基于LTE技术的车地通信系统综合业务承载能力测试研究

李 杰，霍晓峰

（青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266520）

1 引言

目前，城市轨道交通车地之间的无线传输主要采用基于无线局域网（WLAN）方式，但WLAN技术存在安全性低、不易覆盖、切换频繁等缺陷。而且由于WLAN频段无需无线电委员会的准许，很多民用设备也可工作在这一开放频段，这些设备有可能对车地无线通信造成干扰。

长期演进（LTE）技术采用正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）等关键技术，极大地提高了系统带宽、用户传输数据速率和系统容量，同时降低了时延，还可实现移动高清电视业务。LTE能够错开WLAN频段，很大程度上降低了干扰风险。

基于LTE技术的通信系统分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）2种方式，本系统采用TD-LTE方式，该方式专为移动高宽带应用设计无线通信标准。有学者将LTE与其他无线通信技术进行对比分析，认为LTE技术具有可靠性高和抗干扰能力强等特点，能够实现LTE技术在城市轨道交通的应用。虽已有研究分析了LTE技术的优势，但缺乏实地测试数据。本文提出了通过测试20 MHz带宽下吞吐量情况来分配各业务，并通过测试验证业务分配设计的可行性。

2 车地无线通信业务

目前，城市轨道交通车地通信主要承载基于通信的列车运行控制（CBTC）、列车状态监控、紧急文本、 乘客信息系统（PIS）、闭路电视系统（CCTV）和集群调度等业务。

2.1 CBTC业务

CBTC是一种通过车地之间传递列车速度、位置和移动授权等信息来实现对列车运行控制的技术。该系统主要功能是通过交换轨旁设备和车载设备之间的数据，监督列车的速度和制动方式等状态，控制列车安全行驶。

2.2 PIS 业务

PIS系统是依托多媒体技术向乘客提供信息服务的系统，用于播放由控制中心下发的节目，比如乘客须知、换乘信息、列车时刻表、新闻、广告等信息，经过无线传输到车载设备，在液晶显示屏（LCD）显示终端进行播放，乘客可根据收听到的引导信息便捷乘坐地铁。

2.3 CCTV 业务

CCTV系统是综合承载网带宽需求最大的上行业务，用于将列车驾驶室、客室车厢内的摄像头视频信息上传，使控制中心人员能够任意选择各车厢监控画面，便于进行管理、指挥调度。

2.4 紧急文本

紧急文本信息是控制中心PIS服务器传送给车载PIS终端的紧急文本信息。如发生紧急事件，控制中心人员可向列车发送紧急文本信息，在车载显示屏上播出。

2.5 其他业务

在城市轨道交通业务中，还包括列车状态监测、集群终端组呼和单呼。状态监控主要是为了实时传送列车关键设备运行参数到地面检测中心；集群调度业务是指线路运营、应急和维护等需要的各种音、视频呼叫通信业务。

3 系统方案设计

青岛地铁2号线车地无线通信系统采用单线双网覆盖，即A+B组网方式。A网和B网的工作频段完全独立，两者互不影响。方案将系统设置为20 MHz带宽：A网单独用于CBTC业务的承载，其带宽为5 MHz；B网使用15 MHz带宽，用于CBTC、PIS、CCTV、紧急文本和其他业务的承载。由于CBTC系统苛刻的安全性要求，因此必须为 CBTC 业务部署冗余网络，而对于其他业务只需配置单一网络。

系统组网方案如图1所示，A、B网核心网设备设置在控制中心机房内，基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）设备设置在车站机房。BBU通过交换机直接与LTE 核心网设备连接，与RRU之间采用光纤直连方式。RRU通过多系统接入平台（POI）接入漏缆，漏缆槽孔对外辐射电磁波，实现隧道区间内的无线信号覆盖。每张网中的每1个BBU连接若干个RRU。

图1 LTE车地无线通信系统组网方案

列车的车头和车尾安装列车接入单元（TAU）终端设备，车顶安装天线，分别连接A网和B网。系统中各种业务的上下行数据信息通过TAU实现在控制中心与列车之间的双向传输。

4 系统性能测试方案

为验证方案的可行性及20 MHz带宽下的综合业务承载能力，在青岛地铁2号线选择上行线路的某3站2区间进行实地测试。

系统将每路CBTC传输速率设置为120 kbps，紧急本文信息每路为10 kbps，列车状态监测每路为80 kbps。要求所有业务单向传输时延不大于150 ms，丢包率不超过0.5%。

PIS和CCTV业务均按 H.264 编码方式、720 P分辨率设置。PIS带宽需求为下行2～6 Mbps，采用组播方式进行数据传输，CCTV每路带宽需求为2 Mbps。测试过程中，要求播放流畅、画面不卡顿且无马赛克现象。

