LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案的研究

葛淑云 王 勇

(中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院，北京 100166)

1 概述

隨著寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展以及LTE-M系統(tǒng)的不斷成熟，LTE-M系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于承載軌道交通車地綜合業(yè)務(wù)。2015年初，工信部[2015]65號文明確提出1.8 G頻段可用于城市軌道交通專用通信網(wǎng)。目前，在中國城市軌道交通協(xié)會的組織下，已經(jīng)編制完成系統(tǒng)架構(gòu)、工程設(shè)計、設(shè)備和施工驗(yàn)收等規(guī)范，并指導(dǎo)LTE-M系統(tǒng)的建設(shè)。但對LTE-M系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案，尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而近期將有大量的LTE-M系統(tǒng)交付使用。

LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試功能測試在綜合聯(lián)調(diào)小組的領(lǐng)導(dǎo)下，在LTE-M系統(tǒng)及其接口系統(tǒng)完成系統(tǒng)功能調(diào)試的前提下，由綜合聯(lián)調(diào)單位牽頭進(jìn)行測試。本文對相關(guān)協(xié)調(diào)組織的內(nèi)容不做描述，只對城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案進(jìn)行研究。

2 LTE-M系統(tǒng)簡述

城市軌道交通工程采用1.8 G頻段LTE-M系統(tǒng)設(shè)備組成車地寬地通信網(wǎng)，使用頻段是1 785～1 805 MHz。通常在地面段地鐵公司能申請到15 MHz的頻譜，地下段可使用20 MHz的頻譜。

2.1 LTE-M承載的業(yè)務(wù)

LTE-M系統(tǒng)一般采用A、B雙網(wǎng)組網(wǎng)，A網(wǎng)使用10 MHz或者15 MHz帶寬同頻組網(wǎng)，綜合承載列車控制CBTC業(yè)務(wù)、列車運(yùn)行狀態(tài)信息、緊急信息文本、車載PIS媒體流業(yè)務(wù)以及車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)。B網(wǎng)使用5 MHz帶寬同頻組網(wǎng)，承載列車控制CBTC業(yè)務(wù)。

A、B雙網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立，并行工作，互不影響，從而保障信號CBTC業(yè)務(wù)的高可靠性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LTE-M系統(tǒng)包括地面網(wǎng)絡(luò)與車載子系統(tǒng)。

2.2.1 LTE-M地面網(wǎng)絡(luò)

LTE-M地面網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)管設(shè)備、核心網(wǎng)（EPC）、基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）及漏泄同軸電纜等幾部分組成。如圖1所示。

圖1 LTE-M系統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ground network of LTE-M system

在控制中心設(shè)置A、B網(wǎng)EPC核心網(wǎng)設(shè)備及網(wǎng)管設(shè)備，LTE-M系統(tǒng)通過控制中心的匯聚交換機(jī)和各應(yīng)用系統(tǒng)及服務(wù)器等連接。物理接口為網(wǎng)口，協(xié)議為TCP/IP或UDP協(xié)議。

在各車站設(shè)置A、B網(wǎng)BBU，A、B網(wǎng)BBU通過傳輸系統(tǒng)IP接口接入控制中心各自EPC設(shè)備。在長大區(qū)間設(shè)置RRU設(shè)備，并利用沿線光纜接入對應(yīng)車站BBU設(shè)備。

區(qū)間信號覆蓋主要通過漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)。上下行區(qū)間各使用兩根漏纜。其中一根漏纜可與其他無線系統(tǒng)共用；另一根漏纜單獨(dú)承載B網(wǎng)的LTE-M信號。兩個漏纜可以啟用MIMO。

2.2.2 車載子系統(tǒng)

