基于 LTE 的车地通信系统承载 PIS 和CCTV 业务能力研究

2018-11-23谢帅虎霍晓峰宋传旺张守芝

现代城市轨道交通 2018年11期

谢帅虎，李杰，霍晓峰，宋传旺，张守芝，董瑛，刘栋

（1. 青岛理工大学信息与控制工程学院，山东青岛 266520；2. 青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266000；3. 北京中兴高达通信技术有限公司，北京 100191）

0 引言

地铁的出现很大程度上缓解了交通压力，但人们已不满足于当前广播和文字信息的服务质量，而转向节目和新闻等相关多媒体信息的多样性服务体验[1]。乘客信息系统（PIS）就是以乘客为服务中心的运营系统，能够为乘客提供所需要的各类信息，因此，被越来越多地应用到地铁行业中。

另外，对于人员密集且流量大的地铁环境，为实现列车车厢内的动态监控，便于操作人员观察地铁中乘客的上下车情况，以及为运营公司的调度工作提供便利，在此背景下提出了视频监控的要求，闭路电视系统（CCTV）因此成为了城市轨道交通的主要系统之一[2]。CCTV 可以将列车内情况上传到控制中心，进行全程监控，保障列车实时安全运营。在地铁建设过程中，对于如何部署网络以满足 CCTV 系统的带宽需求，是一个值得商榷的问题。

目前对于承载 PIS 和 CCTV 这样的大带宽需求的业务主要采用无线局域网（WLAN）技术。但 WLAN 工作在开放频段，存在较多的干扰源，在列车高速行驶时，网络性能很不稳定，很有可能出现卡顿现象，因此急需新的技术来改善这种现状[3]。

长期演进（LTE）是由第三代合作伙伴计划（3GPP）机构启动的研发项目，它是专门为高速移动条件下而定义的一个宽带网络标准，改善了 3G 的空中接入技术，在 20 MHz 频谱带宽下可提供下行 100 Mbit/s、上行 50 Mbit/s 的峰值速率，其带宽高、稳定性强等特点十分适合于地铁应用。许多学者对 LTE 在地铁中的应用展开研究，文献[4-6]对 LTE 在乘客信息系统无线传输中的应用进行了研究，得出 LTE 具有带宽高、覆盖范围广和抗干扰能力强等优点，且更适合 PIS 车地间的无线通信等结论；文献[7-8]利用LTE技术对乘客信息系统组网方案进行了分析，测试结果表明无线通道性能符合标准要求。虽然关于 LTE 技术在城市轨道交通中应用的文献有很多，但很少有针对 PIS 和 CCTV 单业务承载能力的研究。本文在青岛地铁 2 号线 LTE 车地无线通信网络环境下，测试分析不同带宽对 PIS 和 CCTV 业务的承载能力。

1 LTE 系统设计方案

LTE 车地通信系统为 PIS 和 CCTV 业务提供数据通道，以实现各种数据信息的双向传输。以青岛地铁 2 号线为例，整个系统由控制中心子系统、车站子系统和车载子系统组成（图 1）。

图1 LTE 系统构成图

1.1 控制中心子系统

控制中心子系统主要是为 PIS 和 CCTV 提供车地宽带无线接口、核心网设备以及配套网管平台。

1.2 车站子系统

车站子系统主要由 LTE 基站及相关设备组成。在车站机房布置基站的基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）设备，BBU 通过交换机连接核心网设备，RRU通过多系统接入平台（POI）与通信系统其他信号合路。合路后的无线信号馈入敷设于区间的漏缆，实现区间的信号覆盖。

1.3 车载子系统

车载子系统主要由列车接入单元（TAU）设备组成。TAU安装在车头和车尾，通过以太网接口与车载交换机连接，建立数据信息交互的通道，实现与各业务系统之间的通信。TAU 通过安装于列车车体外的天线实现与区间漏缆的无线交互。PIS 流媒体信息经漏缆发送、TAU 天线接收后，显示在车载液晶显示屏（LCD）上。CCTV 图像信息通过 TAU 天线发送到漏缆中，然后通过控制中心与车站之间的有线链路将信息上传到控制中心设备。

2 无线覆盖设计

LTE 系统的无线覆盖一般需要综合考虑切换区分析和链路预算，得出单个 RRU 的最大覆盖距离。切换区示意图如图 2 所示，包括切换迟滞区、切换测量区和切换执行区 3 部分。

图2 切换区示意图

切换迟滞区定义为目标小区的参考信号接收功率（RSRP）高于源小区 RSRP 时的区域。在地铁正线区间，配置切换门限为 2 dB。切换测量区即切换的测量上报区。切换执行区是从物理信道重配指令下发到完成的区域。切换区距离计算公式为：

式（1）中：λ为漏缆每米损耗值，根据漏缆厂家给出的参考值，取每 100 m 损耗 4.1 dB（1.8 G 频段）；ν是列车最大行驶速度，按照 100 km/h 取值；t1和t2分别表示测量时长和切换时延，两者之和一般为 300 ms 以内。根据式（1）计算可得切换区长度d为 65.45 m。

根据下行参考信号预算和上、下行业务信道预算结果，RRU 单边最大覆盖距离为 652.7 m，故单个 RRU 最大覆盖距离为 652.7×2 - 65.45 = 1 239.95 m，超出该距离时需要增加 RRU 设备。实际上，RRU 需要根据列车行驶线路的走向和坡度具体情况进行部署。

