基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信系統(tǒng)集成測試

盧 鑫 華 堯（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073)

在信息大爆炸的今天，人們無時不刻接收海量的信息，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展和各種電子設(shè)備的普及，越來越多的旅客隨身攜帶筆記本電腦，智能手機(jī)，智能平板電腦等移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，有在列車上即時通信和高速上網(wǎng)的需求。特別是近年來開通的高速鐵路各條干線給車地通信帶來多普勒頻偏大，列車車體損耗大等切換頻繁等問題，導(dǎo)致語音通信的質(zhì)量下降和數(shù)據(jù)傳輸速率降低。如何為速度超過300 km/h的高速列車提供順暢的無線通信，滿足旅客通信需求是亟待解決的問題。

目前在國內(nèi)高速鐵路上應(yīng)用的無線通信系統(tǒng)為GSM-R系統(tǒng)，GSM-R系統(tǒng)是在GSM基礎(chǔ)上專門為鐵路所設(shè)計的，GSM-R網(wǎng)絡(luò)在GSM蜂窩系統(tǒng)平臺上增加了多種鐵路業(yè)務(wù)和適合高速環(huán)境下使用的條件，目前能滿足鐵路上對無線通信的需求。但是GSM-R系統(tǒng)是窄帶通信系統(tǒng)，每個連接只占用200 k H z頻率上的1/8時隙，在高速移動環(huán)境下的通信性能和頻譜利用率都比較低，頻繁的切換也會導(dǎo)致通信中斷。最重要是后續(xù)旅客的無線通信需求主要集中在寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而GSM-R系統(tǒng)分配給鐵路專網(wǎng)的頻率帶寬有限，很難滿足寬帶業(yè)務(wù)的要求。以我國GSM-R系統(tǒng)為例，分配的頻率帶寬僅有4 M H z，頻率資源不足的問題也就成為制約GSM-R提供寬帶業(yè)務(wù)的主要因素。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速發(fā)展并逐步取代語音業(yè)務(wù)，單純的電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)不能滿足豐富數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，在GSM-R基礎(chǔ)上的GPRS技術(shù)在鐵路上也得到廣泛的應(yīng)用。但是其本身仍然存在一些缺點(diǎn)，丟包與傳輸速率低，抗干擾能力差，存在轉(zhuǎn)接延時，其本身仍難滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長的需求。

從目前已存在的國際和國內(nèi)列車無線通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，目前應(yīng)用的系統(tǒng)還不能充分滿足高速鐵路對寬帶無線通信在移動速度、可利用帶寬、系統(tǒng)兼容性和穩(wěn)定性等方面的要求。隨著4G技術(shù)發(fā)展和LTE商用網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，LTE系統(tǒng)在鐵路上部署也變成了大勢所趨。因此，高速鐵路上的TD-LTE寬帶通信系統(tǒng)與目前已有的高速鐵路通信系統(tǒng)相比具有支持更高移動速度、更高數(shù)據(jù)傳輸速率、接入與傳輸延時低、更高的系統(tǒng)兼容性的先進(jìn)性特征，是無線通信系統(tǒng)未來建設(shè)的方向。

盧鑫，男，碩士畢業(yè)于清華大學(xué)。助理工程師，項(xiàng)目工程師。主要研究方向包括：高速鐵路列車控制系統(tǒng)安全平臺的研發(fā)，適用于軌道交通寬帶無線通信系統(tǒng)研發(fā)和測試等方面，曾參與過“863”，國家科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目，發(fā)表EI檢索的論文一篇，發(fā)明專利兩項(xiàng)。

本文以TD-LTE系統(tǒng)在高速鐵路環(huán)境上的實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證為背景，在完成TD-LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討搭建系統(tǒng)集成測試實(shí)驗(yàn)室，完成系統(tǒng)集成測試的相關(guān)內(nèi)容。

