城市轨道交通车地通信TD-LTE综合业务承载测试分析

顾向锋

(中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,450052,郑州//工程师)

城市轨道交通车地通信TD-LTE综合业务承载测试分析

顾向锋

(中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,450052,郑州//工程师)

郑州地铁1号线车地无线系统首次采用TD-LTE(分时—长期演进)专网。通过专用测试仪器和网络测试系统,对TD-LTE车地无线传输性能和综合业务承载能力进行测试。分析了测试内容和测试结果,指出TD-LTE专网具有实时性好、可靠性高、稳定性强、丢包率低、越区切换业务无中断且成功率高、终端连接时间短且成功率高等优点,适合高速移动下大带宽以及多业务服务质量保障的轨道交通综合承载要求。

城市轨道交通; 车地通信; TD-LTE; 综合承载

Author′s address The Fourth Branch of China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.,Ltd.,450052,Zhengzhou,China

将TD-LTE(时分双工—长期演进)移动通信技术用于承载城市轨道交通CBTC(基于通信的列车控制)、PIS(乘客信息系统)、CCTV(闭路电视)等生产系统的业务信息,高效运用现有城市轨道交通基础设施,提高运营效率,已成为城市轨道交通运输领域最新关注的焦点。

目前郑州地铁1号线已建成TD-LTE车地无线通信系统,为验证TD-LTE系统在城市轨道交通车地无线通信多业务综合承载的可用性,需进行TD-LTE设备的通信性能测试。

1 测试内容和方法

基于TD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信综合承载平台需在列车运行状态下,满足实时、宽带、稳定、具有服务质量(QoS)保障的生产业务需求。生产业务的带宽需求如表1所示。

表1 生产业务带宽需求

测试主要包括以下四部分内容:

(1) TD-LTE系统的传输时延、丢包率,以及传输带宽、切换时延性能;

(2) TD-LTE系统承载CBTC业务信息、列车实时状态信息、车载CCTV监控图像信息、PIS图像信息的综合业务传输性能;

(3) TD-LTE系统的稳定性;

(4) TD-LTE系统的抗干扰性能。

1.1 测试方案

利用现有的郑州地铁1号线TD-LTE系统测试相关业务数据。其中,CBTC业务信息、列车实时状态信息采用模拟方式进行数据的发送和接收,车载CCTV监控图像信息和PIS图像信息采用真实设备进行发送和接收。如图1所示。

(1) CBTC业务信息:采用模拟CBTC系统进行数据包的发送和接收。模拟CBTC系统由模拟CBTC地面服务器和模拟CBTC车载测试设备组成。

图1 TD-LTE网络综合业务测试方案

(2) 列车实时状态信息:采用模拟列车实时状态信息系统进行数据包的发送和接收。模拟列车实时状态信息系统由模拟列车实时状态信息地面服务器和模拟列车实时状态信息车载测试设备组成。

(3) CCTV系统:采用真实CCTV系统设备实现车载CCTV监控图像信息回传业务。CCTV系统由控制中心设备、车载视频监控设备等组成。

(4) PIS系统:采用真实PIS设备实现车载PIS图像业务。PIS由车载设备、PIS中心服务器等组成。PIS流媒体直播信息由下行信道承载,承载带宽为每列车2～6 Mbit/s,由中心下发到列车的PIS。

1.2 服务质量规划

在系统中,将CBTC信号承载业务的优先级设置为1,即最高优先级。紧急信息在特殊需求情况下发送,因此也要求有较高的优先级、较低的时延、较低的丢包率。根据不同业务的要求,结合TD-LTE对优先级和服务质量分类,对各业务的优先级和服务质量(延时、丢包等)进行划分，如表2所示。

表2 业务优先级和服务质量划分

1.3 测试仪器配置

测试过程中用到的各种仪器如下:

(1) 高速扫频仪:1台,场强覆盖测试；

(2) IP网络测试系统:2台,系统性能测试;

(3) 秒表:1台,系统功能测试。

1.4 测试方法

本文以TAU(列车接入单元)连接建立时间测试为例,分析业务测试方法与误差控制措施。

测试目的:业务网络服务质量测试,测试LTE网络连接建立时间。

测试条件:①LTE网络配置正常,2台TAU 600接入LTE网络,整个网络配置正常;②LTE承载的业务正常运行;③TAU下挂的测试PC 1与核心网的测试PC 2互通正常;④测试PC 1安装测试工具Histudio、软件IPOP。