另外，集群终端进行音、视频呼叫时，要求音质清晰、视频流畅，呼叫不发生掉线。

综上所述，城市轨道交通车地通信不同业务需求如表1所示。

本次LTE系统现场实地测试主要包括以下内容：①信号场强覆盖能力；②车地通信传输性能；③系统稳定性测试。

表1 城市轨道交通车地通信不同业务需求 kbps

5 测试结果及分析

5.1 LTE 网络信号场强测试

为保证信号的无缝漫游切换，必须要确保有效的端到端信号强度，有必要对场强覆盖情况进行测试。A网和B网的参考信号接收功率（RSRP）测试结果如图2、图3所示，从图中变化特点可以看出：列车在当前区间布点位置时，与该区间的RRU距离最短，此时的RSRP信号强度最强；随着列车行驶远离当前布点位置，场强覆盖能力逐渐减弱，直至信号强度持续下降到两小区信号强度大体相同的状态时，会出现一定次数的乒乓切换；随着列车继续行驶，当前小区信号衰弱，下一小区信号强度变大，车载终端经过切换，与下一区间RRU建立关联；之后列车离下一区间RRU距离越近则信号强度越强，在离RRU最近时达到峰值，后面信号的变化情况以此类推。信号变化呈倒刺状，过程中出现抖动，原因是受到了传输信号的多径反射与阴影衰落等因素的影响。A网和B网的RSRP变化范围分别为-90～-53 dBm、-93～-61 dBm，双网最小为-93 dBm，均满足不低于-95 dBm的规范要求，说明无线覆盖的设计较为合理。

图2 A网5 MHz下RSRP覆盖情况

图3 B网15 MHz下RSRP覆盖情况

5.2 LTE 传输性能测试

传输性能测试包括吞吐量、传输时延和丢包率测试3部分。

5.2.1 区间吞吐量测试

区间吞吐量测试之前将Ixchariot软件测试脚本选择为吞吐量测试，按照基本配置完成系统配置后，分别在A网5 MHz和B网15 MHz带宽下进行测试。测试结果如表2所示，A网和B网上/下行最小吞吐量分别为2.72 Mbps和9.01 Mbps。

表2 区间吞吐量测试结果统计 Mbps

5.2.2 传输时延测试

根据CBTC信号厂家综合考虑地下线路和高架线路2种场景，计算区间段容量，每1个区间段不高于6辆车，则6路CBTC传输速率共720 kbps，根据表2中5 MHz区间吞吐量测试结果，上下行最小吞吐量为2.72 Mbps，在满足6路CBTC承载情况下，还有足够的带宽冗余，故在A网5 MHz带宽下进行6路CBTC传输时延测试时，同时外加一定量的饱和数据流。测试结果表明：6路CBTC最大时延为62.5 ms，其中1 路CBTC业务测试分析结果如图4、图5所示。结果表明，大部分的传输时延集中在16 ms附近，由累积分布图发现，最小时延为13 ms左右，在10～20 ms区间呈近直线上升，20 ms以后增加速度变缓，到30 ms时的时延累积程度接近100%，远小于系统需求规范规定的150 ms。

图4 CBTC业务传输时延的概率分布

图5 CBTC业务传输时延的累积分布

5.2.3 丢包率测试

进行丢包率测试时，Ixchariot软件的配置与吞吐量、时延测试基本相同，仅改变测试脚本为丢包测试。6路CBTC业务上下行丢包率测试结果均为0，未超过0.5%的要求。

5.3 LTE 稳定性测试

由15 MHz区间吞吐量测试结果，得出上下行最小吞吐量为9.01 Mbps，在B网15 MHz带宽下，承载6辆车的CBTC、列车状态监测和紧急文本业务后（6×210 kbps =1 260 kbps，取1.3 Mbps），下行边缘区还有不低于7.7 Mbps的流量富裕。理论上，下行还能增加1路6 Mbps的PIS，上行还能增加3×2 Mbps的CCTV和7路以上的视频组呼（7×64 kbps =448 kbps，取500 kbps）等业务。因此在B网进行车地通信综合承载模拟测试：同时加载6路CBTC、紧急文本、列车状态监测、1路PIS、3路CCTV、7路集群音/视频呼叫业务。稳定性测试结果如表3所示，全程高优先级的多路CBTC业务时延和丢包率得到很好的保证，仅PIS业务有少量丢包现象，集群呼叫视频清晰无掉字，各项业务测试结果均完全满足系统要求。表明B网可满足6路CBTC、6路状态监测和6路紧急文本的承载能力，同时可额外提供6 Mbps下行的PIS、3路共6 Mbps高清CCTV业务和7路以上集群音视频调度业务能力。如果需要提升集群的视频质量，可以适当降低PIS和CCTV的承载。

表3 LTE系统稳定性测试结果

6 结论

本文从承载技术角度出发，研究基于LTE技术的车地无线通信承载系统在20 MHz带宽下的业务承载能力。通过在青岛地铁2号线网络环境多次实地测试，结果表明：在满足场强覆盖要求的前提下，A网5 MHz可同时承载6路CBTC业务；B网15 MHz可同时承载6 路 CBTC、状态监测、紧急文本、1路PIS、3路CCTV业务，外加7路集群调度业务。所有的测试结果充分体现出了LTE网络的低时延、低丢包、高吞吐量和稳定性强等优点，能够满足城市轨道交通多业务综合承载需求。本研究对LTE技术在城市轨道交通无线通信系统中的应用提供一定的参考价值。