城市軌道交通車地通信TD-LTE綜合業(yè)務(wù)承載測試分析

顧向鋒

(中國通信建設(shè)集團設(shè)計院有限公司第四分公司,450052,鄭州//工程師)

城市軌道交通車地通信TD-LTE綜合業(yè)務(wù)承載測試分析

顧向鋒

(中國通信建設(shè)集團設(shè)計院有限公司第四分公司,450052,鄭州//工程師)

鄭州地鐵1號線車地無線系統(tǒng)首次采用TD-LTE(分時—長期演進)專網(wǎng)。通過專用測試儀器和網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng),對TD-LTE車地無線傳輸性能和綜合業(yè)務(wù)承載能力進行測試。分析了測試內(nèi)容和測試結(jié)果,指出TD-LTE專網(wǎng)具有實時性好、可靠性高、穩(wěn)定性強、丟包率低、越區(qū)切換業(yè)務(wù)無中斷且成功率高、終端連接時間短且成功率高等優(yōu)點,適合高速移動下大帶寬以及多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障的軌道交通綜合承載要求。

城市軌道交通; 車地通信; TD-LTE; 綜合承載

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

將TD-LTE(時分雙工—長期演進)移動通信技術(shù)用于承載城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)、PIS(乘客信息系統(tǒng))、CCTV(閉路電視)等生產(chǎn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)信息,高效運用現(xiàn)有城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施,提高運營效率,已成為城市軌道交通運輸領(lǐng)域最新關(guān)注的焦點。

目前鄭州地鐵1號線已建成TD-LTE車地無線通信系統(tǒng),為驗證TD-LTE系統(tǒng)在城市軌道交通車地無線通信多業(yè)務(wù)綜合承載的可用性,需進行TD-LTE設(shè)備的通信性能測試。

1 測試內(nèi)容和方法

基于TD-LTE技術(shù)的城市軌道交通車地無線通信綜合承載平臺需在列車運行狀態(tài)下,滿足實時、寬帶、穩(wěn)定、具有服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障的生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求。生產(chǎn)業(yè)務(wù)的帶寬需求如表1所示。

表1 生產(chǎn)業(yè)務(wù)帶寬需求

測試主要包括以下四部分內(nèi)容:

(1) TD-LTE系統(tǒng)的傳輸時延、丟包率,以及傳輸帶寬、切換時延性能;

(2) TD-LTE系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)信息、列車實時狀態(tài)信息、車載CCTV監(jiān)控圖像信息、PIS圖像信息的綜合業(yè)務(wù)傳輸性能;

(3) TD-LTE系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

(4) TD-LTE系統(tǒng)的抗干擾性能。

1.1 測試方案

利用現(xiàn)有的鄭州地鐵1號線TD-LTE系統(tǒng)測試相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。其中,CBTC業(yè)務(wù)信息、列車實時狀態(tài)信息采用模擬方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,車載CCTV監(jiān)控圖像信息和PIS圖像信息采用真實設(shè)備進行發(fā)送和接收。如圖1所示。

(1) CBTC業(yè)務(wù)信息:采用模擬CBTC系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。模擬CBTC系統(tǒng)由模擬CBTC地面服務(wù)器和模擬CBTC車載測試設(shè)備組成。

圖1 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)綜合業(yè)務(wù)測試方案

(2) 列車實時狀態(tài)信息:采用模擬列車實時狀態(tài)信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。模擬列車實時狀態(tài)信息系統(tǒng)由模擬列車實時狀態(tài)信息地面服務(wù)器和模擬列車實時狀態(tài)信息車載測試設(shè)備組成。

(3) CCTV系統(tǒng):采用真實CCTV系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)車載CCTV監(jiān)控圖像信息回傳業(yè)務(wù)。CCTV系統(tǒng)由控制中心設(shè)備、車載視頻監(jiān)控設(shè)備等組成。

