城軌快線車地?zé)o線通信測試

張蕾

（中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川省成都市 610031）

1 引言

城軌快線的建設(shè)，對補(bǔ)充公共交通的多樣性，提高城市發(fā)展新區(qū)各功能組團(tuán)與主城區(qū)之間以及主城區(qū)內(nèi)部出行效率和能力有著顯著效果。

從發(fā)改基礎(chǔ)〔2017〕1173 號《關(guān)于促進(jìn)市域（郊）鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》到2019年的《交通強(qiáng)國綱要》、到2020年的《關(guān)于推動(dòng)都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展的意見》、再到2021年的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》以及《關(guān)于國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》-十三屆全國人大四次會(huì)議精神，都從政策層面在積極推進(jìn)高速軌道交通、都市圈市域（郊）鐵路的建設(shè)，對改善我國軌道交通結(jié)構(gòu)、優(yōu)化城鎮(zhèn)空間布局、促進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)將發(fā)揮重要作用。

早期的城軌快線速度一般在100 km/h 或120km/h，如廣州3 號線、深圳11 號線；隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展，乘客對都市圈內(nèi)快速通行的需求，近期的城市快線速度一般在120 km/h～160 km/h 范圍內(nèi)，如北京新機(jī)場線、成都17/18/19 號線，重慶江跳線/27 號線、深圳龍大線/深大/深惠線、廣州18/22 號線。

160 km/h 的時(shí)速就是城軌快線的目標(biāo)值嗎？雖然目前針對城軌快線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，普遍適用范圍為120 km/h～ 160 km/h，但是相信在“高速軌道”交通時(shí)代， 城軌快線的速度必然會(huì)不斷提升。通過有針對性的選取三種車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)制式，開展城軌快線的車地?zé)o線實(shí)驗(yàn)室測試，為下階段技術(shù)發(fā)展、工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源。

2 車地?zé)o線業(yè)務(wù)承載需求

2.1 城軌快線車地?zé)o線通信需求分析

根據(jù)《城市軌道交通CBTC 信號系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范-數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)規(guī)范》以及《LTE-M 系統(tǒng)需求規(guī)范》相關(guān)要求，綜合考慮其他生產(chǎn)業(yè)務(wù)，城軌快線生產(chǎn)業(yè)務(wù)車地?zé)o線通信需求詳見表1。

表1：城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)車地?zé)o線通信需求

2.2 城軌快線車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要技術(shù)

針對城軌快線車地?zé)o線通信系統(tǒng)，可以分為窄帶無線及寬帶無線通信兩類。窄帶無線通信技術(shù)主要數(shù)字集群Tetra 技術(shù)；針對寬帶無線通信，目前開通、在建線路主要采用LTE、EUHT、WLAN等技術(shù)。

本文立足于成都軌道交通，選取Tetra、LTE-M、LTE-U 三種技術(shù)方案，通過分別開展三種技術(shù)在高于160km/h 速度運(yùn)行下的實(shí)驗(yàn)室模擬測試，為后期分析研究系統(tǒng)性能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 高速移動(dòng)場景下車地?zé)o線通信的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 多普勒頻移

列車高速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收端接收信號頻率發(fā)生變化。頻率變化的大小和快慢與列車的速度相關(guān)，車速受客觀條件的限制是時(shí)變的，所以多普勒頻率擴(kuò)展也是時(shí)變的。對接收機(jī)來講，相當(dāng)于有個(gè)時(shí)變的頻率對原有接收信號進(jìn)行了調(diào)制，如果不能排除該時(shí)變的頻率影響，必然會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)的解調(diào)性能下降。

3.2 快速切換

高速移動(dòng)的環(huán)境下帶來的一個(gè)不可忽略的問題是快速切換。若重疊覆蓋區(qū)過小，導(dǎo)致終端在切換未處理完成之前，與服務(wù)小區(qū)失去連接，使得業(yè)務(wù)中斷。所以，對于高速線路沿線的網(wǎng)絡(luò)，要根據(jù)切換啟動(dòng)門限參數(shù)的設(shè)計(jì)，以及完成切換流程所需時(shí)間統(tǒng)計(jì)，估算切換區(qū)所需的重疊覆蓋區(qū)域大小，只有當(dāng)兩個(gè)小區(qū)覆蓋重疊區(qū)域設(shè)計(jì)得足夠大，才能保證終端將滿足切換條件的測量事件上報(bào)之后，有足夠的時(shí)間跨越整個(gè)重疊覆蓋區(qū)。

