基于5.9GHz的TD－LTE的城市轨道交通通信系统测试研究

蒋海林， 赵红礼， 朱 力， 唐 涛

（1.北京交通大学 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）

随着城市轨道交通的快速发展，车－地间的无线通信业务也越来越多。通信系统包括：传输列控信息CBTC （Communications Based Train Control）车－地通信系统、列车工况的列车运行状态监测系统、列车司机与主控室和站台人员通话的列调系统、用于实时监测列车内安全CCTV（Closed Circuit Television）闭路电视监控系统以及向乘客提供信息广播和服务PIS（Passenger Information System）乘客信息系统等等。

目前的城市轨道交通车－地通信系统大多数采用工作在2.4GHz频段的 WLAN（Wireless Local Access Network）技术，面临越来越严重的同频干扰问题，深圳地铁曾多次发生因为2.4GHz干扰严重导致列车紧急停车的现象。同时，北京新机场线的地铁列车最高时速达到了140km／h，基于WLAN的车－地通信技术也很难满足速度超过120km／h的列车车－地通信的需要［1］。为解决同频干扰、通信的高速适应性以及多种业务的综合承载问题，北京地铁建管公司、北京交通大学、北京全路通信信号研究设计院及华为公司在北京地铁环形道中国铁道科学研究院国家环形铁道试验线进行测试，测试5.9GHz频段的TD－LTE系统承载CBTC、PIS、CCTV和列车运行状态监控等综合业务的传输性能。

5.9GHz频段指5.85～5.925GHz频段。美国联邦通信委员会已经正式将5.9GHz频段批准用于专用短程通信，主要用作智能交通系统中的车－地和车－车通信。欧洲电信标准委员会ETSI（European Telecommunications Standards Institute）建议将5.905～5.925GHz用于 CBTC的安全业务，而将5.855～5.875GHz用于智能交通系统ITS（Intelligent Transportation System）和CBTC的非安全业务，并预留5.925～5.945GHz作为未来城市轨道交通的扩展业务［3］。2002年7月，我国的无线电管理部门开放了5.725～5.850GHz频段。但是5.850GHz～5.9GHz频段目前没有开放，因此可以作为城市轨道交通专用频段使用。

城市轨道交通的传输媒介则包括无线自由波、漏泄波导［2］和漏泄电缆3种传输方式。由于5.9GHz频段较高，市场上还没有用于此频段的漏泄电缆产品。在本次现场测试中，采用的传输媒介包括漏泄波导和无线自由波两种，根据两者的传输损耗不同，两种传输媒介组网时，LTE基站的间隔也不同。

本文将TD－LTE用于城市轨道交通车－地通信系统中存在的问题，和本次现场测试的测试环境和网络结构，然后说明本次测试的测试内容和测试用例并分析本次测试的结果并进行讨论。

1 TD－LTE简介

长期演进LTE（Long Term Evolution）是基于正交频分复用技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple），由第3代合作伙伴计划3GPP（3rd Generation Partnership Project）组织制定的全球通用标准。TD－LTE是我国拥有核心自主知识产权的国际通信标准技术。作为一种先进的无线通信技术，LTE技术在设计时考虑了满足高吞吐率的需求，在20 MHz频宽组网情况下，峰值速率下行可达100Mbit／s，上行可达50Mbit／s。同时采用扁平化架构，降低控制和用户平面时延。

相比WLAN无线传输技术，LTE传输技术有完善的服务质量QoS（Quality of Service）传输管理策略设计，同时在数据链路层也采用了区别于WLAN自由竞争的接入策略，专门设计了控制平面和信令处理多用户接入中出现的各种问题，因此数据传输稳定性较WLAN技术有较大的提升。但将商用LTE系统应用在城市轨道交通车－地通信系统中仍有一些技术问题尚待解决。

（1）信息传输的高可靠性和实时性问题。商用LTE网络为普通的用户服务，重点关注系统的容量、用户的接入成功率等问题，对数据传输的可靠性和实时性的要求不高。而城市轨道交通车－地通信系统需要传输CBTC、列车运行状态监测、CCTV、PIS等业务数据，对传输的可靠性和实时性都有很高的要求，CCTV和PIS视频业务还要求很高的传输吞吐量。现有的商用LTE系统要承载这些业务，必须重新设计现有的接入算法、切换算法、信令传输算法等，并进行网络优化，才能满足城市轨道交通车－地通信的要求。

