基于虛擬路測的軌道交通無線通信測試系統(tǒng)設(shè)計

張 超

（中車株洲電力機車研究所有限公司,湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，未來軌道交通將趨于網(wǎng)絡(luò)化、智能化和信息化，機車車輛將主要基于自動駕駛和復(fù)雜駕駛輔助系統(tǒng)，這就要求其必須具備高性能的移動車載終端設(shè)備以實現(xiàn)機車與外界穩(wěn)定可靠的實時通信[1-2]。致使無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中斷和不穩(wěn)定的主要原因包括終端產(chǎn)品本身軟硬件故障和外場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境因素。設(shè)計一套適用于軌道交通的無線通信測試系統(tǒng)，為無線通信類產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化提供測試條件，可提升該類產(chǎn)品抗干擾能力和通信質(zhì)量，是目前軌道交通無線通信領(lǐng)域亟須解決的問題。虛擬路測（virtual drive test,VDT）[3]是通過獲取和分析帶有經(jīng)緯度信息的海量測量（measurement result, MR）數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)附著率并結(jié)合地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS），獲得與傳統(tǒng)路測接近的數(shù)據(jù)。其通過獲取軌道沿線無線覆蓋信號強度、信號質(zhì)量和事件信息來分析軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)問題，可給出針對性解決方案。

在該研究領(lǐng)域中，文獻[4-6]進行了高速移動環(huán)境LTE（long term evolution）系統(tǒng)無線信道與性能聯(lián)合測試方法研究，建立了無線信道特性參數(shù)與系統(tǒng)性能參數(shù)的精確對應(yīng)關(guān)系。文獻[7-9]提出了面向虛擬路測的無線信道仿真方法，搭建了虛擬路測系統(tǒng)，并通過對真實路測數(shù)據(jù)的處理獲取無線信道特征參數(shù)，進而實現(xiàn)在實驗室的外場測試驗證。綜合分析相關(guān)研究成果，目前針對軌道交通車載無線通信類產(chǎn)品的性能測試研究主要集中在3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)或無線信道模型設(shè)計[10-12]，而這種實驗室靜態(tài)環(huán)境往往難以模擬和復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品在軌道列車高速運行的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用故障現(xiàn)象。

針對當(dāng)前軌道交通行業(yè)無線通信測試研究的現(xiàn)狀，本文基于虛擬路測方法設(shè)計一種軌道交通無線通信測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過基站模擬器、信道仿真儀及虛擬路測軟件等設(shè)備在實驗室模擬外場無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)仿真模擬軌道列車無線通信產(chǎn)品“服務(wù)端-網(wǎng)絡(luò)-車載終端”整個端至端的通信，既有效地提高了無線通信類產(chǎn)品設(shè)計的可靠性和魯棒性，又能復(fù)現(xiàn)和排查產(chǎn)品運用現(xiàn)場故障，涉及產(chǎn)品問題、網(wǎng)絡(luò)問題、信道問題和信號問題等，進而優(yōu)化提升終端的硬件設(shè)計質(zhì)量和軟件算法性能。

1 軌道交通無線通信測試系統(tǒng)架構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

軌道交通無線通信系統(tǒng)主要由車載子系統(tǒng)、無線通信傳輸網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理及服務(wù)子系統(tǒng)、地面應(yīng)用子系統(tǒng)等組成。本文設(shè)計的無線通信測試系統(tǒng)仿真模擬車載子系統(tǒng)（即移動終端）至地面應(yīng)用子系統(tǒng)（地面服務(wù)端）的整條通信鏈路，主要由服務(wù)器、基站模擬器（無線通信綜合測試儀）、信道仿真儀、網(wǎng)絡(luò)掃頻儀、網(wǎng)絡(luò)路測軟件、虛擬路測軟件、屏蔽箱等軟硬件組成，如圖1所示。

圖1 軌道交通無線通信測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Architecture of the wireless communication test system for rail transit

（1）基站模擬器輸出標(biāo)準(zhǔn)制式的射頻信號，模擬無線通信中的基站，充當(dāng)整個通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)掃頻儀即便攜式外場移動測試設(shè)備，用于測試和采集外場無線數(shù)據(jù)并保存。

（3）信道仿真儀用于回放外場收集的真實網(wǎng)絡(luò)中信道參數(shù)。

（4）網(wǎng)絡(luò)路測軟件用于顯示和保存鐵路外場測試的原始路測數(shù)據(jù)。

（5）虛擬路測軟件包含轉(zhuǎn)換軟件和回放軟件，其中轉(zhuǎn)換軟件實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)中信道參數(shù)的提取和轉(zhuǎn)換，回放軟件是將轉(zhuǎn)換的信道參數(shù)放置信道仿真儀中進行回放。