在車頭車尾司機(jī)室，設(shè)置LTE-M系統(tǒng)車載設(shè)備，由車載接入單元TAU（含內(nèi)置存儲單元）、天饋系統(tǒng)組成。車頭和車尾的司機(jī)室各安裝兩臺TAU（1套用于信號的TAU，1套用于列車狀態(tài)信息、車載PIS/視頻監(jiān)控通信的TAU），如圖2所示。信號專屬的TAU在車頭和車尾分別工作在LTE-M的A網(wǎng)和B網(wǎng)下；通信用的TAU在車頭、車尾均工作在LTE-M的A網(wǎng)下，為主備關(guān)系。車載TAU通過以太網(wǎng)接口與車內(nèi)交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)TAU與車內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信息交互。TAU天線安裝在司機(jī)車廂外側(cè)頂部和/或側(cè)面底部，分別實(shí)現(xiàn)與隧道內(nèi)頂部漏纜及高架、地面?zhèn)让媛├|的通信。列車狀態(tài)信息和緊急文本可直接接入到通信TAU，具體工程略有差異，但不影響聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案。

3 LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方案

3.1 LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)目的

LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的目的是通過模擬運(yùn)營情況，驗(yàn)證LTE-M系統(tǒng)與信號系統(tǒng)、車載PIS和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)之間的接口功能是否與設(shè)計相符，檢驗(yàn)LTE-M系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)，是否滿足運(yùn)營要求。通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試，及時將暴露出來的問題與廠家、施工單位等相關(guān)單位進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。對運(yùn)營操作及維修人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高檢修人員技能，確保線路安全運(yùn)營。

圖2 LTE-M系統(tǒng)車載子系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of onboard subsystem of LTE-M system

3.2 聯(lián)調(diào)前提條件

在聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作進(jìn)行前，應(yīng)具備以下前提條件。

1）LTE-M系統(tǒng)功能完好，已經(jīng)完成系統(tǒng)單體調(diào)試，包括：設(shè)備安裝；線纜布放及成端；設(shè)備檢查及單機(jī)測試；系統(tǒng)功能性測試；系統(tǒng)性能測試；網(wǎng)元級管理設(shè)備功能測試。

2）信號、車載PIS、車載視頻監(jiān)控和車輛狀態(tài)信息系統(tǒng)完成各自系統(tǒng)的單體調(diào)試，且各系統(tǒng)能分別通過LTE-M系統(tǒng)提供的通道正常運(yùn)行。

3）車輛上車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行正常。

4）車輛部門至少提供6輛上線運(yùn)行的列車。

3.3 聯(lián)調(diào)方案

3.3.1 模擬LTE-M系統(tǒng)單網(wǎng)中斷方案

1）網(wǎng)絡(luò)中斷

兩列車分別在試車線和正線運(yùn)行，在控制中心中斷LTE-M系統(tǒng)A網(wǎng)EPC與信號系統(tǒng)之間的網(wǎng)口，如圖3所示。LTE-M及信號系統(tǒng)人員在各自網(wǎng)管終端觀察記錄各自系統(tǒng)的情況。

恢復(fù)該網(wǎng)口。LTE-M系統(tǒng)及信號系統(tǒng)人員在各自網(wǎng)管終端觀察記錄各自系統(tǒng)的情況。

圖3 模擬LTE-M系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中斷方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulating network interrupt scheme of LTE-M system

正常結(jié)果：在中斷、恢復(fù)LTE-M系統(tǒng)A網(wǎng)時，均對信號系統(tǒng)CBTC業(yè)務(wù)無影響。系統(tǒng)穩(wěn)定后，對業(yè)務(wù)不造成影響。

模擬LTE-M系統(tǒng)B網(wǎng)中斷，步驟和預(yù)期結(jié)果同上。

2）車載設(shè)備單端工作

兩列車分別在試車線和正線運(yùn)行，在車頭斷開信號TAU1與車載列控CBTC端口的連接，同時斷開通信TAU1與車載交換機(jī)、列車運(yùn)行狀態(tài)信息的連接，如圖4所示。LTE-M系統(tǒng)、信號系統(tǒng)及列車狀態(tài)信息系統(tǒng)、PIS和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的人員在各自控制中心網(wǎng)管終端和車輛上觀察記錄各自系統(tǒng)的情況。