（2）同频干扰下的性能问题。现在商用LTE技术采用同频组网技术，相邻小区使用相同的频率，这样不可避免在相邻小区间造成较大的同频干扰，导致通信性能下降。城市轨道交通的安全相关业务对通信的可靠性和实时性要求很高，因此必须研究系统内同频干扰和系统间同频干扰对车－地通信性能的影响，采取针对性的算法，研制相应的设备，提高系统性能，增强系统的可用性。

（3）城市轨道交通环境下的工程化问题。城市轨道交通车－地通信存在高架、地面、隧道和车辆段等多种运行环境，不同的运行环境无线信道的特点差别很大。例如在隧道内无线信号覆盖和地面差别很大，通常采用漏泄电缆或漏泄波导等特殊传输媒介传输无线信号，以保证覆盖的均匀性，而车辆段的无线覆盖则通常采用无线天线覆盖的方式以节省成本。LTE通信系统的1个显著的技术特点是采用多天线技术MIMO（Multiple Input Multiple Output）以提升系统的容量和传输的可靠性。但是漏泄波导等特殊传输媒介限制了多天线技术的使用。因此必须在城市轨道交通的车－地通信环境中研究TD－LTE系统的工程化问题，找到最佳的工程化解决方案，以达到系统的设计目标。

2 测试环境及测试内容

为了进一步验证LTE技术运用于城市轨道交通车－地综合承载业务的可行性，测试基于LTE的车－地综合通信系统在实际环境中的性能，判断其是否能够满足当前城市轨道交通车－地综合承载业务的需求，项目组开展了在中国铁道科学研究院东郊分院进行试验段测试。试验段测试在真实的电磁环境中，采用工程实施的组网结构，验证LTE系统在城市轨道交通车－地无线通信综合承载的可用性。

试验段测试地点在环形铁道试验中心，中心位于朝阳区东北五环见图1，其中的城市轨道交通试验线是我国唯一1条用于试验和检验城市轨道交通装备的综合试验线。城轨试验线正线长8 631.419m，最高运行速度140km／h。高架桥长785m，采用T型梁，局部设75mU型梁用于相关测试。隧道长925m，其中矩形断面513m，两端为U型槽。并且试验线建设了城轨试验所必需的通信信号系统、电力及牵引供电系统和管理指挥系统等基础建设。因此，环行线能够全面地模拟城市轨道交通运行的各种真实环境，十分适合本次LTE试验测试。在本次测试中，由于5.9GHz的射频拉远单元RRU（Radio Remote Unit）数量的限制，无法覆盖全部环行线，仅在环形线的部分区段上进行了测试，轨旁安装的5.9GHz漏泄波导见图2。

图1 环形铁道城市轨道交通试验线

环行线试验段测试所构建的TD－LTE系统采用A、B网组网方式，承载不同的业务数据，A、B两个网单独分别进行测试。A网采用15MHz带宽，频率范围为5.88～5.895GHz，承载CBTC业务信息、列车运行状态信息、车载CCTV监控信息和PIS信息（含紧急文本）等业务；B网采用5MHz带宽，频率范围为5.885～5.89GHz，承载CBTC业务信息和紧急文本信息。

图2 轨旁安装的5.9GHz漏泄波导

测试中限于现场的条件，仅仅使用了1辆列车进行测试。城市轨道交通系统实际运营情况下1个RRU下接入上下行方向各1辆列车，因此1个用户的场景和实际情况差别不大。并且，受实际测试车辆条件限制，车速无法超过80km／h，因此实验中也未对列车高速运行下的车－地通信性能进行测试。

环行线试验段测试包括LTE传输性能测试、综合承载传输性能测试、设备稳定及其它测试，具体的测试内容包括传输时延、切换时延、丢包率、上下行的吞吐量等城市轨道交通车－地通信业务包括CBTC、CCTV、PIS和列车运行状态信息业务。每个CBTC业务流的数据包大小为400Byte，发送周期为100ms，最多产生4路业务流。列车运行状态信息采用业务模拟软件生成，文本大小为400Byte，速率为100kbit／s。

