基于TD-LTE的高速铁路宽带通信系统集成测试

2013-05-09北京全路通信信号研究设计院有限公司北京100073

铁路通信信号工程技术 2013年1期

卢鑫华尧（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073)

在信息大爆炸的今天，人们无时不刻接收海量的信息，随着我国高速铁路的快速发展和各种电子设备的普及，越来越多的旅客随身携带笔记本电脑，智能手机，智能平板电脑等移动网络设备，有在列车上即时通信和高速上网的需求。特别是近年来开通的高速铁路各条干线给车地通信带来多普勒频偏大，列车车体损耗大等切换频繁等问题，导致语音通信的质量下降和数据传输速率降低。如何为速度超过300 km/h的高速列车提供顺畅的无线通信，满足旅客通信需求是亟待解决的问题。

目前在国内高速铁路上应用的无线通信系统为GSM-R系统，GSM-R系统是在GSM基础上专门为铁路所设计的，GSM-R网络在GSM蜂窝系统平台上增加了多种铁路业务和适合高速环境下使用的条件，目前能满足铁路上对无线通信的需求。但是GSM-R系统是窄带通信系统，每个连接只占用200 k H z频率上的1/8时隙，在高速移动环境下的通信性能和频谱利用率都比较低，频繁的切换也会导致通信中断。最重要是后续旅客的无线通信需求主要集中在宽带数据业务，而GSM-R系统分配给铁路专网的频率带宽有限，很难满足宽带业务的要求。以我国GSM-R系统为例，分配的频率带宽仅有4 M H z，频率资源不足的问题也就成为制约GSM-R提供宽带业务的主要因素。随着数据业务快速发展并逐步取代语音业务，单纯的电路交换数据业务已经不能满足丰富数据业务的需求，在GSM-R基础上的GPRS技术在铁路上也得到广泛的应用。但是其本身仍然存在一些缺点，丢包与传输速率低，抗干扰能力差，存在转接延时，其本身仍难满足数据业务增长的需求。

从目前已存在的国际和国内列车无线通信系统的发展现状来看，目前应用的系统还不能充分满足高速铁路对宽带无线通信在移动速度、可利用带宽、系统兼容性和稳定性等方面的要求。随着4G技术发展和LTE商用网络的大规模部署，LTE系统在铁路上部署也变成了大势所趋。因此，高速铁路上的TD-LTE宽带通信系统与目前已有的高速铁路通信系统相比具有支持更高移动速度、更高数据传输速率、接入与传输延时低、更高的系统兼容性的先进性特征，是无线通信系统未来建设的方向。

卢鑫，男，硕士毕业于清华大学。助理工程师，项目工程师。主要研究方向包括：高速铁路列车控制系统安全平台的研发，适用于轨道交通宽带无线通信系统研发和测试等方面，曾参与过“863”，国家科技重大专项等项目，发表EI检索的论文一篇，发明专利两项。

本文以TD-LTE系统在高速铁路环境上的实验室测试验证为背景，在完成TD-LTE系统的基础上，探讨搭建系统集成测试实验室，完成系统集成测试的相关内容。

1 系统集成测试

为了对TD-LTE关键设备的研发和系统集成提供测试和验证的支持，需要在TD-LTE各自子系统的设备完成子系统功能和性能测试的基础上，集成各个子系统构成TD-LTE整体的样机系统。同时搭建集成测试平台，对样机系统的业务传输性能进行测试和验证，在覆盖所有应用场景下，对语音、视频、数据、视频监控等业务的传输性能进行测试，验证TD-LTE样机系统承载业务的能力。样机系统除了提供TD-LTE系统内部用户之间的无线通信外，还需要满足TD-LTE用户与2G/3G/In ternet网络用户的互通测试。通过测试TD-LTE系统与其他网络业务呼叫的能力，验证TD-LTE系统的互通性能。

系统集成测试研究从以下3方面展开，测试方法的研究，集成测试环境设计和测试内容和测试关键指标的记录和分析。

1.1 测试对象和方法

TD-LTE样机系统主要包含地面网关子系统、车载子系统、地面接入子系统、网管与运营维护子系统。

样机系统实物互联如图1所示，主要包括设备有：核心网设备MM E、S-GW/P-GW、HSS设备各1台，接入网设备eN od eB基站2台（每台包括1台BBU，2个RRU），车载电台1套，传输设备、电源设备、网管系统各一套。车内分布式覆盖系统，包括车载路由器1台、车载网关1台，车内2G微型基站1台、车内3G微型基站1至3台（包含3种标准制式）、W IF I接入点1台，标准路由器2台、视频监控设备1套、2G、W IF I终端各一台，3G终端1至3台，2G、3G终端模型各一套。

完成子系统专项测试后，在确保子系统能达到互联互通的前提下进行系统的集成测试，集成测试根据样机系统的总体方案的需求，制定TD-LTE测试需求规范，进一步制定TD-LTE测试规范，测试规范覆盖了系统测试需求规范中所有可测的测试需求，通过系统测试，所有可测的系统需求都能证明被测试案例所实现。