(4) PIS系統(tǒng):采用真實PIS設(shè)備實現(xiàn)車載PIS圖像業(yè)務(wù)。PIS由車載設(shè)備、PIS中心服務(wù)器等組成。PIS流媒體直播信息由下行信道承載,承載帶寬為每列車2～6 Mbit/s,由中心下發(fā)到列車的PIS。

1.2 服務(wù)質(zhì)量規(guī)劃

在系統(tǒng)中,將CBTC信號承載業(yè)務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為1,即最高優(yōu)先級。緊急信息在特殊需求情況下發(fā)送,因此也要求有較高的優(yōu)先級、較低的時延、較低的丟包率。根據(jù)不同業(yè)務(wù)的要求,結(jié)合TD-LTE對優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量分類,對各業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量(延時、丟包等)進行劃分，如表2所示。

表2 業(yè)務(wù)優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量劃分

1.3 測試儀器配置

測試過程中用到的各種儀器如下:

(1) 高速掃頻儀:1臺,場強覆蓋測試；

(2) IP網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng):2臺,系統(tǒng)性能測試;

(3) 秒表:1臺,系統(tǒng)功能測試。

1.4 測試方法

本文以TAU(列車接入單元)連接建立時間測試為例,分析業(yè)務(wù)測試方法與誤差控制措施。

測試目的:業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測試,測試LTE網(wǎng)絡(luò)連接建立時間。

測試條件:①LTE網(wǎng)絡(luò)配置正常,2臺TAU 600接入LTE網(wǎng)絡(luò),整個網(wǎng)絡(luò)配置正常;②LTE承載的業(yè)務(wù)正常運行;③TAU下掛的測試PC 1與核心網(wǎng)的測試PC 2互通正常;④測試PC 1安裝測試工具Histudio、軟件IPOP。

測試步驟:①使用IPOP登陸到TAU 600,發(fā)送AT命令at+cfun=0 0對Modem芯片關(guān)機，使用AT命令at+cfun=1 0對Modem芯片開機;，驗證設(shè)備是否正常連接②使用HiStudio-LTEAirLayer統(tǒng)計從idle態(tài)TAU發(fā)Preamble到TAU發(fā)送RRC Connection Reconfiguration Complete(無線資源控制重配置完成)的時間;③重復(fù)測試20次,統(tǒng)計其平均時間。

測試結(jié)果:通過。

(1) 使用AT命令開、關(guān)機成功，設(shè)備連接正常;

(2) 使用HiStudio-LTEAirLayer統(tǒng)計從idle態(tài)TAU發(fā)Preamble到TAU發(fā)送RRC Connection Reconfiguration Complete的時間為125 ms;

(3) 重復(fù)測試20次,計算得出TAU連接建立的平均時間為124.75 ms。

1.5 TD-LTE傳輸性能測試

城市軌道交通生產(chǎn)系統(tǒng)中對于傳輸性能的實時性和可靠性的要求很高，本文就無線業(yè)務(wù)的傳輸時延、切換時延、丟包率測試情況進行分析。

TD-LTE無線系統(tǒng)傳輸中涉及的主要網(wǎng)元包括終端、基站和核心網(wǎng)。整個數(shù)據(jù)傳輸時延的構(gòu)成,分解為各個網(wǎng)元的處理時延、空口傳輸時延以及S1口傳輸時延(見表3)。

表3 傳輸時延分段

切換時延包括切換控制面時延和切換用戶面時延。采用專車、共用車、徒步等測試手段,記錄統(tǒng)計切換情況。測試統(tǒng)計如圖2、3所示。切換控制面平均時延為19 ms,最大值為21 ms,最小值為16 ms；切換用戶面平均時延為59.2 ms,最大值為64 ms,最小值為54 ms。

