LTE-M车地无线EHM系统应用研究

赵 杰

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

LTE-M系统为电客车提供了PIS直播、CCTV监控视频实时查看、应急消息下发、设备运行参数上传等重要功能，是地铁车地无线系统的重要传输通道。随着郑州地铁线网建设快速发展，5号线及后续线路已经将LTE技术引入信号CBTC(基于通信的列车自动控制)系统中用于传输行车相关信号内容，以确保在电客车运行时稳定传输数据。同时，由于新入职维保人员对设备运行状况了解不深入，故将健康管理概念与技术应用于LTE系统的维护支持中，建立以综合维护管理为目标的LTE健康维护体系具有重要意义。本研究分析LTE系统EHM 模型及建立工作，通过实际测试证明LTE-M车地无线系统具备预防性维修及快速诊断的功能，有效降低了郑州地铁LTE-M系统故障发生概率。

1 LTE-M系统

通信LTE-M系统采用了正交频分复用、多输入多输出、自适应调制编码等技术，在最高20 MHz带宽下提供下行150 Mbp/s与上行75 Mbp/s的峰值传输速率，同时显著改善小区边缘用户传输体验、提高小区业务承载量和降低传输时延[1]。

郑州地铁1号线LTE-M系统使用专用频率(1 795 M～1 805 MHz)，共10 M带宽，为电客车与地面之间控制数据、视频等多种业务提供双向、不间断、高质量的无线业务传输通道。在每个车站隧道内布置RRU设备，通过专用漏缆将无线信号辐射至隧道空间，实现地面设备与车载无线设备之间的无线数据通信。每列电客车的头、尾各安装1套车载TAU设备，通过数据交换机与相关车载控制设备相连实现双向车地无线通信。

2 EHM模型构建

EHM是指从技术层面分解设施设备的基本构件至不可分割单元，通过各构件之间的逻辑关系确定单个元器件对设施设备正常运行的影响程度及其维修周期、维修方式，从而实现设施设备的状态修、智能修[2]。设备健康管理把设备运行情况分为健康状态、亚健康状态和故障状态，设备使用是设备形态和性能由量变到质变的过程。当前，主流的设备维修和管理是一种被动式滞后性管理，以设备故障及维修为核心，主要关注运行设备的故障管理，缺乏对设备在亚健康状态的动态化管理及系统不平衡后的应对措施。EHM解决方案一般包含功能需求收集、数据分析、软件设计、投入生产计4个步骤[3]。

2.1 功能需求收集

2.1.1 确定检测参数

通过分析郑州地铁1号线LTE-M系统原理及重要KPI统计，确定参考信号接收功率(RSRP)、接收信号强度指示(RSSI)、RSRP与RSSI的比值(RSRQ)、信号与干扰加噪声比(SINR)等几个重要参数。RSRP为在测量频带上承载小区专属参考信号每RE能量的线性平均值；RSSI为接收带宽内的总功率，包含有用信号、干扰和底噪；因为RSRP和RSSI测量所基于的带宽可能不同，因此会引入调整系数，RSRQ = N×RSRP/RSSI，其中N表示 RSSI 测量带宽中RB数量、SINR是指接收到的有用信号强度与干扰信号(噪声和干扰)强度的比值。另外，将设备年限因素引入计算中[1]。

2.1.2 EHM模型原理

结合LTE-M在线TAU日志监测系统，同时以Hi Studio软件为辅助工具确定LTE-M系统主要参数指标的监测。通信LTE-M系统EHM模型原理如图1所示。

图1 通信LTE-M系统EHM模型原理图

2.2 数据分析

2.2.1 提取测试数据方法

通过LTE-M设备状态评价可以重点关注LTE-M中关键参数和设备年限等数据，设备的状态量以查阅资料、试验、检测等多种方式得到，同时结合各参数设备权重进行综合评价，若得分低于60分则需启动故障处理程序。

设备状态以评分方式开展，各设备初始分值为100分[1]，某一设备得分

式中，Pi为单一参数基础得分，m为单一设备中关键参数总数，Pj为单一参数中各关键参数初始得分，Qj为单一参数中各关键参数的权重。

测试设备信号强度和信噪比参考民用通信行业质量评价区间阀值，按照区间进行打分，具体为：

信号强度>-85 dBm，得分95分；

-95 dBm <信号强度≤-85 dBm，得分80分；

-105 dBm≤信号强度≤-95 dBm，得分60分；

信号强度<-105 dBm，得分10分；

信噪比>25，得分95分；

16<信噪比≤25，得分85分；

11<信噪比≤16，得分50分；

3≤信噪比≤11，得分40；

信噪比<3，得分10。

2.2.2 录制LOG文件

利用LTE-M系统Hi Studio工具，分析需要提取的参数指标并开始录制LOG文件。

2.3 软件设计

通过分析设计原理图，以及参数打分的具体区间和计算方式，结合用户需求和软件导出数据的形式，具体采用Excel内嵌的VBA的方式进行处理，软件主要分为数据导入模块、自动计算分析模块、数据输出模块。

数据导入模块：由于测试数据LOG为CSV格式文件，通过编写程序实现自主选择导入文件，无须固定目录或文件名，方便使用。

自动计算分析模块：根据原理图和参数设计流程，结合测试数据文件结构进行数据分析、自动计算分析等研究，核算每个设备多个采样数据点的平均值、统计每个关键参数的权重等，根据相关规则进行自动计算。

数据输出模块：将数据按照要求进行输出反馈，分析出问题小区并生成测试曲线图,通过测试和不断分析改进，优化软件的易用性、分析准确性和输出界面。

结合设备健康度，进行具体的数据分析。

3 开发成果

3.1 软件基本介绍

LTE-M测试分析软件是采用VBA计算机编程语言在Excel平台上开展的编程方法。通过对影响LTE-M系统健康值的5个重要参数进行周期性采集得到的数据，结合设备年限因素，运用LTE-M健康管理软件对现场测试数据进行量化，输出健康度得分情况及不达标的小区。本次测试的健康度曲线为维护、维修提供理论依据，最终实现专用LTE-M系统预防性维修目的。

3.2 项目创新成果

本项目通过采集影响LTE-M系统健康值的5个重要参数并结合设备年限因素，建立专用LTE-M系统EHM分析模型。利用EHM模型原理图设计LTE-M健康管理软件，输出LTE-M系统健康曲线图，结合现场测试跟车结果，针对筛选出的问题小区进行预防性维修处理。LTE-M测试分析软件操作界面易于掌握、分析处理数据效率较高，能够自动筛选出问题小区并给出建议，可直接指导生产。

3.3 投入生产验证

通过现场跟车记录车载PIS系统直播情况、问题区间，收集EHM测试数据LOG，与利用LTE-M系统健康管理软件所筛选出的问题小区进行比对，结果保持一致，证明LTE-M健康管理软件切实可行。

4 结语

通过建立通信LTE-M系统EHM模型，实现了LTE-M设备关键参数指标的状态评估、故障诊断及预测、维修分析决策等功能，促使LTE-M设备状态维修的实现。EHM模型可降低设备维护成本，提高地铁运营效率。