CCTV系统加载2路2Mbit／s或1Mbit／s的监控视频模拟数据。PIS业务加载1路2Mbit／s到4 Mbit／ss的视频模拟数据。所有业务都通过IxChariot软件模拟产生。各种业务的QoS要求见表1。

表1 城市轨道交通车－地通信业务的QoS要求

LTE系统是信息的传输通道，对所承载的业务信息透明传输，测试时可以采用统一的脚本进行业务数据模拟。

CBTC系统的模拟数据发送间隔取最小的为100 ms，数据包大小取最大的400Byte。列车运行状态监测信息的速率为100kbit／s。CCTV业务采用实际设备，每路摄像头传输速率设为1Mbit／s或2Mbit／s。PIS业务采用实际设备，传输速率设为2Mbit／s或4 Mbit／s。

3 测试网络架构及参数配置

3.1 网络架构及参数设置

5.9GHz TD－LTE现场测试网络架构见图3。LTE的核心网设备、基带处理单元BBU（Base Band Unit）和PIS，CCTV服务器安装在控制中心。RRU设备安装在轨旁，车载子系统则包括车载终端TAU（Terminal Access Unit）、模拟的车载信号设备和摄像头等PIS／CCTV设备。隧道、U形槽、高架区段通过漏泄波导进行覆盖，地面通过无线自由波进行覆盖。连接漏泄波导的RRU间的距离大约为800m，连接无线自由波天线的RRU的距离约380m。全线共安装4个BBU，12个RRU设备。

图3 5.9GHzTD-LTE现场测试网络架构

在列车的头部和尾部分别安装了2个天线，其中1个平板天线安装在车底部，用于收发通过漏泄波导传输的信号，另1个天线安装在车的顶部，用于收发通过无线自由波传输的信号。两个天线通过功分器连接，增益均为10dBi。测试中的TD－LTE相关参数见表2。

表2 TD－LTE测试相关参数

3.2 QoS参数配置

LTE系统对应不同的服务质量（延时、丢包等）要求，定义了9个服务质量类别标识QCI（QoS Class I－dentifier）［4］，系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度，其优先级越小者优先保障资源分配和调度。

在城市轨道交通车－地通信系统中，系统需要根据不同业务的优先级和服务质量（延时、丢包等）要求，进行不同的参数配置，并映射到不同的QCI类别上，以保障不同业务的优先级别。在本次测试中，各业务的优先级和服务质量（延时、丢包等）定义见表3。在所测试的TD－LTE系统中，将列控CBTC信号承载业务的优先级设置为1，即系统中的最高优先级。车厢的CCTV视频监控回传，PIS多媒体流的业务定义，也标示在表3中。

表3 各种业务的QoS配置表

3.3 切换参数及视频缓存设置

在城市轨道交通车－地通信系统中，列车在轨道上快速移动，经常会出现在小区的边缘切换带。小区边缘切换带的信干噪比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）较低，通常传输速率是最低的，因此有必要单独计算列车在小区边缘的传输速率，以掌握此时LTE通信系统所能满足的业务传输速率要求。计算LTE小区的边缘速率时，作如下假设：

（1）列车最高车速为80km／h，即22.2m／s；

（2）假设传输媒介为漏泄波导，漏泄波导损耗为4 dB／100m；

（3）切换参数A3 offset（偏置）＝2dB，滞后门限 Hysterisis＝1dB［5］。

假设较恶劣环境下，切换带的交叉点最低点为0dB，即假设邻小区干扰功率和本小区功率相同，见图4。

图4 切换带的计算

首先计算切换带的大小。发起切换前，终端的测量周期一般为200ms左右，滤波的周期为60ms左右，网络侧发起RRC连接重配置的时延为100ms，终端上报RRC连接重配置完成的时延为100ms左右，考虑40ms裕量，切换从开始测量到完成切换整个过程需要500ms。

