LTE技术在车地无线通信系统中的应用测试*

中铁信（北京）网络技术研究院有限公司，北京 100038

城市轨道交通具有安全、舒适、快速、环保、运量大等特点，近年来我国大部分城市都在不断发展城市轨道交通，扩大路网规模。与此同时，为了保证轨道交通系统的正常运营，需要可靠的车地无线通信网络提供技术支持。LTE技术着眼于无线接入框架的重新构建，在稳定完成通信任务的同时具有低时延的优秀特性。将LTE技术应用于车地无线通信中，更加符合轨道交通高宽带、高可靠性的需求，在整个轨道交通运营中具有极其重要的实际意义。

1 LTE技术概述

LTE（Long Term Evolution）作为通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications Systems,UMTS）技术的长期演进项目，在技术特点上应用正交频分复用（OFDM）为核心，具有100Mbps以上的数据传载能力，在特性上已经基本达到了第四代（4G）通信技术的功能需求，被视作向4G通信进化的主流传输方案。这种被俗称为“3.9G”的技术现已被电信运营商广泛应用，具有十分可观的应用前景[1]。

LTE在发展的同时也经历了及其漫长的标准化进程。在项目研究阶段，相关研究单位明确了高宽带、高可靠性的方案需求，对物理层结构进行规划设计，推演信令流程，同时对宏分级和射频部分展开研究，并最终形成了3GPP LTE可行性报告。在工作项目阶段，LTE的基本技术模式被定义，并在几年时间内陆续生成了多个Release版本。最新版本优化了室外场景传输效率，并规范了小基站、小小区技术，自此LTE技术拥有更强的业务能力与更广泛的应用场景，使得在城轨车地无线通信中应用LTE技术也成为可能。

2 LTE技术的应用优势

（1）高抗干扰能力。相比于传统的Wi-Fi通信传输方案，LTE在抗干扰方面体现出了极强的优势。根据统计，北京、上海等城市在城轨运营期间均出现过乘客携带的便携式网络传输设备影响列车运行的案例。LTE使用均匀分配时频域方案，搭载OFDM直载波调度，能够在极短时间内感知干扰，并通过IRC、重传等编码机制，对信号资源进行智能动态调配，这些技术的应用使LTE具备了极强的抗干扰性能[2]。

（2）高可靠性。LTE应用完全扁平化的网络结构，其特点是网络节点分散，占地面积大，模式上可以实现多小区共享，并在传输中由多级QoS算法进行监督，主要包括限制P2P、ICMP优先级、ACK确认字符等设置，同时按业务模式对用户进行优先等级划分，智能分配传输对象，最大程度上解决了数据传输不稳定的问题，在高可靠性的基础上提高了社区服务质量，确保了网络整体的稳定性[3]。

（3）强接收性。在已有的研究中，曾对列车运行时Wi-Fi与LTE的接收性能进行过测试，研究结果表明若在一定的车速下设定相同的接收频率，LTE的接收性能高于Wi-Fi的接收性能[4]。当接收功率低于-90dBm时，Wi-Fi下的接收功能已失效，而在-130dBm时，LTE仍能进行数据的正常传输，并保持着较高的灵敏度。在城轨这种复杂的传输环境中，应用LTE技术可以更好地满足频繁的数据接收需求。

（4）结构部署简易。相比于传统的Wi-Fi设备部署方案，LTE需要在轨旁部署的设备更少，同时实施方案也更加简洁[5]。对于一条正常的运营线路，Wi-Fi系统需要的设备部署量是比较大的。然而对于LTE生态，轨旁RRU设备最大发射率可达到33dBm/MHz，折算轨旁设备部署间距最远可达1.2km左右，这样可以相对减少设备部署量，对于后期的设备维护工作也是极其有利的。

3 基于LTE技术的车地无线通信应用

3.1 LTE车地无线通信系统总体架构

在城轨的业务流程中，需主要传递CBTC、PIS、CCTV业务信息，架构包含中心核心网、轨旁无线接入网（BBU+RRU+无线覆盖）及车载无线终端。网络中LTE主要在1.8GHz附近的20MHz的波普频段内运行使用，在避免不同设备射频信号交互干涉的同时，可以达到下行100Mbps、上行50Mbps的信号传输率和峰值信号率。

在控制中心机房中，主要部署各类中心级设备及核心网络，该层级网络通信依赖轨道交通内部的专用传输网络，以实现业务数据的上载。无线基站BBU设备被部署在车站及车辆段中，并在轨旁和车站机房内部署无线射频单元RRU设备及漏缆，RRU与BBU采用短程光缆连接，车载无线终端设备被部署在车辆顶端，进行车辆状态及车内信息的采集与传输。

3.2 LTE车地无线传输功能测试

进行无线传输功能测试时，测试在完全真实的电磁环境下进行，以验证不同车速下LTE系统空中接口所产生的延时。测试链路中，BBU到RRU的连接为短程光缆连接，系统连接至LTE传输系统交换机上配置IP地址，并对BBU和TAU进行PING测试，同时对车载TAU至RRU的空口延时进行测试以验证LTE传输性能。测试系统环境简化示意图见图1。

图1 测试系统环境简化示意图

测试中，对LTE传输下的空口延时进行测算，主要参数包括平均延时和最大延时，并对丢包状况进行监测：

式中：Lc为TAU端至RRU端的LTE空口延时；Lb为RRU端至BBU端的光缆传输延时；La为TAU端至BBU端的传输延时。

另外，测试外部环境均在气温10℃的情况下进行。测试中每8s采集1次设备PING值，共进行3次测试，统计全部测试结果，见表1。

表1 测试结果统计 单位：ms

测试结果表明，测试环境下LTE无线传输性能稳定，部分延时峰值达到26.742ms，但整体传输延时平均值稳定在17.478ms，测试过程中未出现丢包现象，同时测试时车辆运行速度对空口传输延时并没有显著影响。结合空口测试数据可知，基于LTE的车地无线通信能够满足城轨日常的业务需求，具备稳定的业务承载能力。

4 结束语

LTE技术凭借高可靠性、高抗干扰能力以及强劲的传输性能，能够为城轨业务提供更优质高效的车地数据传输服务。与此同时，其简易的部署结构也减少了投资成本，降低了整体运维费用。因此，针对该技术的研究对整个城轨事业的发展具有重要意义，LTE技术在城轨车地通信中的应用将是城轨建设与发展的必然趋势。未来，LTE技术在城轨中的应用将会更加广泛。