恢復(fù)該網(wǎng)口。各子系統(tǒng)人員在各自網(wǎng)管終端和車輛上觀察記錄各自系統(tǒng)的情況。

正常結(jié)果：在中斷、恢復(fù)信號TAU1與車載列控CBTC端口的連接時，TAU2仍能正常工作，且對信號系統(tǒng)CBTC業(yè)務(wù)無影響；在中斷和恢復(fù)通信TAU1與車載交換機(jī)、列車運(yùn)行狀態(tài)信息的連接時，對列車運(yùn)行狀態(tài)信息、車載PIS和視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)無影響。系統(tǒng)穩(wěn)定后，對業(yè)務(wù)不造成影響。

在車尾斷開信號TAU2與車載列控CBTC端口的連接，同時斷開通信TAU2與車載交換機(jī)、列車運(yùn)行狀態(tài)信息的連接，步驟和預(yù)期結(jié)果同上。

圖4 模擬LTE-M系統(tǒng)車載設(shè)備單端工作方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulating onboard equipment single-ended operation scheme of LTE-M system

在有條件的情況下，所有上線運(yùn)行的車輛都應(yīng)進(jìn)行車頭車尾TAU單端工作的測試，以便發(fā)現(xiàn)物理連接問題。如線纜接頭是否松動、車載天線角度等是否為最優(yōu)，同時也能校核車載設(shè)備參數(shù)設(shè)置是否合理。

3.3.2 PIS系統(tǒng)非實(shí)時媒體信息接收和播放測試驗(yàn)證方案

某列車在車輛段?？繒r，控制中心下發(fā)播放列表及節(jié)目內(nèi)容，在列車上，測試車載PIS系統(tǒng)能否通過LTE-M系統(tǒng)接收存儲控制中心下發(fā)的播放列表及節(jié)目內(nèi)容。

列車在正線運(yùn)行時，車載PIS首先實(shí)時播放地面控制中心發(fā)送的節(jié)目信息，然后關(guān)閉車載PIS與LTE-M車頭車尾的通信TAU1/2端口（模擬車地通信網(wǎng)絡(luò)通信中斷），如圖5所示。測試PIS系統(tǒng)是否可以自動從本地制定的文件目錄讀取視頻播放列表，再按照視頻播放列表中視頻文件的順序讀取視頻文件，在LCD屏上及時清晰地進(jìn)行顯示。測試完成后，恢復(fù)該端口。

正常結(jié)果：在車輛段PIS能通過LTE-M系統(tǒng)接收存儲控制中心下發(fā)的播放列表及節(jié)目內(nèi)容。車載PIS系統(tǒng)在無LTE-M系統(tǒng)實(shí)時傳輸通道時，可自動從本地制定的文件目錄讀取視頻播放列表，再按照視頻播放列表中視頻文件的順序讀取視頻文件。

3.3.3 LTE-M系統(tǒng)綜合業(yè)務(wù)承載驗(yàn)證方案

待信號系統(tǒng)業(yè)務(wù)測試穩(wěn)定后，某一列車在正線運(yùn)行時，分別加載車輛狀態(tài)信息業(yè)務(wù)，下發(fā)車載PIS（緊急文本和視頻流）和調(diào)用車輛2路視頻業(yè)務(wù)。具體如下。

1）加載車輛狀態(tài)信息

在控制中心查看能否收到車輛狀態(tài)信息，是否正常工作。

2）播放緊急文本信息

模擬列車遇到緊急情況時，控制中心播放預(yù)案處理信息，在列車LCD屏前觀察是否及時收到清晰的緊急文本信息。測試人員通過TETRA手臺或者手機(jī)確認(rèn)是否同步。

3）車載PIS實(shí)時媒體信息接收和播放

在控制中心進(jìn)行節(jié)目播放，同時在列車LCD屏前觀察，測試人員通過TETRA手臺或者手機(jī)確認(rèn)是否同步，圖像是否清晰。

4）司機(jī)室和列車車廂狀況實(shí)時監(jiān)視

在控制中心的監(jiān)視器上，同時調(diào)用司機(jī)室和列車車廂或車廂內(nèi)的任意2路攝像機(jī)，通過TETRA手臺或者手機(jī)與列車記錄人員確認(rèn)實(shí)時監(jiān)視功能是否正常，圖像是否清晰。