由切换A3事件的偏置为2dB和滞后门限1dB，漏泄波导的损耗为4dB／100m，可以计算得到这一段对应的交叉点后的单边切换距离长度LHO为100×3／（4×2）＝37.5m，列车运行时间为1.7s。加上切换执行过程的时延0.5s，列车在交叉点后的单边切换带的停留时间为2.2s左右。

当SINR值为0dB时，小区所能提供的上下行吞吐量难以满足PIS下行6Mbit／s和CCTV上行4 Mbit／s传输速率的要求。因此，对于PIS等视频业务，在接收端对视频业务缓存2.2s左右的数据，这样即使在这种极端情况下出现流量急剧下降，也可以保证用户的使用不受影响。

但在具体实现上，通信设备供应商在进行小区配置时，均采用小区间干扰协调技术ICIC（Inter－Cell Interference Coordination），这样相邻小区尽量不调度相同位置的时频资源，从而避免接收信号的SINR值过低。在ICIC开启时，系统的吞吐量通常有20%～40%的增益。

4 测试结果

4.1 场强覆盖情况

采用罗德与施瓦茨公司的场强仪ESPI7测试5.9 GHz的LTE系统的场强覆盖情况。扫描场强时LTE系统工作在A网，即工作在5.88～5.895GHz。场强仪的扫描频率范围为5.887～5.888GHz，即扫描中心频率1MHz带宽内的接收信号功率。这是因为TDLTE的同步信道和广播信道所占用的物理资源为中心频率附近的6个资源块RB（Resource Block），其带宽为1.08MHz且周期发送，统计这个频带的接收信号功率较为准确。场强仪通过电脑进行远程控制，扫描的时间间隔为1.2ms左右，在统计的时候，根据文献［6］的采样准则，取40个波长内采样值的算术平均作为场强的局部平均值。同时GPS接收机与同一台电脑相连，以获得列车的实际运行位置。

分别接漏泄波导和无线自由波天线时的接收信号功率见图5。可见，无线自由波的信号衰减基本与距离的平方成反比，这是因为无线自由波天线与轨旁安装天线间存在较为明显的直射径。而漏泄波导的衰减基本是4dB／100m左右。无线自由波的衰减速度明显高于漏泄波导。

图5 漏泄波导和无线自由波的无线接收信号

值得注意的是，图5中显示的是1MHz带宽内的接收信号功率，不是LTE系统常用的参考信号接收功率指标。LTE系统的参考信号RS（Reference Signal）的带宽为15kHz，考虑RS符号上3dB左右的功率提升，将接收功率Pr换算成RSRP为

式中：RSRP为接收功率。

从图5中可见，小区边缘的RSRP基本在－95～－97dBm之间。通常公网的LTE系统网络规划城区的RSRP不低于－100dBm［7］，本次测试的接收功率值能满足公网的覆盖要求，但对于承载安全相关业务的城市轨道交通车－地通信系统系统，此值偏低。

4.2 传输时延和切换时延

A网系统中仅承载CBTC业务时，测试得到的CBTC业务的传输时延的概率密度和累计分布函数见图6（a）和6（b）。由图6可见，大部分的传输时延集中在10ms左右，传输时延低于25ms的概率接近100%，绝大部分业务的传输时延（超过99%的概率）满足CBTC业务不高于100ms的要求。

图6 CBTC业务的传输时延特性

A网系统中仅承载CBTC业务时，测试得到的CBTC业务的切换时延的概率密度和累积分布函数见图7（a）和7（b），由图7可见，切换时延集中在40ms内的分布较多，切换时延低于57ms的概率接近100%，最大切换时延不超过60ms，远远低于CBTC业务不高于100ms的要求。

图7 CBTC业务的切换时延特性

4.3 吞吐量

在吞吐量测试中，用软件来模拟数据业务源的发送。由于TD－LTE系统承载的业务类型和数量有限，在模拟业务源发送数据时，并不是满速率发送，而设定其发送速率为20Mbit／s。测试得到系统带宽为5 MHz和15MHz时的上行和下行吞吐量见图8。可见，5MHz带宽时，上行的平均吞吐量为3.8Mbit／s左右，下行的平均吞吐量为7.5Mbit／s左右。在15 MHz带宽时，上下行的平均吞吐量分别为11.6Mbit／s和19.5Mbit／s左右。

