LTE 技術(shù)在城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

馮 禹

（北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司，北京 100101）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)通信技術(shù)發(fā)展迅猛，長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）作為3G 與4G 技術(shù)間過(guò)渡的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在城市軌道交通的無(wú)線通信領(lǐng)域。LTE 技術(shù)立足于無(wú)線接入框架的重新構(gòu)建，可以保障由LTE 技術(shù)建成的系統(tǒng)具有較高的演進(jìn)性能與低延時(shí)性。此特性可以滿足現(xiàn)階段我國(guó)城市軌道交通對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求。對(duì)此，本文立足于LTE 技術(shù)在軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的角度，借助北京市19 號(hào)線LTE-M 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LTE 的應(yīng)用性能進(jìn)行研究，以期為相關(guān)人員或單位提供參考。

1 案例現(xiàn)狀

1.1 LTE 技術(shù)的基本特征

LTE 融合多輸入多輸出（Multiple-In Multiple Out，MIMO）技術(shù)和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)[1-3]，能夠展現(xiàn)出較高的信息傳輸速率和頻譜效率。并且，LTE 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頻譜的靈活分配且可以支持新增的無(wú)線通信頻率，進(jìn)而達(dá)到顯著提升無(wú)線通信系統(tǒng)覆蓋規(guī)模與容量的目的。對(duì)于城市軌道交通的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)而言，利用上述LTE 技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可以確保整個(gè)系統(tǒng)的最低通信延時(shí)，并可以為更廣的通信媒體覆蓋提供高速的無(wú)線傳輸速率。從軌道交通通信重要性角度來(lái)看，LTE技術(shù)融合MIMO 和OFDM 技術(shù)，能夠基本滿足軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的一些特殊需求[4]，達(dá)到全面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信，提高系統(tǒng)整體性能的目標(biāo)。

1.2 設(shè)計(jì)總體要求

案例地區(qū)城市軌道交通對(duì)LTE-M 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求大致有：滿足軌道交通的服務(wù)對(duì)象，如信號(hào)系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）的相關(guān)需求，滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)傳輸功能、無(wú)線接入功能、基本的網(wǎng)絡(luò)安全功能、日常的網(wǎng)絡(luò)管理功能、無(wú)線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)承載能力以及其他附屬功能等。

2 LTE 系統(tǒng)性能測(cè)試設(shè)計(jì)

為深入探究LTE 技術(shù)在城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中綜合承載業(yè)務(wù)的可行性，在我國(guó)某研究院進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試。測(cè)試在1.8 GHz 政務(wù)網(wǎng)干擾條件真實(shí)的電磁環(huán)境下進(jìn)行。使用工程實(shí)施的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)用在19 號(hào)線的LTE-M 系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷LTE-M 系統(tǒng)是否可以滿足該軌道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)綜合承載生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需求[5]。

2.1 測(cè)試場(chǎng)地

測(cè)試場(chǎng)地全線長(zhǎng)為8 630.419 m，測(cè)試列車(chē)的最高運(yùn)行速度達(dá)到140 km·h-1。全線均配備城市軌道交通所需要的所有通信信號(hào)系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、基礎(chǔ)電力基站以及指揮管理系統(tǒng)等，可以全面真實(shí)地模擬出城市軌道交通運(yùn)行可能遇到的各種真實(shí)環(huán)境情況[6]。