（6）服務(wù)器作為服務(wù)端等待與DUT（無線通信傳輸裝置）進行連接，實現(xiàn)移動終端至服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)通信，模擬仿真軌道交通無線通信類產(chǎn)品現(xiàn)場應(yīng)用場景。

（7）被測件DUT，即軌道交通無線通信車載終端，是TSC/CMD/WTD/安全通信插件等無線通信類產(chǎn)品。

1.2 系統(tǒng)功能

基于虛擬路測方法的軌道交通無線通信測試系統(tǒng)功能包括模塊終端性能測試、網(wǎng)絡(luò)覆蓋測試和網(wǎng)絡(luò)仿真測試3個主要功能，可以為新物料選型、新產(chǎn)品集成測試、軟硬件變更等產(chǎn)品研發(fā)的各個階段提供一致性和可靠性測試，實現(xiàn)產(chǎn)品無線通信功能的全覆蓋測試。

1.2.1 終端性能測試

軌道交通無線通信測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信類終端產(chǎn)品的射頻性能一致性和可靠性測試，以評估終端的射頻發(fā)射性能以及射頻接收性能。射頻發(fā)射性能包括功率、頻率、占用帶寬、頻譜模板等；射頻接收性能包括接收機靈敏度、丟包率等。 其具體測試功能包括：

（1）可按照3GPP TS51.010-1和3GPP TS34.121對GSM/GPRS/CDMA/WCDMA等無線通信產(chǎn)品開展射頻一致性測試，除具備靜態(tài)的測試能力以外，還需具備標(biāo)準(zhǔn)信道模型的測試功能。

（2）可按照3GPP TS 36 521-1標(biāo)準(zhǔn)對LTE無線通信產(chǎn)品開展射頻一致性(Conformance)測試，可加載3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)信道模型進行測試，工作頻率包括軌道交通工程應(yīng)用中要求的特定頻段（如1 785～1 805 MHz頻段的LTE-M和450～470 MHz頻段的LTE-R）。

（3）按照IEEE Std 802.11TM-2012、GB 15629.1102-2003和GB 15629.1104-2006對WiFi通信產(chǎn)品開展射頻一致性測試，工作頻率包括2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻率。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋測試

網(wǎng)絡(luò)覆蓋測試主要是用于網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和提升，其目的是對投入運行的網(wǎng)絡(luò)進行測試：通過數(shù)據(jù)采集并進行分析,找出影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的原因；通過技術(shù)手段或參數(shù)調(diào)整使網(wǎng)絡(luò)資源獲得最佳效益；同時了解網(wǎng)絡(luò)的增長趨勢,為后期擴容提供依據(jù)。其具體測試功能包括：

（1）信號采集和測試，可采集存儲外場無線信道衰落數(shù)據(jù)，包括多普勒頻移、多徑、時延、衰落及干擾等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。

（2）網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評估，支持GSM/CDMA2000/WCDMA/LTE等蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)信號測量，檢測項點包括但不限于物理小區(qū)ID、基站小區(qū)ID、RSRP、RSRQ、SINR等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。

（3）評估鐵路沿線、地鐵隧道和機務(wù)段等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境是否滿足《鐵路信息化系統(tǒng)機務(wù)段應(yīng)用暫行技術(shù)規(guī)范》要求，出具網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析報告。

（4）鐵路專網(wǎng)基站部署/優(yōu)化，用于指導(dǎo)鐵路專網(wǎng)等基站部署方案性能測試，研究基站間距、基站高度及基站與鐵軌間距離對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

（5）WLAN網(wǎng)絡(luò)AP部署/優(yōu)化，天線部署方案性能測試用于研究不同天線部署方案，如單向布置、雙向布置以及天線波瓣寬度對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)仿真測試

無線通信測試系統(tǒng)針對終端存在的頻繁越區(qū)切換、不同信號強度和不同網(wǎng)絡(luò)制式間切換等應(yīng)用場景進行網(wǎng)絡(luò)仿真測試，可將真實的外場無線信道數(shù)據(jù)在實驗室仿真回放，為無線通信終端提供可靠、可重復(fù)和可追溯的試驗環(huán)境，考察運營商級、鐵路專網(wǎng)及WLAN的終端數(shù)據(jù)性能、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、接入穩(wěn)定性等性能。其具體測試功能包括：