聯(lián)調(diào)聯(lián)試時，一項業(yè)務(wù)穩(wěn)定且功能驗(yàn)證通過后，再進(jìn)行下一項業(yè)務(wù)的加載。若前一項業(yè)務(wù)加載失敗，則將業(yè)務(wù)從網(wǎng)絡(luò)中斷開，再進(jìn)行其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的測試。

正常結(jié)果：列車運(yùn)行正常，信號系統(tǒng)CBTC傳遞的信息和車輛狀態(tài)信息無誤，PIS緊急文本實(shí)時到達(dá)，車載PIS視頻流和車載視頻圖像穩(wěn)定流暢，無卡頓，列車車廂實(shí)況監(jiān)視正常。

全部業(yè)務(wù)加載完成后，該列車至少應(yīng)在全線跑兩個往返，一個往返按列車正常時速運(yùn)行，一個往返按列車最高速度運(yùn)行，以驗(yàn)證LTE-M系統(tǒng)各個小區(qū)在不同時速下是否均具有綜合承載的能力。

3.3.4 LTE-M系統(tǒng)壓力驗(yàn)證方案

1）單小區(qū)多業(yè)務(wù)壓力驗(yàn)證方案

圖5 PIS系統(tǒng)非實(shí)時媒體信息接收和播放測試驗(yàn)證方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of verification scheme for non-real-time media information receiving and playback test of PIS system

在高架區(qū)段，上下行各運(yùn)行3輛車，3輛車緊密追蹤，模擬6輛車在一個RRU小區(qū)的情況。具體可在某個車站停留2輛車，上下行各有1輛車剛剛離開車站，上下行各有1輛車即將進(jìn)站。如圖6所示。該6輛車各自均已能正常綜合承載CBTC業(yè)務(wù)、車輛狀態(tài)信息業(yè)務(wù)、緊急文本、車載PIS和視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。

圖6 單小區(qū)多業(yè)務(wù)壓力驗(yàn)證場景示意圖Fig.6 Schematic diagram of verification scenario for single Cell multi-service pressure

此時在控制中心調(diào)6輛車的車輛狀態(tài)信息業(yè)務(wù)，下發(fā)車載PIS（緊急文本和視頻流），并調(diào)用車輛2路視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)分兩種情況：

a.一輛車的2路視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)；

b.兩輛車各1路視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。

正常結(jié)果：列車運(yùn)行正常，CBTC業(yè)務(wù)正常，PIS緊急文本實(shí)時到達(dá)，PIS視頻流和2路視頻監(jiān)控圖像穩(wěn)定流暢，無卡頓。

在全地下區(qū)段此場景不易構(gòu)建，可在1～2輛車上，用軟件模擬6輛車的場景進(jìn)行壓力測試。

2）帶寬壓力驗(yàn)證方案

在以上場景，若上述各項業(yè)務(wù)正常，可逐步增加調(diào)用視頻監(jiān)控視頻流數(shù)量。首先增加到3路車載視頻流，在控制中心顯示屏觀察結(jié)果，若無卡頓，再增加到4路車載視頻流，觀察結(jié)果，在控制中心顯示屏觀察結(jié)果，若無卡頓，再增加到5路車載視頻流觀察結(jié)果，在控制中心顯示屏觀察結(jié)果。

預(yù)估在10 MHz頻譜下，LTE-M系統(tǒng)上行理想的情況下，傳輸帶寬20 Mbit/s左右，高清攝像機(jī)碼流按6 Mbit/s計算，應(yīng)能最多調(diào)用4路視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，若攝像機(jī)碼流為4 Mbit/s，應(yīng)能最多調(diào)用5路視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，在小區(qū)邊緣，最多調(diào)用2路或者1路視頻流。

通過此項測試，可驗(yàn)證LTE-M的QoS，同時能夠獲得LTE-M系統(tǒng)的最大承載能力，即全業(yè)務(wù)情況下，可最大調(diào)用的車載視頻流數(shù)量。