圖2 切換控制面時延統(tǒng)計圖

圖3 切換用戶面時延統(tǒng)計圖

動態(tài)環(huán)境下測試了不同列車速度下的數(shù)據(jù)丟包率，見表4。

從以上測試可以看出,LTE系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)端到端的單向傳輸時延小于100 ms,越區(qū)切換無中斷且切換成功率高,信息傳輸及時準確,完全滿足城市軌道交通車地通信綜合業(yè)務(wù)承載實時、安全、可靠傳輸?shù)囊蟆?/p>

表4 不同列車速度下的丟包率

1.6 綜合業(yè)務(wù)承載測試

測試TD-LTE網(wǎng)絡(luò)承載CBTC、CCTV與PIS綜合業(yè)務(wù)的能力,統(tǒng)計列車控制性能指標,評估列車控制數(shù)據(jù)是否可滿足實際應(yīng)用場景。測試時,產(chǎn)生2路模擬CBTC業(yè)務(wù),其中1路是列車狀態(tài)信息業(yè)務(wù),設(shè)置為最高優(yōu)先級;在15 Hz帶寬條件下,上傳2路CCTV視頻監(jiān)控,速率為2×2 Mbit/s;下行分發(fā)1路PIS視頻,速率為4 Mbit/s；使用業(yè)務(wù)模擬器產(chǎn)生1路緊急文本業(yè)務(wù)、1路列車狀態(tài)信息業(yè)務(wù)。

(1) CBTC業(yè)務(wù)測試:列車速度分別保持在20 km/h、40 km/h、60 km/h的情況下,進行了CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)測試,CBTC均可看到正常的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流,無丟包現(xiàn)象。

(2) 上行車廂視頻監(jiān)控測試:上行業(yè)務(wù)進行反復(fù)拉網(wǎng)測試,在OCC(運營控制中心)調(diào)取運行車輛的車內(nèi)視頻監(jiān)控,滿足協(xié)商視頻采集碼率2.0 Mbit/s的攝像頭視頻流暢清晰；可以同時調(diào)取多路視頻,保持拉網(wǎng)過程中視頻清晰流暢。

(3) 上下行視頻并發(fā)測試:專車拉網(wǎng)驗證,正線全線進行測試,并發(fā)業(yè)務(wù)。下行由OCC向全網(wǎng)運行車輛播發(fā)6 Mbit/s高清片源保持,上行OCC控制中心同時調(diào)取行車內(nèi)視頻監(jiān)控1～3路保持。車速分別保持在20 km/h、40 km/h、60 km/h。整個拉網(wǎng)測試中上行視頻監(jiān)控和下行視頻播放流暢，無馬賽克。

2 測試分析

2.1 綜合承載能力分析

城市軌道交通生產(chǎn)系統(tǒng)需要承載多種業(yè)務(wù),對無線傳輸系統(tǒng)有明確的帶寬速率要求。本文對TD-LTE系統(tǒng)10 MHz帶寬下的單天線傳輸吞吐量進行分析。

在時隙配比1(即上下行時隙比例為2:2)、10 MHz帶寬下,下行鏈路和上行鏈路SINR(信干噪比)吞吐量關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 時隙配比1下行吞吐量

圖5 時隙配比1上行吞吐量

從圖4、圖5中可以看出,在時隙配比1下,在MIMO(多入出)為 1×1的配置下,SINR在0 dB左右時,下行鏈路能提供5 Mbit/s左右的吞吐量,上行鏈路則為2 Mbit/s左右;當SINR上升到15 dB時,下行鏈路和上行鏈路分別能提供約27 Mbit/s和11 Mbit/s的吞吐量。

2.2 列車高速運行下的性能分析

列車高速運行對無線傳輸系統(tǒng)性能的影響，主要為多普勒頻移導(dǎo)致無線鏈路極不穩(wěn)定,嚴重影響基站解調(diào)性能,引起傳輸性能指標惡化。多普勒頻移對無線通信系統(tǒng)的影響主要在以下兩個方面:

