LTE 技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用

冯 禹

（北京市轨道交通运营管理有限公司，北京 100101）

0 引言

近年来，我国通信技术发展迅猛，长期演进（Long Term Evolution，LTE）作为3G 与4G 技术间过渡的技术，被广泛应用在城市轨道交通的无线通信领域。LTE 技术立足于无线接入框架的重新构建，可以保障由LTE 技术建成的系统具有较高的演进性能与低延时性。此特性可以满足现阶段我国城市轨道交通对无线通信网络架构的需求。对此，本文立足于LTE 技术在轨道交通无线通信系统中应用的角度，借助北京市19 号线LTE-M 系统设计相关要求标准对LTE 的应用性能进行研究，以期为相关人员或单位提供参考。

1 案例现状

1.1 LTE 技术的基本特征

LTE 融合多输入多输出（Multiple-In Multiple Out，MIMO）技术和正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术[1-3]，能够展现出较高的信息传输速率和频谱效率。并且，LTE 技术能够实现对频谱的灵活分配且可以支持新增的无线通信频率，进而达到显著提升无线通信系统覆盖规模与容量的目的。对于城市轨道交通的无线通信网络而言，利用上述LTE 技术构建的无线通信网络可以确保整个系统的最低通信延时，并可以为更广的通信媒体覆盖提供高速的无线传输速率。从轨道交通通信重要性角度来看，LTE技术融合MIMO 和OFDM 技术，能够基本满足轨道交通应用场景对通信网络的一些特殊需求[4]，达到全面优化网络通信，提高系统整体性能的目标。

1.2 设计总体要求

案例地区城市轨道交通对LTE-M 系统的设计要求大致有：满足轨道交通的服务对象，如信号系统和乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）的相关需求，满足常规的数据传输功能、无线接入功能、基本的网络安全功能、日常的网络管理功能、无线通信系统的业务承载能力以及其他附属功能等。

2 LTE 系统性能测试设计

为深入探究LTE 技术在城市轨道交通车地无线通信网络中综合承载业务的可行性，在我国某研究院进行现场实地测试。测试在1.8 GHz 政务网干扰条件真实的电磁环境下进行。使用工程实施的组网结构设计对应用在19 号线的LTE-M 系统在实际环境中的运行性能进行监测，判断LTE-M 系统是否可以满足该轨道无线网络通信对综合承载生产业务的需求[5]。

2.1 测试场地

测试场地全线长为8 630.419 m，测试列车的最高运行速度达到140 km·h-1。全线均配备城市轨道交通所需要的所有通信信号系统、牵引供电系统、基础电力基站以及指挥管理系统等，可以全面真实地模拟出城市轨道交通运行可能遇到的各种真实环境情况[6]。

2.2 频段选择

现阶段，900 MHz 频段的GSM-R 铁路专用频段已经难以支持LTE 的宽带数据移动业务。因此，可针对无线网络投放地区情况，申请使用城市专网TD-LTE 频段，如1 447～1 467 MHz 的固定移动用户频段和1 785～1 805 MHz 的行业专网频段以及5 850～5 920 MHz 的TD-LTE 可接受频段[7]。因现阶段5.9 GHz频段的通信技术应用还不太成熟，其空间传输所需功耗过大且应用在城市轨道交通无线通信领域的硬件设备缺失，所以现阶段较适合于LTE 技术的城市轨道交通频段只有1.8 GHz 和1.4 GHz 两种选择。目前，我国1.8 GHz 频段基本上已经覆盖郑州、乌鲁木齐、呼和浩特以及兰州等城市的轨道交通，相对于1.4 GHz 频段而言，1.8 GHz更适合LTE 城市轨道交通的无线通信网络。因此，本次测试选用1.8 GHz 频段作为LTE-M 系统的测试工作频段。本此测试试验均围绕1 785～1 805 MHz 频段展开。LTE 分为A 网和B 网，A网主要负责综合承载，B 网只承载基于通信的列车自动控制（Communication Based Train Control，CBTC）业务。A 网频段为1 785～1 800 MHz，B网频段为1 800～1 805 MHz。因1.8 GHz 频段现已投入北京政务网中使用，因此本试验政务网的干扰属于不可避免的因素，应当在系统设计时着重考虑这一干扰因素。