1 系統(tǒng)集成測試

為了對TD-LTE關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)和系統(tǒng)集成提供測試和驗(yàn)證的支持，需要在TD-LTE各自子系統(tǒng)的設(shè)備完成子系統(tǒng)功能和性能測試的基礎(chǔ)上，集成各個子系統(tǒng)構(gòu)成TD-LTE整體的樣機(jī)系統(tǒng)。同時搭建集成測試平臺，對樣機(jī)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸性能進(jìn)行測試和驗(yàn)證，在覆蓋所有應(yīng)用場景下，對語音、視頻、數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)的傳輸性能進(jìn)行測試，驗(yàn)證TD-LTE樣機(jī)系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的能力。樣機(jī)系統(tǒng)除了提供TD-LTE系統(tǒng)內(nèi)部用戶之間的無線通信外，還需要滿足TD-LTE用戶與2G/3G/In ternet網(wǎng)絡(luò)用戶的互通測試。通過測試TD-LTE系統(tǒng)與其他網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)呼叫的能力，驗(yàn)證TD-LTE系統(tǒng)的互通性能。

系統(tǒng)集成測試研究從以下3方面展開，測試方法的研究，集成測試環(huán)境設(shè)計和測試內(nèi)容和測試關(guān)鍵指標(biāo)的記錄和分析。

1.1 測試對象和方法

TD-LTE樣機(jī)系統(tǒng)主要包含地面網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)、地面接入子系統(tǒng)、網(wǎng)管與運(yùn)營維護(hù)子系統(tǒng)。

樣機(jī)系統(tǒng)實(shí)物互聯(lián)如圖1所示，主要包括設(shè)備有：核心網(wǎng)設(shè)備MM E、S-GW/P-GW、HSS設(shè)備各1臺，接入網(wǎng)設(shè)備eN od eB基站2臺（每臺包括1臺BBU，2個RRU），車載電臺1套，傳輸設(shè)備、電源設(shè)備、網(wǎng)管系統(tǒng)各一套。車內(nèi)分布式覆蓋系統(tǒng)，包括車載路由器1臺、車載網(wǎng)關(guān)1臺，車內(nèi)2G微型基站1臺、車內(nèi)3G微型基站1至3臺（包含3種標(biāo)準(zhǔn)制式）、W IF I接入點(diǎn)1臺，標(biāo)準(zhǔn)路由器2臺、視頻監(jiān)控設(shè)備1套、2G、W IF I終端各一臺，3G終端1至3臺，2G、3G終端模型各一套。

完成子系統(tǒng)專項(xiàng)測試后，在確保子系統(tǒng)能達(dá)到互聯(lián)互通的前提下進(jìn)行系統(tǒng)的集成測試，集成測試根據(jù)樣機(jī)系統(tǒng)的總體方案的需求，制定TD-LTE測試需求規(guī)范，進(jìn)一步制定TD-LTE測試規(guī)范，測試規(guī)范覆蓋了系統(tǒng)測試需求規(guī)范中所有可測的測試需求，通過系統(tǒng)測試，所有可測的系統(tǒng)需求都能證明被測試案例所實(shí)現(xiàn)。

集成測試流程主要包括：測試計劃，測試設(shè)計，測試執(zhí)行，測試記錄與缺陷的跟蹤，回歸測試，測試報告，測試過程中需求變更。

1.2 測試環(huán)境設(shè)計

測試環(huán)境基于TD-LTE實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，包含上述的設(shè)備以及各種儀器儀表，測試環(huán)境需要建立測試案例管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于Doo rs、Ch an ge的TD-LTE測試案例管理，開發(fā)系統(tǒng)性能測試軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的部分自動配置與測試，實(shí)現(xiàn)各個測試子系統(tǒng)間的同步，記錄運(yùn)行監(jiān)測子系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)與測試結(jié)果。

測試環(huán)境如圖2所示，分為系統(tǒng)性能測試主引擎、系統(tǒng)性能測試分引擎、業(yè)務(wù)模擬子系統(tǒng)、無線電磁環(huán)境模擬子系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)測子系統(tǒng)5部分。