(1) 隨機接入信道(Random Access Channel,簡為RACH)的性能損失導(dǎo)致呼叫成功率降低;

(2) 專用業(yè)務(wù)信道(Dedicated Channel,簡為DCH)的性能損失導(dǎo)致掉話率上升。

為了對抗列車高速運行情況下的多普勒效應(yīng),基站接收機必須采用自動頻率糾正(Automatic Frequency Control,簡為AFC),即自動頻率控制進行頻率糾偏。基站通過快速測算列車高速帶來的頻率偏移,補償多普勒效應(yīng),改善無線鏈路的穩(wěn)定性,從而提高解調(diào)性能。

圖6對比了相干長度為2 560個符號,有無AFC時RACH的前導(dǎo)檢測性能。由圖6可知，未接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,1 000 Hz頻移的RACH前導(dǎo)檢測性能損失為5 dB,1 500 Hz頻移的性能損失達到14 dB;接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,500 Hz頻移的性能損失小于0.5 dB,1 000 Hz頻移的性能損失小于1 dB,1 500 Hz頻移的性能損失為1.2 dB。顯而易見,在有頻移情況下，接入AFC大大改善了RACH的前導(dǎo)檢測性能。

圖6 有無AFC時RACH的前導(dǎo)解調(diào)性能

圖7對比了信道估計平滑長度為20個符號,有無AFC時RACH的消息解調(diào)性能。由圖7可知，未接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,600 Hz頻移的RACH性能損失達到4 dB,700 Hz頻移的性能損失達到10 dB,750 Hz頻移的性能損失超過20 dB,更高的頻移將導(dǎo)致接入消息無法正確解調(diào);接入AFC功能時,與無頻移時的性能相比,500 Hz頻移的性能損失小于1 dB,1 000 Hz頻移的性能損失小于1.5 dB,1 500 Hz頻移的性能損失為2.5 dB,1 600 Hz頻移的性能損失僅為4 dB。顯而易見,在有頻移情況下，接入AFC大大改善了RACH的消息解調(diào)性能。

圖7 有無AFC時RACH的消息解調(diào)性能

圖8對比了信道估計平滑長度為20個符號,有無AFC時專用信道的解調(diào)性能。由圖8可知，無專用信道AFC時,與無頻移時的性能相比,600 Hz頻移的性能損失達到4 dB,700 Hz頻移的性能損失達到10 dB,750 Hz頻移的性能損失超過20 dB,更高的頻移將導(dǎo)致接入消息無法正確解調(diào);有專用信道AFC時,與無頻移時的性能相比,1 000 Hz頻移的性能損失小于0.2 dB,1 500 Hz頻移的性能損失小于0.5 dB,1 600 Hz頻移的性能損失為0.7 dB?？梢?在有頻移情況下，接入AFC大大改善了DCH的解調(diào)性能。

綜上所述，通過AFC算法可糾正頻偏帶來的對基站解調(diào)性能的影響。在1.4 GHz載頻、車速200 km/h情況下，頻偏為259 Hz,采用AFC算法

圖8 有無AFC時專用數(shù)據(jù)信道改善解調(diào)性能

后,RACH的性能損失小于1 dB,而DCH的性能損失小于0.2 dB,對城市軌道交通車地通信的性能幾乎沒有影響。

3 結(jié)語

通過鄭州地鐵1號線車地通信綜合業(yè)務(wù)承載測試,驗證了TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)具有實時性好、可靠性高、穩(wěn)定性強、丟包率低、越區(qū)切換業(yè)務(wù)無中斷且成功率高、終端連接時間短且成功率高等優(yōu)點,而冗余結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)可靠性和可用性。因此，TD-LTE無線專網(wǎng)在抗干擾性、高速移動狀態(tài)下大帶寬以及多業(yè)務(wù)QoS的保障上,均能滿足城市軌道交通多業(yè)務(wù)綜合承載需求。

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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)