测试步骤:①使用IPOP登陆到TAU 600,发送AT命令at+cfun=0 0对Modem芯片关机，使用AT命令at+cfun=1 0对Modem芯片开机;，验证设备是否正常连接②使用HiStudio-LTEAirLayer统计从idle态TAU发Preamble到TAU发送RRC Connection Reconfiguration Complete(无线资源控制重配置完成)的时间;③重复测试20次,统计其平均时间。

测试结果:通过。

(1) 使用AT命令开、关机成功，设备连接正常;

(2) 使用HiStudio-LTEAirLayer统计从idle态TAU发Preamble到TAU发送RRC Connection Reconfiguration Complete的时间为125 ms;

(3) 重复测试20次,计算得出TAU连接建立的平均时间为124.75 ms。

1.5 TD-LTE传输性能测试

城市轨道交通生产系统中对于传输性能的实时性和可靠性的要求很高，本文就无线业务的传输时延、切换时延、丢包率测试情况进行分析。

TD-LTE无线系统传输中涉及的主要网元包括终端、基站和核心网。整个数据传输时延的构成,分解为各个网元的处理时延、空口传输时延以及S1口传输时延(见表3)。

表3 传输时延分段

切换时延包括切换控制面时延和切换用户面时延。采用专车、共用车、徒步等测试手段,记录统计切换情况。测试统计如图2、3所示。切换控制面平均时延为19 ms,最大值为21 ms,最小值为16 ms；切换用户面平均时延为59.2 ms,最大值为64 ms,最小值为54 ms。

图2 切换控制面时延统计图

图3 切换用户面时延统计图

动态环境下测试了不同列车速度下的数据丢包率，见表4。

从以上测试可以看出,LTE系统业务数据端到端的单向传输时延小于100 ms,越区切换无中断且切换成功率高,信息传输及时准确,完全满足城市轨道交通车地通信综合业务承载实时、安全、可靠传输的要求。

表4 不同列车速度下的丢包率

1.6 综合业务承载测试

测试TD-LTE网络承载CBTC、CCTV与PIS综合业务的能力,统计列车控制性能指标,评估列车控制数据是否可满足实际应用场景。测试时,产生2路模拟CBTC业务,其中1路是列车状态信息业务,设置为最高优先级;在15 Hz带宽条件下,上传2路CCTV视频监控,速率为2×2 Mbit/s;下行分发1路PIS视频,速率为4 Mbit/s；使用业务模拟器产生1路紧急文本业务、1路列车状态信息业务。

(1) CBTC业务测试:列车速度分别保持在20 km/h、40 km/h、60 km/h的情况下,进行了CBTC业务数据测试,CBTC均可看到正常的数据业务流,无丢包现象。

(2) 上行车厢视频监控测试:上行业务进行反复拉网测试,在OCC(运营控制中心)调取运行车辆的车内视频监控,满足协商视频采集码率2.0 Mbit/s的摄像头视频流畅清晰；可以同时调取多路视频,保持拉网过程中视频清晰流畅。

(3) 上下行视频并发测试:专车拉网验证,正线全线进行测试,并发业务。下行由OCC向全网运行车辆播发6 Mbit/s高清片源保持,上行OCC控制中心同时调取行车内视频监控1～3路保持。车速分别保持在20 km/h、40 km/h、60 km/h。整个拉网测试中上行视频监控和下行视频播放流畅，无马赛克。

2 测试分析

2.1 综合承载能力分析

城市轨道交通生产系统需要承载多种业务,对无线传输系统有明确的带宽速率要求。本文对TD-LTE系统10 MHz带宽下的单天线传输吞吐量进行分析。

在时隙配比1(即上下行时隙比例为2:2)、10 MHz带宽下,下行链路和上行链路SINR(信干噪比)吞吐量关系如图4、图5所示。

图4 时隙配比1下行吞吐量

图5 时隙配比1上行吞吐量

从图4、图5中可以看出,在时隙配比1下,在MIMO(多入出)为 1×1的配置下,SINR在0 dB左右时,下行链路能提供5 Mbit/s左右的吞吐量,上行链路则为2 Mbit/s左右;当SINR上升到15 dB时,下行链路和上行链路分别能提供约27 Mbit/s和11 Mbit/s的吞吐量。

