎng)帶寬設(shè)置為5 MHz，主要負責對CBTC業(yè)務(wù)下的常規(guī)信息數(shù)據(jù)與緊急文本信息的承載。

上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均涵蓋核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）、車載無線（Train Access Unit，TAU）、基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）以及射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）。其中，BBU需要利用以太網(wǎng)方式與兩套LTE 核心網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)直接接入，然后利用光纜方式連接到軌道的RRU設(shè)備。系統(tǒng)的區(qū)間段主要使用RRU+漏泄同軸電纜實現(xiàn)交通線的全覆蓋，進而降低來自其他無線通信環(huán)境的同頻段干擾。在模擬試驗測試列車的車頭與車尾分別裝入車載接入單元TAU，通過TAU的方式實現(xiàn)車載交換機與車載應(yīng)用設(shè)備的連接，從而實現(xiàn)CBTC、PIS 及CCTV 等業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)接入，并完成不同協(xié)議業(yè)務(wù)間的隔離和自身對網(wǎng)絡(luò)安全的需求。其中，安裝在車頭的TAU 帶寬只需設(shè)計為5 MHz，因其只承擔CBTC 業(yè)務(wù)的傳輸，而安裝在車尾處的TAU 裝置則需要承擔CBTC、PIS、CCTV以及其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。

在實際測試之前，還需要在試驗線軌旁設(shè)置9個RRU（RRU 數(shù)量可根據(jù)實際軌道長度決定），相鄰兩個RRU 間的距離需控制在1 km 左右。為使LTE 系統(tǒng)滿足列車各項系統(tǒng)功能的需求，還需要對BBU 間的切換延時與傳輸性能進行測試。因此，需要在A、B 組網(wǎng)處分別設(shè)置2 臺BBU，目的在于增加切換次數(shù)，而RRU 需要交叉接入對應(yīng)的BBU，從而使車載無線終端在經(jīng)過每一處RRU 裝置時可產(chǎn)生1 次BBU 間的切換，進而達到增加測試樣本數(shù)的目的。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 傳輸性能測試

對LTE 系統(tǒng)的傳輸性能測試主要涵蓋傳輸和切換的延時測試與數(shù)據(jù)傳輸丟包率和吞吐量等檢測。因在LTE 無線通信系統(tǒng)中，軌道交通無線通信地面設(shè)備與列車車載的TAU 時鐘并不處于完全同步狀態(tài)，所以在進行一些數(shù)據(jù)傳輸和切換的延時檢測時需要嚴格注意環(huán)回延時情況而并非單向傳輸?shù)难訒r。LTE 系統(tǒng)傳輸延時概率分布如圖1 所示。

由圖1 可知，無線通信系統(tǒng)的傳輸延時均集中在開始傳輸后的10 ms 區(qū)間，平均傳輸延時約為11.5 ms，遠低于CBTC 業(yè)務(wù)對QoS 需求150 ms 的規(guī)定，且傳輸延時在20 ms 以下的概率接近100%。

圖1 傳輸延時概率分布

切換延時概率分布如圖2 所示。切換延時與傳輸延時不同，切換延時因操作問題并不集中在數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪骋还潭ㄖ蹈浇傮w呈分布變化形態(tài)。

圖2 切換延時概率分布

圖2 中，平均切換延時為30 ms，同樣遠低于CBTC 業(yè)務(wù)對QoS 150 ms 的需求，并且切換延時在45 ms 以下的概率接近100%。圖1 和圖2 為列車駐留在某試驗小區(qū)內(nèi)的模擬情況，其信干噪比（Signal to Interference Noise Ratio，SINR）與下行速率的變化如圖3、圖4 所示。