2.2 頻段選擇

現(xiàn)階段，900 MHz 頻段的GSM-R 鐵路專(zhuān)用頻段已經(jīng)難以支持LTE 的寬帶數(shù)據(jù)移動(dòng)業(yè)務(wù)。因此，可針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)投放地區(qū)情況，申請(qǐng)使用城市專(zhuān)網(wǎng)TD-LTE 頻段，如1 447～1 467 MHz 的固定移動(dòng)用戶(hù)頻段和1 785～1 805 MHz 的行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)頻段以及5 850～5 920 MHz 的TD-LTE 可接受頻段[7]。因現(xiàn)階段5.9 GHz頻段的通信技術(shù)應(yīng)用還不太成熟，其空間傳輸所需功耗過(guò)大且應(yīng)用在城市軌道交通無(wú)線通信領(lǐng)域的硬件設(shè)備缺失，所以現(xiàn)階段較適合于LTE 技術(shù)的城市軌道交通頻段只有1.8 GHz 和1.4 GHz 兩種選擇。目前，我國(guó)1.8 GHz 頻段基本上已經(jīng)覆蓋鄭州、烏魯木齊、呼和浩特以及蘭州等城市的軌道交通，相對(duì)于1.4 GHz 頻段而言，1.8 GHz更適合LTE 城市軌道交通的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。因此，本次測(cè)試選用1.8 GHz 頻段作為L(zhǎng)TE-M 系統(tǒng)的測(cè)試工作頻段。本此測(cè)試試驗(yàn)均圍繞1 785～1 805 MHz 頻段展開(kāi)。LTE 分為A 網(wǎng)和B 網(wǎng)，A網(wǎng)主要負(fù)責(zé)綜合承載，B 網(wǎng)只承載基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制（Communication Based Train Control，CBTC）業(yè)務(wù)。A 網(wǎng)頻段為1 785～1 800 MHz，B網(wǎng)頻段為1 800～1 805 MHz。因1.8 GHz 頻段現(xiàn)已投入北京政務(wù)網(wǎng)中使用，因此本試驗(yàn)政務(wù)網(wǎng)的干擾屬于不可避免的因素，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮這一干擾因素。

2.3 系統(tǒng)抗干擾能力的設(shè)計(jì)與對(duì)策

因測(cè)試的城市軌道交通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)使用1.8 GHz 頻段，因此LTE 網(wǎng)絡(luò)受到的主要干擾是政務(wù)網(wǎng)信息干擾。因軌道交通的無(wú)線通信只需要在軌道交通沿線處覆蓋LTE 無(wú)線信號(hào)，所以可結(jié)合軌道交通的線路特點(diǎn)與實(shí)際工程應(yīng)用等角度采取干擾規(guī)避措施。先提出兩種防干擾的抑制策略。

第一，全線使用漏纜進(jìn)行覆蓋。因漏泄同軸電纜擁有信號(hào)傳輸能力，同時(shí)還擁有天線功能，可利用對(duì)外導(dǎo)體的開(kāi)口實(shí)現(xiàn)控制，并將受控的電磁波以能量的方式沿線路均勻輻射傳播出去，并以同樣方式實(shí)現(xiàn)接收，所以可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)無(wú)線通信電磁場(chǎng)盲區(qū)的全面覆蓋。軌道交通線共布置4 條漏纜，均沿軌旁離開(kāi)車(chē)載天線約1.7 m 位置進(jìn)行布置。單側(cè)雙漏纜的設(shè)計(jì)方式不僅可以抵御外界干擾，同時(shí)還能夠通過(guò)MIMO 的特性提升車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路傳輸性能。

第二，將車(chē)載天線設(shè)置在車(chē)頂，利用車(chē)身的屏蔽性能降低干擾。

2.4 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的方案設(shè)計(jì)

上述試驗(yàn)檢測(cè)所構(gòu)建的基于城市軌道交通的LTE 系統(tǒng)均使用A、B 網(wǎng)冗余組網(wǎng)方式。A、B 網(wǎng)共同作為系統(tǒng)承載能力測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)的處理。其中，A 網(wǎng)使用帶寬為15 MHz，需要承載CBTC 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、PIS 圖像信息（包括緊急文本）數(shù)據(jù)、列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及車(chē)載閉路電視（Closed Circuit Television，CCTV）監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的傳輸；B 網(wǎng)帶寬設(shè)置為5 MHz，主要負(fù)責(zé)對(duì)CBTC業(yè)務(wù)下的常規(guī)信息數(shù)據(jù)與緊急文本信息的承載。