（1）高速適應(yīng)性測試，為高速移動場景（速度600 km/h以上）下的車載移動通信終端測試提供高速移動仿真環(huán)境。

（2）終端靈敏度測試，提供特定噪聲和多徑環(huán)境下的弱覆蓋場景，用于終端的接收靈敏度測試。

（3）抗多徑能力測試，仿真適用于高速移動場景的典型多徑傳播環(huán)境，支持自定義多徑設(shè)置，用于終端的抗多徑能力測試。

（4）干擾性能測試，模擬同制式之間、不同制式之間、同制式不同信道之間網(wǎng)絡(luò)干擾影響，模擬小區(qū)邊緣的同頻干擾。

2 軌道交通無線通信測試系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

無線通信常規(guī)測試模型包含：靜態(tài)模型（不加任何干擾、衰落）、標(biāo)準(zhǔn)衰落模型（國際標(biāo)準(zhǔn)自定義的衰落模型）。本文重點是研究基于虛擬路測的無線通信測試系統(tǒng)，通過路測自定義的衰落模型進行移動終端的網(wǎng)絡(luò)性能測試?；灸M器通過環(huán)形器與無線信道仿真儀進行連接，然后再通過環(huán)形器連接到被測件。從基站模擬器到被測件的下行數(shù)據(jù)流通過信道仿真儀添加衰落模型（衰落因子包括功率、信噪比、多徑、時延），從被測件到基站模擬器的上行數(shù)據(jù)流通信鏈路未添加衰落模型。網(wǎng)絡(luò)仿真測試主要由信號采集、數(shù)據(jù)處理和建模、網(wǎng)絡(luò)仿真3部分組成，如圖2所示。

圖2 軌道交通無線通信測試系統(tǒng)Fig. 2 Wireless communication test system for rail transit

全套路測方案測試流程如圖3所示。

圖3 軌道交通無線通信測試系統(tǒng)測試流程圖Fig. 3 Flow chart of the wireless communication test system for rail transit

（1）信號采集。通過網(wǎng)絡(luò)掃頻儀采集無線網(wǎng)絡(luò)的信道信息，該信道信息包含制定頻段信號的 PCI，RSRP，RS-CINR和多徑信息（時延、Doppler 頻移、相對衰減）、頻率響應(yīng)等多種信息，且包含基站信號的頻段和場強等信息。

（2）數(shù)據(jù)處理與建模。通過Vertex數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件將提取的信道信息轉(zhuǎn)化為與DEE template 數(shù)據(jù)格式一致的包含信道信息的文件，以.xls格式輸出。定制化開發(fā)的虛擬路測軟件具備自動生成信道模型，能夠自動匹配3GPP標(biāo)準(zhǔn)信道模型并自動修正信道衰落因子。

（3）網(wǎng)絡(luò)仿真。復(fù)制 .xls 文件中的信道信息至DEE template軟件，輸出信道仿真器可以接受的vstb文件，完成DEE信道文件的回放；對比實測和回放信道信息，在Vertex數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件中微調(diào)系統(tǒng)參數(shù)，以準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場測試信道特性。

3 系統(tǒng)驗證與應(yīng)用

3.1 測試驗證

為了驗證無線通信測試系統(tǒng)基于虛擬路測方法的網(wǎng)絡(luò)仿真功能，采用由掃頻儀（TSMW）、虛擬路測軟件（ROMES）、VDT-CT轉(zhuǎn)換工具、無線信道仿真儀（Vertex）及被測終端（EUT）組成的全套路測解決方案，通過掃頻儀和路測軟件，采集并分析外場的無線信道的數(shù)據(jù)，包括慢衰落、功率譜時延分布、多普勒變化、多徑時延等信息，輸出給無線信道仿真儀進行模型重構(gòu)，并通過綜合測試儀（基站模擬器CMW500）對外場路測無線信道數(shù)據(jù)進行回播。參照系統(tǒng)測試流程，首先通過掃描儀和路測軟件采集測試區(qū)間基站小區(qū)的路測數(shù)據(jù)，如圖4所示，該路測測試區(qū)間存在76個基站小區(qū)（圖4(a)），系統(tǒng)信道建模軟件自適應(yīng)選擇最匹配的2個基站小區(qū)數(shù)據(jù)（圖4(b)），進而建立被測區(qū)間的信道模型。

圖4 測試區(qū)間基站小區(qū)的路測數(shù)據(jù)Fig. 4 Drive test data of base station cell in test area

