LTE車地無線通信系統(tǒng)互聯(lián)互通測試研究

司朝剛

摘 要：城市軌道交通建設周期長，不同線路車地無線通信系統(tǒng)可能采用不同廠家設備，這樣不利于地鐵運營部門管理，甚至，當列車跨線運營時可能造成列車緊急制動或者發(fā)生安全事故。該文首先對LTE車地無線通信系統(tǒng)互聯(lián)互通測試需求與測試場景進行分析，其次設計互聯(lián)互通測試方案，最后給出測試結(jié)果并討論，對其他LTE互聯(lián)互通測試的開展具有參考意義。

關鍵詞：LTE；車地無線通信；互聯(lián)互通

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A

1 基于LTE的車地無線通信系統(tǒng)簡介

城軌CBTC系統(tǒng)由于其雙向、連續(xù)、大容量傳輸?shù)膬?yōu)勢，逐漸成為信號系統(tǒng)的主流，其中基于LTE的車地無線通信系統(tǒng)是承載列車安全信息的重要傳輸通道，在目前新建的城市軌道交通中占據(jù)著重要地位。

LTE車地無線通信系統(tǒng)由控制中心EPC、車站BBU、軌旁RRU、漏泄同軸電纜、車載無線控制單元TAU以及附屬的交換設備組成，其中核心網(wǎng)EPC由MME、SGW、PGW 3個實體功能模塊構(gòu)成。LTE各網(wǎng)元設備間存在接口及相應的網(wǎng)絡協(xié)議，系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

2 車-地無線通信系統(tǒng)互聯(lián)互通測試方案設計

2.1 互聯(lián)互通測試需求分析

為便于LTE互聯(lián)互通測試的進行，選擇2個不同設備廠家進行測試，其中地面EPC、eNB與車載TAU分別選擇不同設備廠家。

統(tǒng)一各LTE網(wǎng)元設備間的接口是實現(xiàn)互聯(lián)互通的關鍵，因此需要對TAU和基站間的Uu接口、基站和MME間的S1接口、MME和HSS間的S6a接口以及MME與MME間的S10接口進行測試，其中S10接口為實現(xiàn)TAU在不同小區(qū)間切換，在2個不同核心網(wǎng)MME間建立隧道來傳送控制信息。雖然3GPP對LTE各接口的功能有標準定義，但是各通信設備廠家實現(xiàn)的方式各有不同，需要在測試過程中逐一調(diào)試完善。

互聯(lián)互通測試涉及2個不同設備廠家，在測試過程中難免出現(xiàn)責任劃分問題，因此需要有相應的設備進行實時監(jiān)測和安排第三方專員進行測試跟蹤。

2.2 互聯(lián)互通測試場景分析

根據(jù)車載TAU接入地面設備之間的過程，將互聯(lián)互通分為3個測試項，分別為無線RRC接入功能測試、核心網(wǎng)NAS層功能測試以及無線越區(qū)切換測試，其中無線越區(qū)切換過程測試不僅包括前2個功能測試項，還可測試LTE系統(tǒng)不同接口。

2.2.1 RRC無線接入過程

該過程主要驗證TAU在指定的E-UTRAN 的小區(qū)中能正確接收和解析系統(tǒng)信息，收到尋呼消息后，能正確完成RRC連接的建立、釋放及重配置，同時可以建立起數(shù)據(jù)/信令無線承載，并對無線接入過程進行加密和完整性保護。

2.2.2 核心網(wǎng)NAS層功能

該過程主要驗證TAU接入核心網(wǎng)后，網(wǎng)絡側(cè)的信令處理機制。包括TAU與網(wǎng)絡間的附著、分離、鑒權和密鑰協(xié)商過程；跟蹤區(qū)更新、業(yè)務請求、尋呼響應等移動性管理。也包括專用承載的激活、修改、刪除等會話管理。

2.2.3 TAU從一個小區(qū)切換到另一個小區(qū)，完成RRC無線連接和核心網(wǎng)側(cè)處理

LTE切換可分為站內(nèi)切換、基于X2/S1的站間切換以及跨核心網(wǎng)的站間切換。為最大程度地驗證互聯(lián)互通測試的正確性，著重測試后者，即TAU的控制流和數(shù)據(jù)流經(jīng)過2家不同廠家的基站和MME側(cè)，實現(xiàn)切換成功。LTE不同測試場景對應不同的信令消息，信令中攜帶關鍵信元。

2.3 互聯(lián)互通測試方案

該部分搭建互聯(lián)互通測試鏈路，模擬車地無線通信過程，首先測試地面設備和車載設備的無線連接性能以及核心網(wǎng)的處理功能，再通過模擬列車跨不同小區(qū)不同核心網(wǎng)下的越區(qū)切換性能。