4.4 丢包率

在本次测试过程中，系统的丢包率为0.05%左右，远远低于CBTC业务不高于0.5%的要求。这是因为网络的SINR值一直保持在5dB以上，传输的过程几乎不发生差错。

图8 不同频宽时上下行吞吐量概率密度曲线

4.5 传输综合业务时CBTC业务的传输时延和切换时延

在进行承载综合业务的CBTC传输时延和切换时延测试时，在15MHz的LTE网络中接入1台真实的PIS设备和2台CCTV设备。其中PIS设备下行发送，速率为4Mbit／s，CCTV业务上行发送，速率为2Mbit／s。在测试的过程中，CCTV和PIS的图像视频平稳清晰无抖动，质量很好。

图9 承载CBTC业务和承载综合业务时的传输时延和切换时延概率密度曲线

图10 传输时延和切换时延平均值比较

测试得到的传输时延和切换时延见图9（a）和9（b）。可见，进行综合业务传输时，CBTC业务的传输时延和切换时延受到的影响很小，平均值仍然在14 ms和30ms左右。与仅传输CBTC业务时的传输时延和切换时延进行比较，得到图10。可见，传输综合业务时，CBTC的平均传输时延有所增加，从11.6ms增加为14.6ms左右，但是平均切换时延反而有轻微下降，从33.5ms降为32.1ms左右，这说明 TD－LTE系统的调度算法在传输多种业务时，有效保障了CBTC业务的可靠传输。

5 结束语

本文对5.9GHz频段的TD－LTE承载城市轨道交通综合业务的通信性能的现场测试进行了介绍，测试中车－地通信的传输媒介包括漏泄波导和无线自由波，承载的业务包括CBTC、PIS、CCTV和列车运行状态监测业务。测试结果表明：

（1）5.9GHz漏泄波导的传播特性优于无线自由波。

（2）TD－LTE系统的传输时延以接近100%的概率小于25ms，切换时延以接近100%的概率小于57 ms，均远低于CBTC业务最大100ms的传输时延要求。TD－LTE系统的车－地传输丢包率为0.05%，远低于CBTC业务0.5%的指标要求。

（3）所测试的TD－LTE系统在承载综合业务时，能保证CBTC业务的业务质量。但5.9GHz的LTE设备射频功率偏小，信号衰减快，通过无线自由波进行传输时，对于LTE网络的覆盖和设计造成了挑战，需要在实际工程中进一步完善设计，以保障无线信号的覆盖和传输质量。

参考文献：

［1］蒋海林.R＆S信道仿真器用于城市轨道交通CBTC测试的研究［J］.国外电子测量技术，2010，29（4）：1－5.JIANG Hailin.Application of R＆S Channel Simulator in CBTC Test in Urban Rail Transit System［J］.Foreign E－lectronic Measurement Technology，2010，29（4）：1－5.

［2］王洪伟，蒋海林，漏泄波导在CBTC车地通信系统中的应用研究［J］.铁道学报，2013，35（2）：44－50.WANG Hongwei，JIANG Hailin.Research on Application of Leaky Waveguide in CBTC Train Ground Communication［J］.Journal of the China Railway Society，2013，35（2）：44－50.

［3］ETSI.Technical Report TR 103，Spectrum Requirements for Urban Rail Syste ms in the 5.9GHz Range［S］.France：ETSI，2014.

［4］3GPP.Technical SpecificationTS23.203 8.15.0：Policy and Charging Control Architecture［S］.Valbonne France：3GPP，2014.

［5］3GPP.Technical Specification TS36.331 8.10.0：Radio Resource Control（RRC）；Protocol Specification［S］.Valbonne，France：3GPP，2014.

［6］WILLIAM C Y L.Estimate of Local Average Power of a Mobile Radio Signal［J］.IEEE Transaction on Vehicular Technology，1985，34（1）：22－27.

［7］王芳，袁建涛，马军.TD－LTE路测常用参数分析［J］.电信快报，2012（7）：42－44.WANG Fang，YUAN Jiantao，MA Jun.Analysis of Commonly Used Parameters in Drive Test in TD－LTE［J］.Telecommunication Express，2012（7）：42－44.