1）系統(tǒng)性能測試主引擎對整個測試的需求、案例、過程、結(jié)果進(jìn)行管理，完成測試案例與測試指令的轉(zhuǎn)換，并控制測試環(huán)境的運(yùn)行、停止、同步等功能。

2）系統(tǒng)性能測試分引擎負(fù)責(zé)解析測試指令，并生成配置數(shù)據(jù)，分發(fā)給對應(yīng)的執(zhí)行層模塊。同時收集測試產(chǎn)生的中間與最終結(jié)果并分析測試結(jié)果，在界面上顯示測試結(jié)果，并能夠生成最終的測試報告。

3）業(yè)務(wù)模擬子系統(tǒng)根據(jù)分引擎的配置數(shù)據(jù)，對TD-LTE系統(tǒng)的加載業(yè)務(wù)進(jìn)行配置，確保測試環(huán)境滿足配置要求，并實(shí)現(xiàn)加載業(yè)務(wù)與業(yè)務(wù)性能統(tǒng)計。

4）無線電磁環(huán)境模擬子系統(tǒng)根據(jù)分引擎的配置數(shù)據(jù)，對TD-LTE系統(tǒng)的無線環(huán)境進(jìn)行配置，確保測試環(huán)境滿足配置要求。

5）運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)收集在測試過程中產(chǎn)生的射頻信號、協(xié)議信令數(shù)據(jù)，記錄下來并發(fā)給分引擎，并完成監(jiān)控結(jié)果的統(tǒng)計，以及監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障的原因初步分析。

測試環(huán)境所包含的硬件設(shè)備和環(huán)境如下。

1）程序服務(wù)器1臺，帶兩塊千兆網(wǎng)卡，支持W indow s xp操作系統(tǒng)，安裝SQL Server2008數(shù)據(jù)庫。

2）無線電磁環(huán)境模擬儀及其上位機(jī)，無線電磁環(huán)境模擬儀上位機(jī)安裝W indow s XP操作系統(tǒng)，具有以太網(wǎng)連接。

3）具有TD-LTE系統(tǒng)射頻、協(xié)議、性能解析功能的矢量信號源、頻譜分析儀與信令分析儀，能夠使用遠(yuǎn)程控制接口完成設(shè)備遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控與結(jié)果收集。

測試環(huán)境運(yùn)行總體流程如下。

1）系統(tǒng)性能測試主引擎錄入測試，完成測試案例與測試指令的轉(zhuǎn)換，發(fā)起測試。

2）系統(tǒng)性能測試分引擎讀取測試指令，并根據(jù)測試指令類型，分發(fā)給業(yè)務(wù)模擬子系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)與無線電磁環(huán)境模擬子系統(tǒng)。

3）業(yè)務(wù)模擬子系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)與無線電磁環(huán)境模擬子系統(tǒng)根據(jù)測試指令完成業(yè)務(wù)模擬、無線環(huán)境模擬的配置。人工完成被測TD-LTE設(shè)備的配置。

4）啟動測試，由業(yè)務(wù)模擬子系統(tǒng)收集業(yè)務(wù)統(tǒng)計結(jié)果，運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)時觀測射頻、協(xié)議層的故障，并返回給系統(tǒng)性能測試分引擎。

5）系統(tǒng)性能測試分引擎完成測試結(jié)果的收集與存儲。

6）離線狀態(tài)，可以對測試結(jié)果進(jìn)行查詢和展示，并根據(jù)要求生成測試報告。

1.3 測試內(nèi)容與分析

完成了測試方法的研究和測試環(huán)境的搭建，樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行主要的測試內(nèi)容如下。

首先進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)基本性能測試，測試在不包含車載子系統(tǒng)情況下，傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并測試其傳輸性能，主要目的是驗(yàn)證TD-LTE網(wǎng)絡(luò)本身能否滿足基本的功能要求。