通過無線通信綜合測試儀仿真模擬車載子系統(tǒng)（即移動終端）至地面服務(wù)端的整條通信鏈路，實現(xiàn)車載終端對仿真系統(tǒng)輸出的信號接收功率(reference signal receiving power，RSRP)、接收的信號強度(received signal strength indication，RSSI )以及吞吐率（date throughput）等主要性能指標(biāo)進行測試驗證，并與外場實測數(shù)據(jù)進行了對比。圖5(a)和圖5(b)中紅色曲線為通過掃頻儀外場實測的RSRP和RSSI結(jié)果，藍色曲線為該軌道交通無線通信測試系統(tǒng)的仿真模擬測試結(jié)果。從驗證測試結(jié)果可以看出，虛擬路測結(jié)果和外場實測結(jié)果可以在 RSRP和RSSI 主要參數(shù)上取得較一致的結(jié)果。如圖5(c)所示，吞吐率隨著RSRP和RSSI 的變化而變化，并在小區(qū)切換的地方準(zhǔn)確切換，未斷開，這說明終端成功切換并繼續(xù)承載通信業(yè)務(wù)。

圖5 無線通信測試系統(tǒng)實測和仿真結(jié)果Fig. 5 Actual measurement and simulation results of the wireless communication test system

仿真結(jié)果絕對值上存在略微差異，帶來該差異的可能原因分析如下：（1）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置的差異，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)在實驗室網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行了參數(shù)配置的優(yōu)化，該工作可能帶來兩套網(wǎng)絡(luò)固有傳輸性能的差異；（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的差異，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的一套核心網(wǎng)下面有76個基站小區(qū)，實驗室只有兩個，同時各網(wǎng)元（包括 QoS 測試服務(wù)器、EPC 及 eNB）之間的連接距離也有所差異，因此網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況有所不同；（3）位置統(tǒng)計區(qū)間上的差異，由于實測和模擬系統(tǒng)中吞吐量和無線覆蓋參數(shù)并非在同一趟行程中測得，這將意味著吞吐量測試結(jié)果統(tǒng)計時在位置區(qū)間上存在微小差異,因此，無線信道的小尺度衰落和陰影衰落特征會有所不同。

綜上所述，該套無線通信測試系統(tǒng)能夠?qū)⒄鎸嵉耐鈭鰺o線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境精準(zhǔn)地在實驗室仿真回放。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

該軌道交通無線通信測試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于干線鐵路、城市軌道交通、中/高速磁浮等軌道交通領(lǐng)域，成功解決了多起不同制式的無線通信類產(chǎn)品的現(xiàn)場通信異常和網(wǎng)絡(luò)中斷等故障，有效地解決了軌道交通領(lǐng)域內(nèi)無線通信測試的行業(yè)難題，降低了產(chǎn)品的維護成本，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。此外，系統(tǒng)還滿足無線通信類終端產(chǎn)品的射頻性能一致性和可靠性測試、網(wǎng)絡(luò)覆蓋測試和虛擬路測等功能，支持5G、4G（TDD-LTE、FDD-LTE）、3G（CDMA2000、WCDMA）、2G（GSM）、WiFi（802.11a/b/n/g/ac）以及鐵路專網(wǎng)（GSM-R、LTE-R、LTE-M）等無線通信制式的相關(guān)測試，可按照3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行相關(guān)測試。該無線通信測試平臺是一個端到端的產(chǎn)品質(zhì)量測試/驗證系統(tǒng)，功能覆蓋了無線通信類產(chǎn)品的整個生命周期，其應(yīng)用場景如圖6所示。

圖6 無線通信測試系統(tǒng)應(yīng)用場景圖Fig. 6 Application scenarios of the wireless communication test system

4 結(jié)語

軌道交通無線通信測試系統(tǒng)能夠真實地模擬軌道交通無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，消除實驗室測試和現(xiàn)場測試之間的界限，從而顯著減少不必要的外場路測。在實驗室真實地模擬外場（如鐵路沿線、地鐵隧道、機務(wù)段、車輛段等）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，為軌道交通無線通信類產(chǎn)品提供一個更可靠、可重復(fù)且可追溯的測試環(huán)境。在這種測試環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)問題的定位、追蹤及解決都要比現(xiàn)場更加高效，網(wǎng)絡(luò)錯誤和產(chǎn)品缺陷的修復(fù)更快。系統(tǒng)針對仿真與外場網(wǎng)絡(luò)的差異，可以通過構(gòu)建典型的信道仿真模型，從而在虛擬路測軟件上執(zhí)行更多的測試用例，為新物料選型、新產(chǎn)品集成測試、軟硬件變更等產(chǎn)品研發(fā)的各個階段，提供一致性和可靠性測試。