集成测试流程主要包括：测试计划，测试设计，测试执行，测试记录与缺陷的跟踪，回归测试，测试报告，测试过程中需求变更。

1.2 测试环境设计

测试环境基于TD-LTE实验室环境，包含上述的设备以及各种仪器仪表，测试环境需要建立测试案例管理子系统，实现基于Doo rs、Ch an ge的TD-LTE测试案例管理，开发系统性能测试软件，实现系统性能的部分自动配置与测试，实现各个测试子系统间的同步，记录运行监测子系统采集的监测数据与测试结果。

测试环境如图2所示，分为系统性能测试主引擎、系统性能测试分引擎、业务模拟子系统、无线电磁环境模拟子系统、运行监测子系统5部分。

1）系统性能测试主引擎对整个测试的需求、案例、过程、结果进行管理，完成测试案例与测试指令的转换，并控制测试环境的运行、停止、同步等功能。

2）系统性能测试分引擎负责解析测试指令，并生成配置数据，分发给对应的执行层模块。同时收集测试产生的中间与最终结果并分析测试结果，在界面上显示测试结果，并能够生成最终的测试报告。

3）业务模拟子系统根据分引擎的配置数据，对TD-LTE系统的加载业务进行配置，确保测试环境满足配置要求，并实现加载业务与业务性能统计。

4）无线电磁环境模拟子系统根据分引擎的配置数据，对TD-LTE系统的无线环境进行配置，确保测试环境满足配置要求。

5）运行监控子系统主要负责收集在测试过程中产生的射频信号、协议信令数据，记录下来并发给分引擎，并完成监控结果的统计，以及监控数据出现故障的原因初步分析。

测试环境所包含的硬件设备和环境如下。

1）程序服务器1台，带两块千兆网卡，支持W indow s xp操作系统，安装SQL Server2008数据库。

2）无线电磁环境模拟仪及其上位机，无线电磁环境模拟仪上位机安装W indow s XP操作系统，具有以太网连接。

3）具有TD-LTE系统射频、协议、性能解析功能的矢量信号源、频谱分析仪与信令分析仪，能够使用远程控制接口完成设备远程控制、监控与结果收集。

测试环境运行总体流程如下。

1）系统性能测试主引擎录入测试，完成测试案例与测试指令的转换，发起测试。

2）系统性能测试分引擎读取测试指令，并根据测试指令类型，分发给业务模拟子系统、运行监控子系统与无线电磁环境模拟子系统。

3）业务模拟子系统、运行监控子系统与无线电磁环境模拟子系统根据测试指令完成业务模拟、无线环境模拟的配置。人工完成被测TD-LTE设备的配置。

4）启动测试，由业务模拟子系统收集业务统计结果，运行监控子系统实时观测射频、协议层的故障，并返回给系统性能测试分引擎。

5）系统性能测试分引擎完成测试结果的收集与存储。

6）离线状态，可以对测试结果进行查询和展示，并根据要求生成测试报告。

1.3 测试内容与分析

完成了测试方法的研究和测试环境的搭建，样机系统进行主要的测试内容如下。

首先进行LTE网络基本性能测试，测试在不包含车载子系统情况下，传输数据业务并测试其传输性能，主要目的是验证TD-LTE网络本身能否满足基本的功能要求。

接着加入车载子系统，进行样机系统端对端业务承载能力的测试。完成承载2G/3G/Internet/视频监控系统的各种业务的基本业务指标测试，验证样机系统能够进行各种业务的端到端传输。

进行单用户测试，即在一个车载电台承载下，多个2G/3G/In ternet用户接入网络、验证传输的性能；

进行网络汇聚与差分处理能力测试，在单用户条件下，验证不同业务类型/网络终端共享传输信道时， TD-LTE网络是否能够区分业务类型，并进行相应的QoS差分处理，满足所有接入业务的QoS需求；

进行多用户测试，使用两个车载电台承载业务，验证在不同列车之间共享无线信道时，系统的QoS保证、切换以及接纳控制能力。

进行车厢内外的网络切换和与2G系统的互通测试，验证TD-LTE系统与2G系统的互操作能力。

测试需要遍历在不同信道条件下，不同的加载和加干扰情况下系统的性能。记录上下行峰值速率，控制面时延，用户面时延，不同M IM O配置下吞吐量，切换时延，LTE网络承载各种业务的性能测试，单车载电台下网络性能，多车载电台下网络的性能，多用户切入和切出场景下切换成功率和切换时延，网络承载的用户数，车厢覆盖微基站与公网宏基站切换性能，与GSM-R系统的互联互通性能。

2 测试后处理工作

在以上工作完成基础上，需要制定测试方案，细化测试过程，科学制定验收标准，进而完成样机系统集成测试。通过样机系统集成测试的结果。将测试结果进行分析，提出在系统设计中存在的尚未针对高速铁路环境适配的技术问题，反馈给设备研发单位，推进设备研发的改进。在改进的设备版本集中采用回归测试的方法进行设备验证，减少未受到研发改进影响的测试项的重复测试。

同时，结合高铁建设、设计、规划等开展应用示范。可以针对某条高速铁路的TD-LTE试验网设计、集成方案在实验室环境进行仿真验证，部署与设计方案数量一致的基站和基站模型，并加载与现场环境一致的业务、无线环境模型，从系统级角度验证试验网的设计、集成方案的有效性，为下一代宽带移动通信网络在高速铁路上的大规模应用奠定基础。