上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均涵蓋核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）、車(chē)載無(wú)線（Train Access Unit，TAU）、基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）以及射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）。其中，BBU需要利用以太網(wǎng)方式與兩套LTE 核心網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接接入，然后利用光纜方式連接到軌道的RRU設(shè)備。系統(tǒng)的區(qū)間段主要使用RRU+漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)交通線的全覆蓋，進(jìn)而降低來(lái)自其他無(wú)線通信環(huán)境的同頻段干擾。在模擬試驗(yàn)測(cè)試列車(chē)的車(chē)頭與車(chē)尾分別裝入車(chē)載接入單元TAU，通過(guò)TAU的方式實(shí)現(xiàn)車(chē)載交換機(jī)與車(chē)載應(yīng)用設(shè)備的連接，從而實(shí)現(xiàn)CBTC、PIS 及CCTV 等業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)接入，并完成不同協(xié)議業(yè)務(wù)間的隔離和自身對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的需求。其中，安裝在車(chē)頭的TAU 帶寬只需設(shè)計(jì)為5 MHz，因其只承擔(dān)CBTC 業(yè)務(wù)的傳輸，而安裝在車(chē)尾處的TAU 裝置則需要承擔(dān)CBTC、PIS、CCTV以及其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。

在實(shí)際測(cè)試之前，還需要在試驗(yàn)線軌旁設(shè)置9個(gè)RRU（RRU 數(shù)量可根據(jù)實(shí)際軌道長(zhǎng)度決定），相鄰兩個(gè)RRU 間的距離需控制在1 km 左右。為使LTE 系統(tǒng)滿足列車(chē)各項(xiàng)系統(tǒng)功能的需求，還需要對(duì)BBU 間的切換延時(shí)與傳輸性能進(jìn)行測(cè)試。因此，需要在A、B 組網(wǎng)處分別設(shè)置2 臺(tái)BBU，目的在于增加切換次數(shù)，而RRU 需要交叉接入對(duì)應(yīng)的BBU，從而使車(chē)載無(wú)線終端在經(jīng)過(guò)每一處RRU 裝置時(shí)可產(chǎn)生1 次BBU 間的切換，進(jìn)而達(dá)到增加測(cè)試樣本數(shù)的目的。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 傳輸性能測(cè)試

對(duì)LTE 系統(tǒng)的傳輸性能測(cè)試主要涵蓋傳輸和切換的延時(shí)測(cè)試與數(shù)據(jù)傳輸丟包率和吞吐量等檢測(cè)。因在LTE 無(wú)線通信系統(tǒng)中，軌道交通無(wú)線通信地面設(shè)備與列車(chē)車(chē)載的TAU 時(shí)鐘并不處于完全同步狀態(tài)，所以在進(jìn)行一些數(shù)據(jù)傳輸和切換的延時(shí)檢測(cè)時(shí)需要嚴(yán)格注意環(huán)回延時(shí)情況而并非單向傳輸?shù)难訒r(shí)。LTE 系統(tǒng)傳輸延時(shí)概率分布如圖1 所示。

由圖1 可知，無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸延時(shí)均集中在開(kāi)始傳輸后的10 ms 區(qū)間，平均傳輸延時(shí)約為11.5 ms，遠(yuǎn)低于CBTC 業(yè)務(wù)對(duì)QoS 需求150 ms 的規(guī)定，且傳輸延時(shí)在20 ms 以下的概率接近100%。

圖1 傳輸延時(shí)概率分布

切換延時(shí)概率分布如圖2 所示。切換延時(shí)與傳輸延時(shí)不同，切換延時(shí)因操作問(wèn)題并不集中在數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪骋还潭ㄖ蹈浇?，總體呈分布變化形態(tài)。

圖2 切換延時(shí)概率分布

圖2 中，平均切換延時(shí)為30 ms，同樣遠(yuǎn)低于CBTC 業(yè)務(wù)對(duì)QoS 150 ms 的需求，并且切換延時(shí)在45 ms 以下的概率接近100%。圖1 和圖2 為列車(chē)駐留在某試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的模擬情況，其信干噪比（Signal to Interference Noise Ratio，SINR）與下行速率的變化如圖3、圖4 所示。

圖3 單小區(qū)下行信干噪比

圖4 單小區(qū)下行吞吐量

由圖3 可知，在絕大部分時(shí)間里，SINR 的值均大于10 dB。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的下行速率而言，除列車(chē)位于小區(qū)邊緣的特殊情況外，其實(shí)際速率值均能夠控制在20 Mb·s-1左右。圖3 中單小區(qū)下行信干噪比SINR 的實(shí)際帶寬為15 MHz，此時(shí)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的上、下行吞吐速率概率分布如圖5、圖6 所示。