3 PIS 和 CCTV 业务需求分析

PIS 是一种应用网络技术和多媒体技术形成的综合性服务系统，用于为乘客提供导乘信息、列车运营信息以及广告、新闻媒体、娱乐节目等信息。控制中心将此类信息编辑整理后，通过车地无线通信网络将高清视频信息 720P 以组播方式下发到列车，实时显示在 LCD 显示屏上，其带宽需求一般为下行 2～6 Mbit/s。

CCTV 业务就是将列车驾驶室和客室内的监控录像通过车地无线通信网络上传到控制中心，实时监控列车运营情况，保障公众安全。为保证监控效果，CCTV 业务设计为 720P 分辨率，采用 H.264 编码方式，每 1 路视频编码带宽为 2 Mbit/s。

4 PIS 和 CCTV 业务性能测试

为了测试系统在不同带宽下对 PIS 和 CCTV 业务的最大负荷能力，并为后续工程调试提供参考，根据现场建设条件，测试环境选择在青岛地铁 2 号线上行线路的某 3 站 2 区间（全长 1 977 m 左右）进行实地测试。首先将 LTE 系统网络带宽先后设置为 5 MHz、10 MHz和 15 MHz，进行场强覆盖、区间吞吐量测试。在保证场强覆盖能够满足 LTE 系统需求规范要求的前提下，根据上、下行区间吞吐量最小值计算出不同带宽下系统对 PIS 和 CCTV 单业务的承载能力，再分别进行测试验证。

4.1 场强覆盖测试与分析

在进行网络信号场强 RSRP 覆盖测试之前，首先要在测试区间做好网络无线链路优化工作，且在网管和基站设备运行正常的条件下，将抓包分析工具 zCAT 的取样时间设置为 1 s，利用 zCAT 连接 TAU 传输的信号，在列车运行状态下先后进行 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 这3 种带宽下的 RSRP 测试，其测试结果如表 1 所示。由表 1 可知，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 带宽下 RSRP 最小分别为：-92 dBm、-92 dBm 和 -93 dBm，均满足不低于 -95 dBm 的要求。

表1 RSRP 测试结果统计 dBm

4.2 区间吞吐量测试与分析

由于系统数据传输时存在着多种干扰，如同隧道中同频干扰、杂散干扰和互调干扰等情况，而吞吐量是能直观反映 LTE 技术抗干扰能力的重要指标，因此，要进行区间吞吐量测试。区间吞吐量测试使用 Ixchariot软件，设置软件中的控制端和终端 IP 地址，通信协议选择为 UDP 协议，测试脚本选择为 Throughput.scr，在列车启动时运行该软件，先后测试 5 MHz、10 MHz 和15 MHz 不同带宽上、下行吞吐量。测试结果如图 3～图 8 所示，由图可知：5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 带宽下的上行吞吐量最小值分别为 4.03 Mbit/s、7.14 Mbit/s和 9.64 Mbit/s；下行吞吐量最小值分别为 2.72 Mbit/s、5.59 Mbit/s 和 9.01 Mbit/s。分析不同带宽上、下行吞吐量的概率分布情况会发现，3 种带宽的上行吞吐量较分散，说明上行吞吐量较稳定，一直在平均值附近波动；而下行吞吐量均集中在某一值附近，其余部分仅占很少概率，悬殊太大。造成这种现象的主要原因是单漏缆以及单天线的组网方式导致下行接收功率的不平衡，从而导致信号在切换期间的吞吐能力急剧变弱。

图3 5 MHz 上行区间吞吐量测试结果

图4 5 MHz 下行区间吞吐量测试结果

图5 10 MHz 上行区间吞吐量测试结果

图6 10 MHz 下行区间吞吐量测试结果

图7 15 MHz 上行区间吞吐量测试结果

图8 15 MHz 下行区间吞吐量测试结果

4.3 PIS 和 CCTV 单业务测试

4.3.1 PIS 单业务测试

根据 4.2节区间 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 带宽下行最小吞吐量测试结果推算，应可以分别满足 1 路 2M、4M 和 6M 的 PIS 下行组播业务带宽需求。为了验证系统在 3 种带宽下承载 PIS 业务的能力，在列车 65 km/h 速度下进行 PIS 单业务测试。考虑到列车移动到边缘切换区时会发生切换，此时的吞吐量会急剧降到最低，对视频效果极可能造成卡顿现象，故将车载服务器缓冲时间设置为 20 s 左右并采取补包措施，从而保证不影响用户的观看体验。在列车运行时，控制中心下发 PIS 视频到LCD 显示屏进行测试，测试过程中通过目测观察视频播放情况。测试结果如表 2 所示，视频下发播放过程中全程流畅，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 带宽能够分别承载 1 路 2M、4M 和 6M 的 PIS 业务。

表2 PIS 业务测试结果

4.3.2 CCTV 单业务测试

通过分析 5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 带宽下的上行最小区间吞吐量结果，系统应至少可以分别满足1路2M、2 路 4M 和 3 路 6M 的 CCTV 视频上传业务。首先将列车驾驶室及各客室摄像机的码率设置为 2M，在不同带宽下分别添加 1 路、2 路和 3 路摄像机到空白监控区进行测试，并打开 Net Meter 软件对当前网络数据量进行监控。列车在 65 km/h 速度下的测试结果如表 3 所示。测试结果表明，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 带宽流量范围分别为 0.91～2.09 Mbit/s、1.51～4.03 Mbit/s 和 2.41～5.95 Mbit/s，视频流畅且无卡顿现象。所以，5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 带宽下系统可分别承载 1 路、2 路和 3 路 CCTV 上传业务。