接著加入車載子系統(tǒng)，進(jìn)行樣機(jī)系統(tǒng)端對端業(yè)務(wù)承載能力的測試。完成承載2G/3G/Internet/視頻監(jiān)控系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)的基本業(yè)務(wù)指標(biāo)測試，驗(yàn)證樣機(jī)系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種業(yè)務(wù)的端到端傳輸。

進(jìn)行單用戶測試，即在一個車載電臺承載下，多個2G/3G/In ternet用戶接入網(wǎng)絡(luò)、驗(yàn)證傳輸?shù)男阅埽?/p>

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匯聚與差分處理能力測試，在單用戶條件下，驗(yàn)證不同業(yè)務(wù)類型/網(wǎng)絡(luò)終端共享傳輸信道時， TD-LTE網(wǎng)絡(luò)是否能夠區(qū)分業(yè)務(wù)類型，并進(jìn)行相應(yīng)的QoS差分處理，滿足所有接入業(yè)務(wù)的QoS需求；

進(jìn)行多用戶測試，使用兩個車載電臺承載業(yè)務(wù)，驗(yàn)證在不同列車之間共享無線信道時，系統(tǒng)的QoS保證、切換以及接納控制能力。

進(jìn)行車廂內(nèi)外的網(wǎng)絡(luò)切換和與2G系統(tǒng)的互通測試，驗(yàn)證TD-LTE系統(tǒng)與2G系統(tǒng)的互操作能力。

測試需要遍歷在不同信道條件下，不同的加載和加干擾情況下系統(tǒng)的性能。記錄上下行峰值速率，控制面時延，用戶面時延，不同M IM O配置下吞吐量，切換時延，LTE網(wǎng)絡(luò)承載各種業(yè)務(wù)的性能測試，單車載電臺下網(wǎng)絡(luò)性能，多車載電臺下網(wǎng)絡(luò)的性能，多用戶切入和切出場景下切換成功率和切換時延，網(wǎng)絡(luò)承載的用戶數(shù)，車廂覆蓋微基站與公網(wǎng)宏基站切換性能，與GSM-R系統(tǒng)的互聯(lián)互通性能。

2 測試后處理工作

在以上工作完成基礎(chǔ)上，需要制定測試方案，細(xì)化測試過程，科學(xué)制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而完成樣機(jī)系統(tǒng)集成測試。通過樣機(jī)系統(tǒng)集成測試的結(jié)果。將測試結(jié)果進(jìn)行分析，提出在系統(tǒng)設(shè)計中存在的尚未針對高速鐵路環(huán)境適配的技術(shù)問題，反饋給設(shè)備研發(fā)單位，推進(jìn)設(shè)備研發(fā)的改進(jìn)。在改進(jìn)的設(shè)備版本集中采用回歸測試的方法進(jìn)行設(shè)備驗(yàn)證，減少未受到研發(fā)改進(jìn)影響的測試項(xiàng)的重復(fù)測試。

同時，結(jié)合高鐵建設(shè)、設(shè)計、規(guī)劃等開展應(yīng)用示范?？梢葬槍δ硹l高速鐵路的TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)設(shè)計、集成方案在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行仿真驗(yàn)證，部署與設(shè)計方案數(shù)量一致的基站和基站模型，并加載與現(xiàn)場環(huán)境一致的業(yè)務(wù)、無線環(huán)境模型，從系統(tǒng)級角度驗(yàn)證試驗(yàn)網(wǎng)的設(shè)計、集成方案的有效性，為下一代寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)在高速鐵路上的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文主要研究了基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信樣機(jī)系統(tǒng)集成測試，從總體方案的需求出發(fā)，在子系統(tǒng)完成專項(xiàng)測試的基礎(chǔ)上，制定集成測試規(guī)范和相關(guān)測試流程，接著研究了集成測試環(huán)境組織結(jié)構(gòu)、硬件配置、軟件模塊和運(yùn)行機(jī)制。最后闡述了系統(tǒng)的測試內(nèi)容和集成測試關(guān)注和記錄的相關(guān)指標(biāo)。

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