圖3 單小區(qū)下行信干噪比

圖4 單小區(qū)下行吞吐量

由圖3 可知，在絕大部分時間里，SINR 的值均大于10 dB。對于網(wǎng)絡(luò)的下行速率而言，除列車位于小區(qū)邊緣的特殊情況外，其實際速率值均能夠控制在20 Mb·s-1左右。圖3 中單小區(qū)下行信干噪比SINR 的實際帶寬為15 MHz，此時無線通信網(wǎng)絡(luò)的上、下行吞吐速率概率分布如圖5、圖6 所示。

圖5 上行吞吐量概率分布

由圖5、圖6 數(shù)據(jù)可知，無線通信系統(tǒng)的上行平均吞吐量可控制在17.2 Mb·s-1左右，而下行吞吐量可控制在19.4 Mb·s-1左右。

圖6 下行吞吐量概率分布

整個測試環(huán)節(jié)只出現(xiàn)少量丟包現(xiàn)象。在測試系統(tǒng)丟包時，整個測試過程并沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

3.2 綜合承載性能測試

在對LTE 系統(tǒng)進行綜合承載性能測試之前，應(yīng)當明確測試所涵蓋的業(yè)務(wù)。例如，在本次試驗中，為研究PIS/CCTV 業(yè)務(wù)對無線通信系統(tǒng)下CBTC 業(yè)務(wù)的傳輸性能影響，應(yīng)當對基于LTE 技術(shù)構(gòu)建的無線通信系統(tǒng)承載CCTV、PIS 以及TOSM（Through Open Short Match）等業(yè)務(wù)時對CBTC 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸情況的影響進行測試，即重點監(jiān)測傳輸延時和切換延時的誤差情況。因PIS 與CCTV 業(yè)務(wù)在我國城市軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸要求速率分別為4 Mb·s-1和2 Mb·s-1，所以在試驗中將2 套CCTV和1 套PIS 設(shè)備同時接入LTE 網(wǎng)絡(luò)，并同時采用IxChariot 測試工具模擬雙路CBTC 業(yè)務(wù)流量流經(jīng)LTE 無線網(wǎng)絡(luò)的情況，以一次全流量數(shù)據(jù)傳輸為一次循環(huán)，共進行100 次循環(huán)模擬測試，測試結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 綜合承載業(yè)務(wù)傳輸延時的概率分布函數(shù)

圖7 和圖8 分別為LTE 系統(tǒng)對綜合承載業(yè)務(wù)能力測試的傳輸延時和切換延時。其中，傳輸延時能夠控制在100 ms 以下，切換延時可被控制在50 ms 以下。因此，可認為LTE 技術(shù)構(gòu)建調(diào)度算法可以承擔軌道交通對無線通信各項業(yè)務(wù)的承載要求，使PIS/CCTV 業(yè)務(wù)的開展可以有序進行，即PIS/CCTV業(yè)務(wù)不會對CBTC 業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響。

圖8 綜合承載業(yè)務(wù)切換延時的概率分布函數(shù)

4 結(jié)語

本文借助北京市城市軌道交通19 號線的LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計對LTE 系統(tǒng)應(yīng)用效果進行探究。從測試結(jié)果可知，LTE 技術(shù)能夠有效提高城市軌道交通無線通信系統(tǒng)的信息傳輸能力，其數(shù)據(jù)上下行的傳輸能力可分別達到17.2 Mb·s-1和19.4 Mb·s-1，并且在高速數(shù)據(jù)傳輸過程中即整個測試丟包過程中并未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。測試LTE 系統(tǒng)的承載能力時，針對LTE-M 系統(tǒng)實際承載CBTC、CCTV、PIS 及TOSM 的情況進行模擬測試，結(jié)果證明在100 次循環(huán)測試中傳輸延時均可被控制在100 ms 以下，切換延時可控制在50 ms 以下，由此可證明LTE 系統(tǒng)能夠為城市軌道交通提供更加高效的信息傳輸。希望通過上述分析，能夠為進一步加快LTE-M 系統(tǒng)在我國各城市軌道交通中的使用提供參考，為全面推進LTE-M 技術(shù)規(guī)范測試應(yīng)用提供指導(dǎo)幫助。