2.3.1 互聯(lián)互通無線接入測試方案

該方案用于測試靜態(tài)連接性，驗證分別來自2個不同廠家的TAU和核心網(wǎng)（含基站）之間是否能相互接入，包括了RRC無線連接和NAS層功能測試項，測試系統(tǒng)無線連接時延、丟包率及傳輸帶寬的指標。

PC1和PC2為終端服務器，裝載IxChariot軟件，分別在性能指標測試時，模擬車地通信設備，核心網(wǎng)EPC、BBU、RRU均屬于廠家A設備，TAU來自廠家B，固衰和可編程衰減器模擬車地無線通信環(huán)境，通過調(diào)節(jié)固衰和可編程衰減器，設置車載TAU處的RSRP達到-85 dBm，SINR為19 dBm，該值也是車載終端在LTE基站覆蓋下的小區(qū)邊緣接收到的信干噪比。測試中子幀配比為DSUUDDSUUD，特殊子幀配比為10︰2︰2，系統(tǒng)帶寬為5 M，對于下行鏈路，參考信號發(fā)射功率為10 dBm，RRU發(fā)送功率為47 dBm；對于上行鏈路，TAU發(fā)送功率為-23 dBm～23 dBm，路徑損耗約為90 dBm。在IxChariot軟件上設置一路CBTC業(yè)務，數(shù)據(jù)包大小為400 Bytes，傳輸速率為100 kbps，通過啟動PC1和PC2上的IxChariot控制端開始測試。

2.3.2 互聯(lián)互通越區(qū)切換測試方案

該方案用于測試車載的切換性能，2個RRU同屬一個BBU，同樣的，廠家B的TAU在廠家A的網(wǎng)絡間跨區(qū)切換，系統(tǒng)參數(shù)配置與靜態(tài)測試相同。

車地無線環(huán)境由固衰、可編程衰減器以及合路器模擬，其中固衰為60 dB，可編程衰減器從0 dB～60 dB以每500 ms變化1.5 dB的速率調(diào)節(jié)，通過固衰和可變衰減的共同調(diào)節(jié)模擬列車真實越區(qū)切換的信道條件，保證每10 s車載在2個RRU小區(qū)間至少切換1次，合路器實現(xiàn)TAU與可編程衰減器間的連接。

2.3.3 互聯(lián)互通跨核心網(wǎng)切換測試方案

該方案是對方案二的補充和深化，廠家A的TAU從自己的網(wǎng)絡切換到廠家B的網(wǎng)絡，其中基站eNB（BBU+RRU）和核心網(wǎng)分別從屬于不同設備廠家，切換路由經(jīng)過2家的基站和核心網(wǎng)設備且共用一個HSS，系統(tǒng)參數(shù)配置與上述2方案一致，設備架構(gòu)連接如圖2所示。

地面區(qū)域控制器ZC1和ZC2用2臺PC機模擬，MME之間的接口為S10，MME與HSS之間的接口為S6a，整個地面設備通過交換機相連，該切換測試將接口、RRC、NAS等功能測試項整合，其中信令監(jiān)測儀連接交換機上的鏡像接口監(jiān)測互聯(lián)互通信令交互，為測試提供第三方認證服務。

3 測試結(jié)果及討論

車地通信時延、丟包主要影響列車運行效率。在10 M帶寬配置下，切換1 000次，LTE單核心網(wǎng)切換時延平均值為46 ms ，最大值為127 ms；跨核心網(wǎng)切換時延平均值為47 ms ，最大值為186 ms，丟包率為0。

地鐵設計中，一般控制中心設置的核心網(wǎng)設備與車站通信設備交互，丟包率和單核心網(wǎng)切換時延符合大部分配置實際，且滿足信號系統(tǒng)對LTE車地無線通信系統(tǒng)丟包率小于1 %，時延小于150 ms的傳輸需求?？绾诵木W(wǎng)切換測試是對設備性能的極限測試，測試結(jié)果小于信號系統(tǒng)對車地無線傳輸?shù)臉O限值。測試結(jié)果丟包率為0，是由于LTE技術中有緩存和轉(zhuǎn)發(fā)機制，越區(qū)切換時，先將數(shù)據(jù)保存在切換前的基站一側(cè)，切換成功后，通過基站間的X2接口轉(zhuǎn)發(fā)到另一側(cè)，防止了數(shù)據(jù)包丟失。

4 結(jié)語

該文研究了LTE車地無線通信系統(tǒng)互聯(lián)互通測試需求、設計測試方案、搭建測試環(huán)境、討論測試結(jié)果，LTE互聯(lián)互通測試結(jié)果表明其無線傳輸性能能夠滿足信號系統(tǒng)的要求，為現(xiàn)場互聯(lián)互通測試提供了一定依據(jù)。

參考文獻

[1]姚斌.3GPP LTE無線接口協(xié)議及體系結(jié)構(gòu)[J].移動通信，2007，31（12）：54-57.

[2]步兵.CBTC系統(tǒng)中無線通信的可用性分析[D].北京：北方交通大學，2001.