圖5 上行吞吐量概率分布

由圖5、圖6 數(shù)據(jù)可知，無(wú)線通信系統(tǒng)的上行平均吞吐量可控制在17.2 Mb·s-1左右，而下行吞吐量可控制在19.4 Mb·s-1左右。

圖6 下行吞吐量概率分布

整個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)只出現(xiàn)少量丟包現(xiàn)象。在測(cè)試系統(tǒng)丟包時(shí)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程并沒(méi)有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

3.2 綜合承載性能測(cè)試

在對(duì)LTE 系統(tǒng)進(jìn)行綜合承載性能測(cè)試之前，應(yīng)當(dāng)明確測(cè)試所涵蓋的業(yè)務(wù)。例如，在本次試驗(yàn)中，為研究PIS/CCTV 業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)下CBTC 業(yè)務(wù)的傳輸性能影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)基于LTE 技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線通信系統(tǒng)承載CCTV、PIS 以及TOSM（Through Open Short Match）等業(yè)務(wù)時(shí)對(duì)CBTC 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸情況的影響進(jìn)行測(cè)試，即重點(diǎn)監(jiān)測(cè)傳輸延時(shí)和切換延時(shí)的誤差情況。因PIS 與CCTV 業(yè)務(wù)在我國(guó)城市軌道交通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸要求速率分別為4 Mb·s-1和2 Mb·s-1，所以在試驗(yàn)中將2 套CCTV和1 套PIS 設(shè)備同時(shí)接入LTE 網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)采用IxChariot 測(cè)試工具模擬雙路CBTC 業(yè)務(wù)流量流經(jīng)LTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的情況，以一次全流量數(shù)據(jù)傳輸為一次循環(huán)，共進(jìn)行100 次循環(huán)模擬測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 綜合承載業(yè)務(wù)傳輸延時(shí)的概率分布函數(shù)

圖7 和圖8 分別為L(zhǎng)TE 系統(tǒng)對(duì)綜合承載業(yè)務(wù)能力測(cè)試的傳輸延時(shí)和切換延時(shí)。其中，傳輸延時(shí)能夠控制在100 ms 以下，切換延時(shí)可被控制在50 ms 以下。因此，可認(rèn)為L(zhǎng)TE 技術(shù)構(gòu)建調(diào)度算法可以承擔(dān)軌道交通對(duì)無(wú)線通信各項(xiàng)業(yè)務(wù)的承載要求，使PIS/CCTV 業(yè)務(wù)的開(kāi)展可以有序進(jìn)行，即PIS/CCTV業(yè)務(wù)不會(huì)對(duì)CBTC 業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響。

圖8 綜合承載業(yè)務(wù)切換延時(shí)的概率分布函數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文借助北京市城市軌道交通19 號(hào)線的LTE無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)LTE 系統(tǒng)應(yīng)用效果進(jìn)行探究。從測(cè)試結(jié)果可知，LTE 技術(shù)能夠有效提高城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)的信息傳輸能力，其數(shù)據(jù)上下行的傳輸能力可分別達(dá)到17.2 Mb·s-1和19.4 Mb·s-1，并且在高速數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中即整個(gè)測(cè)試丟包過(guò)程中并未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。測(cè)試LTE 系統(tǒng)的承載能力時(shí)，針對(duì)LTE-M 系統(tǒng)實(shí)際承載CBTC、CCTV、PIS 及TOSM 的情況進(jìn)行模擬測(cè)試，結(jié)果證明在100 次循環(huán)測(cè)試中傳輸延時(shí)均可被控制在100 ms 以下，切換延時(shí)可控制在50 ms 以下，由此可證明LTE 系統(tǒng)能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄌ峁└痈咝У男畔鬏敗ＯＭㄟ^(guò)上述分析，能夠?yàn)檫M(jìn)一步加快LTE-M 系統(tǒng)在我國(guó)各城市軌道交通中的使用提供參考，為全面推進(jìn)LTE-M 技術(shù)規(guī)范測(cè)試應(yīng)用提供指導(dǎo)幫助。