正常結(jié)果：無論調(diào)用幾路視頻業(yè)務(wù)，CBTC、車輛狀態(tài)信息和緊急文本業(yè)務(wù)均不受影響，可正常運(yùn)行。

4 需要說明的問題

在實(shí)際工程中進(jìn)行LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試時，需要考慮以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

1）若由于工期緊張，單系統(tǒng)調(diào)試未完成，即進(jìn)行多系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，易發(fā)生故障定位不清，無法徹底解決測試中出現(xiàn)的問題。此時建議，先進(jìn)行LTE-M系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能測試，待其穩(wěn)定后，按業(yè)務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行業(yè)務(wù)加載：最先加載信號業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)功能驗(yàn)證無誤后，再加載車輛狀態(tài)信息業(yè)務(wù)，接著加載PIS業(yè)務(wù)，最后加載車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。這樣，當(dāng)加載某個業(yè)務(wù)出現(xiàn)問題時，可初步判斷是該系統(tǒng)與LTE-M之間的接口配合問題，從而可通過該業(yè)務(wù)端口抓包和協(xié)議分析去解決問題。

2）若車輛段先具備聯(lián)調(diào)聯(lián)試條件，而正線由于種種原因不具備聯(lián)調(diào)聯(lián)試條件，此時可先在車輛段進(jìn)行LTE-M系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，待正線具備條件后，再進(jìn)行正線的LTE-M聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作。如西安機(jī)場線，擬采用此種方式進(jìn)行LTE-M的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

3）在有些工程，尤其有軌電車項目中，地面段會采用架設(shè)天線方式進(jìn)行LTE-M系統(tǒng)的無線覆蓋，此時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在彎道和交叉路口的LTE-M系統(tǒng)綜合業(yè)務(wù)承載能力的測試?？蓪⒍嗔熊嚲C合業(yè)務(wù)承載能力測試場景安排在彎道或交叉路口處，同時可考慮在換乘站進(jìn)行此場景的測試。

4）因LTE-M系統(tǒng)尚未廣泛應(yīng)用于承載集群語音調(diào)度業(yè)務(wù)，部分地鐵公司在建設(shè)時預(yù)留了集群語言調(diào)度接入的能力。若承載集群語音業(yè)務(wù)，可參考常規(guī)無線語音通信業(yè)務(wù)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試內(nèi)容，在LTE-M聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試時，重點(diǎn)關(guān)注一下集群語音的QoS，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時，能否保證通話質(zhì)量。

5）在有些工程中，若LTE-M系統(tǒng)在信號專業(yè)中集成，僅承載信號專業(yè)的車地通信業(yè)務(wù)，則不需要進(jìn)行LTE-M系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作。因?yàn)樾盘枏S家在集成LTE-M系統(tǒng)時，已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室測試和第三方的驗(yàn)證測試，所以在實(shí)際工程線路上的測試，屬于單系統(tǒng)測試。本文介紹的方案，適用于LTE-M系統(tǒng)包含在通信系統(tǒng)中或者單獨(dú)建設(shè)的綜合業(yè)務(wù)承載系統(tǒng)。

6）在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，若LTE-M系統(tǒng)不能正常承載信息時，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)明確影響范圍，做好應(yīng)急預(yù)案，防止造成系統(tǒng)設(shè)備損害。如發(fā)生設(shè)備設(shè)施故障或意外情況，應(yīng)及時中止聯(lián)調(diào)聯(lián)試并采取臨時措施，待故障恢復(fù)后再進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作。

5 結(jié)論

本文闡述的城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)綜合聯(lián)調(diào)方案，可用于目前的城市軌道交通聯(lián)調(diào)聯(lián)試項目中，不僅適用于1.8 GHz頻段的LTE-M系統(tǒng)，也可適用于5.8 GHz的LTE系統(tǒng)。相信隨著LTE-M技術(shù)的發(fā)展和越來越多的工程實(shí)踐，LTE-M系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方案也將不斷優(yōu)化，將有利于聯(lián)調(diào)項目順利實(shí)施，以保證城市軌道交通項目順利開通和運(yùn)營。