2.3 系统抗干扰能力的设计与对策

因测试的城市轨道交通无线通信网络使用1.8 GHz 频段，因此LTE 网络受到的主要干扰是政务网信息干扰。因轨道交通的无线通信只需要在轨道交通沿线处覆盖LTE 无线信号，所以可结合轨道交通的线路特点与实际工程应用等角度采取干扰规避措施。先提出两种防干扰的抑制策略。

第一，全线使用漏缆进行覆盖。因漏泄同轴电缆拥有信号传输能力，同时还拥有天线功能，可利用对外导体的开口实现控制，并将受控的电磁波以能量的方式沿线路均匀辐射传播出去，并以同样方式实现接收，所以可实现对整个无线通信电磁场盲区的全面覆盖。轨道交通线共布置4 条漏缆，均沿轨旁离开车载天线约1.7 m 位置进行布置。单侧双漏缆的设计方式不仅可以抵御外界干扰，同时还能够通过MIMO 的特性提升车地无线通信网络的链路传输性能。

第二，将车载天线设置在车顶，利用车身的屏蔽性能降低干扰。

2.4 测试网络的方案设计

上述试验检测所构建的基于城市轨道交通的LTE 系统均使用A、B 网冗余组网方式。A、B 网共同作为系统承载能力测试的网络进行相关业务的处理。其中，A 网使用带宽为15 MHz，需要承载CBTC 业务数据、PIS 图像信息（包括紧急文本）数据、列车运行状态数据以及车载闭路电视（Closed Circuit Television，CCTV）监控图像数据等数据的传输；B 网带宽设置为5 MHz，主要负责对CBTC业务下的常规信息数据与紧急文本信息的承载。

上述网络结构均涵盖核心网（Evolved Packet Core，EPC）、车载无线（Train Access Unit，TAU）、基带处理单元（Base Band Unit，BBU）以及射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）。其中，BBU需要利用以太网方式与两套LTE 核心网设备实现直接接入，然后利用光缆方式连接到轨道的RRU设备。系统的区间段主要使用RRU+漏泄同轴电缆实现交通线的全覆盖，进而降低来自其他无线通信环境的同频段干扰。在模拟试验测试列车的车头与车尾分别装入车载接入单元TAU，通过TAU的方式实现车载交换机与车载应用设备的连接，从而实现CBTC、PIS 及CCTV 等业务的网络接入，并完成不同协议业务间的隔离和自身对网络安全的需求。其中，安装在车头的TAU 带宽只需设计为5 MHz，因其只承担CBTC 业务的传输，而安装在车尾处的TAU 装置则需要承担CBTC、PIS、CCTV以及其他业务数据的传输。

在实际测试之前，还需要在试验线轨旁设置9个RRU（RRU 数量可根据实际轨道长度决定），相邻两个RRU 间的距离需控制在1 km 左右。为使LTE 系统满足列车各项系统功能的需求，还需要对BBU 间的切换延时与传输性能进行测试。因此，需要在A、B 组网处分别设置2 台BBU，目的在于增加切换次数，而RRU 需要交叉接入对应的BBU，从而使车载无线终端在经过每一处RRU 装置时可产生1 次BBU 间的切换，进而达到增加测试样本数的目的。

3 测试结果与分析

3.1 传输性能测试

对LTE 系统的传输性能测试主要涵盖传输和切换的延时测试与数据传输丢包率和吞吐量等检测。因在LTE 无线通信系统中，轨道交通无线通信地面设备与列车车载的TAU 时钟并不处于完全同步状态，所以在进行一些数据传输和切换的延时检测时需要严格注意环回延时情况而并非单向传输的延时。LTE 系统传输延时概率分布如图1 所示。