2.2 列车高速运行下的性能分析

列车高速运行对无线传输系统性能的影响，主要为多普勒频移导致无线链路极不稳定,严重影响基站解调性能,引起传输性能指标恶化。多普勒频移对无线通信系统的影响主要在以下两个方面:

(1) 随机接入信道(Random Access Channel,简为RACH)的性能损失导致呼叫成功率降低;

(2) 专用业务信道(Dedicated Channel,简为DCH)的性能损失导致掉话率上升。

为了对抗列车高速运行情况下的多普勒效应,基站接收机必须采用自动频率纠正(Automatic Frequency Control,简为AFC),即自动频率控制进行频率纠偏。基站通过快速测算列车高速带来的频率偏移,补偿多普勒效应,改善无线链路的稳定性,从而提高解调性能。

图6对比了相干长度为2 560个符号,有无AFC时RACH的前导检测性能。由图6可知，未接入AFC功能时,与无频移时的性能相比,1 000 Hz频移的RACH前导检测性能损失为5 dB,1 500 Hz频移的性能损失达到14 dB;接入AFC功能时,与无频移时的性能相比,500 Hz频移的性能损失小于0.5 dB,1 000 Hz频移的性能损失小于1 dB,1 500 Hz频移的性能损失为1.2 dB。显而易见,在有频移情况下，接入AFC大大改善了RACH的前导检测性能。

图6 有无AFC时RACH的前导解调性能

图7对比了信道估计平滑长度为20个符号,有无AFC时RACH的消息解调性能。由图7可知，未接入AFC功能时,与无频移时的性能相比,600 Hz频移的RACH性能损失达到4 dB,700 Hz频移的性能损失达到10 dB,750 Hz频移的性能损失超过20 dB,更高的频移将导致接入消息无法正确解调;接入AFC功能时,与无频移时的性能相比,500 Hz频移的性能损失小于1 dB,1 000 Hz频移的性能损失小于1.5 dB,1 500 Hz频移的性能损失为2.5 dB,1 600 Hz频移的性能损失仅为4 dB。显而易见,在有频移情况下，接入AFC大大改善了RACH的消息解调性能。

图7 有无AFC时RACH的消息解调性能

图8对比了信道估计平滑长度为20个符号,有无AFC时专用信道的解调性能。由图8可知，无专用信道AFC时,与无频移时的性能相比,600 Hz频移的性能损失达到4 dB,700 Hz频移的性能损失达到10 dB,750 Hz频移的性能损失超过20 dB,更高的频移将导致接入消息无法正确解调;有专用信道AFC时,与无频移时的性能相比,1 000 Hz频移的性能损失小于0.2 dB,1 500 Hz频移的性能损失小于0.5 dB,1 600 Hz频移的性能损失为0.7 dB。可见,在有频移情况下，接入AFC大大改善了DCH的解调性能。

综上所述，通过AFC算法可纠正频偏带来的对基站解调性能的影响。在1.4 GHz载频、车速200 km/h情况下，频偏为259 Hz,采用AFC算法

图8 有无AFC时专用数据信道改善解调性能

后,RACH的性能损失小于1 dB,而DCH的性能损失小于0.2 dB,对城市轨道交通车地通信的性能几乎没有影响。

3 结语

通过郑州地铁1号线车地通信综合业务承载测试,验证了TD-LTE无线网络具有实时性好、可靠性高、稳定性强、丢包率低、越区切换业务无中断且成功率高、终端连接时间短且成功率高等优点,而冗余结构增加了系统可靠性和可用性。因此，TD-LTE无线专网在抗干扰性、高速移动状态下大带宽以及多业务QoS的保障上,均能满足城市轨道交通多业务综合承载需求。

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Analysis of Integrated Service Carrying Test for Train-Ground Communication Based on Metro TD-LTE Technology

GU Xiangfeng

TD-LTE network is adopted for the first time as the train-ground wireless system on Zhengzhou Metro Line 1.In order to verify the overall capacity, the performance of TD-LTE wireless transmission and integrated service capacity are tested through the special testing instrument and network testing system.The test contents and results are analyzed, which show that TD-LTE network features good real-time performance,high reliability,high-speed suitability and multi-service guarantee, and therefore could meet comprehensive requirements for large bandwidth with high-speed mobile and multi-service guarantee of urban rail transit.

urban raial transit; train-ground communication; TD-LTE; integrated service capacity

U 231.7; TN 929.5

10.16037/j.1007-869x.2016.07.030

2014-08-29)