由图1 可知，无线通信系统的传输延时均集中在开始传输后的10 ms 区间，平均传输延时约为11.5 ms，远低于CBTC 业务对QoS 需求150 ms 的规定，且传输延时在20 ms 以下的概率接近100%。

图1 传输延时概率分布

切换延时概率分布如图2 所示。切换延时与传输延时不同，切换延时因操作问题并不集中在数据传输的某一固定值附近，总体呈分布变化形态。

图2 切换延时概率分布

图2 中，平均切换延时为30 ms，同样远低于CBTC 业务对QoS 150 ms 的需求，并且切换延时在45 ms 以下的概率接近100%。图1 和图2 为列车驻留在某试验小区内的模拟情况，其信干噪比（Signal to Interference Noise Ratio，SINR）与下行速率的变化如图3、图4 所示。

图3 单小区下行信干噪比

图4 单小区下行吞吐量

由图3 可知，在绝大部分时间里，SINR 的值均大于10 dB。对于网络的下行速率而言，除列车位于小区边缘的特殊情况外，其实际速率值均能够控制在20 Mb·s-1左右。图3 中单小区下行信干噪比SINR 的实际带宽为15 MHz，此时无线通信网络的上、下行吞吐速率概率分布如图5、图6 所示。

图5 上行吞吐量概率分布

由图5、图6 数据可知，无线通信系统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。

图6 下行吞吐量概率分布

整个测试环节只出现少量丢包现象。在测试系统丢包时，整个测试过程并没有出现丢包现象。

3.2 综合承载性能测试

在对LTE 系统进行综合承载性能测试之前，应当明确测试所涵盖的业务。例如，在本次试验中，为研究PIS/CCTV 业务对无线通信系统下CBTC 业务的传输性能影响，应当对基于LTE 技术构建的无线通信系统承载CCTV、PIS 以及TOSM（Through Open Short Match）等业务时对CBTC 业务数据传输情况的影响进行测试，即重点监测传输延时和切换延时的误差情况。因PIS 与CCTV 业务在我国城市轨道交通无线网络下的数据传输要求速率分别为4 Mb·s-1和2 Mb·s-1，所以在试验中将2 套CCTV和1 套PIS 设备同时接入LTE 网络，并同时采用IxChariot 测试工具模拟双路CBTC 业务流量流经LTE 无线网络的情况，以一次全流量数据传输为一次循环，共进行100 次循环模拟测试，测试结果如图7 和图8 所示。

图7 综合承载业务传输延时的概率分布函数

图7 和图8 分别为LTE 系统对综合承载业务能力测试的传输延时和切换延时。其中，传输延时能够控制在100 ms 以下，切换延时可被控制在50 ms 以下。因此，可认为LTE 技术构建调度算法可以承担轨道交通对无线通信各项业务的承载要求，使PIS/CCTV 业务的开展可以有序进行，即PIS/CCTV业务不会对CBTC 业务的相关数据传输产生影响。

图8 综合承载业务切换延时的概率分布函数

4 结语

本文借助北京市城市轨道交通19 号线的LTE无线通信网络设计对LTE 系统应用效果进行探究。从测试结果可知，LTE 技术能够有效提高城市轨道交通无线通信系统的信息传输能力，其数据上下行的传输能力可分别达到17.2 Mb·s-1和19.4 Mb·s-1，并且在高速数据传输过程中即整个测试丢包过程中并未出现丢包现象。测试LTE 系统的承载能力时，针对LTE-M 系统实际承载CBTC、CCTV、PIS 及TOSM 的情况进行模拟测试，结果证明在100 次循环测试中传输延时均可被控制在100 ms 以下，切换延时可控制在50 ms 以下，由此可证明LTE 系统能够为城市轨道交通提供更加高效的信息传输。希望通过上述分析，能够为进一步加快LTE-M 系统在我国各城市轨道交通中的使用提供参考，为全面推进LTE-M 技术规范测试应用提供指导帮助。