3.3 多徑衰落

由于漏纜傳播無線信號覆蓋比較均勻，并且在軌道交通隧道場景中漏纜泄露的信號方向性強(qiáng)，大大降低了多徑的影響。

4 在高速移動(dòng)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)室測試

本次實(shí)驗(yàn)室測試由北京交通大學(xué)的“軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心”提供測試報(bào)告。

4.1 TETRA系統(tǒng)

4.1.1 測試目標(biāo)

國標(biāo)《SJ-T_11228-2000_數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)體制》對TETRA 系統(tǒng)的抗干擾性有明確描述。而這些指標(biāo)為系統(tǒng)的特性指標(biāo)，其不會(huì)以系統(tǒng)的安裝環(huán)境和使用條件的不同而改變。

因此，本次測試將從系統(tǒng)的使用角度驗(yàn)證200km/h～250 km/h高速使用條件下是否對TETRA 系統(tǒng)存在影響，所測試的項(xiàng)目如下：

（1）呼叫接通率/失敗率；

（2）切換成功率；

（3）控制信道和話務(wù)信道性能測試；

（4）接通時(shí)延（500ms）；

（5）驗(yàn)證列車運(yùn)行速度200/220/250km/h 時(shí)，是否支持系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

上述指標(biāo)最直觀的體現(xiàn)了系統(tǒng)的使用狀況，其結(jié)果將表明系統(tǒng)是否可以正常工作。

4.1.2 測試設(shè)備

對于本次測試，摩托羅拉公司配合提供如圖1 測試設(shè)備配合測試。

圖1：測試設(shè)備型號

4.1.3 測試儀器

如圖2所示。

圖2：測試儀器

4.1.4 測試配置

基站輸出功率：34dBm；基站發(fā)射頻點(diǎn)：1 號站（863.0375 MHz）、2 號站（864.5375 MHz）；手持臺輸出功率：30dBm。

4.1.5 測試結(jié)論

（1）摩托羅拉TETRA 系統(tǒng)在200/220/250km/h 速度下呼叫接通率是100%，滿足業(yè)務(wù)需求；

（2）摩托羅拉TETRA 系統(tǒng)在200/220/250km/h 速度下組呼切換成功率是99.7%到99.8%，滿足業(yè)務(wù)需求；

（3）摩托羅拉TETRA 系統(tǒng)在200/220/250km/h 速度下單呼切換成功率是99.7%到100%，滿足業(yè)務(wù)需求；

（4）摩托羅拉TETRA 系統(tǒng)在200/220/250km/h 速度下支持半雙工單呼、全雙工單呼、短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和遲后加入功能。

（5）摩托羅拉TETRA 系統(tǒng)在200km/h 速度時(shí)呼叫接通時(shí)間，滿足業(yè)務(wù)要求；在220 km/h 、250km/h 速度時(shí)呼叫接通時(shí)間不滿足要求，待下階段結(jié)合現(xiàn)場測試進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.2 LTE-M系統(tǒng)

4.2.1 測試目標(biāo)

本測試目的是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境驗(yàn)證200km/h 時(shí)速條件下LTE 無線傳輸列車狀態(tài)信息業(yè)務(wù)傳輸能力，LTE 承載CBTC、PIS/CCTV業(yè)務(wù)的傳輸延時(shí)性能、丟包性能、切換延時(shí)性能、傳輸中斷概率，以及LTE 網(wǎng)路綜合承載的能力。

4.2.2 測試設(shè)備

如圖3所示。

圖3：測試設(shè)備說明

4.2.3 測試設(shè)備

（1）信道模擬器，能夠模擬在1.8GHz 的LTE 頻點(diǎn)下的小尺度無線衰落特性，支持徑數(shù)不少于4 條，最大延時(shí)徑的延時(shí)不小于1us。支持的多普勒頻偏的列車速度分別為200km/h 、220km/h、250km/h 。

（2）可調(diào)衰減器，主要模擬在一定速度條件下小區(qū)切換的能力。能夠仿真1.8GHz 的LTE 頻點(diǎn)下的大尺度衰落特性。

（3）模擬業(yè)務(wù)性能測試軟件為IxchariotV6.7，安裝在業(yè)務(wù)服務(wù)器和業(yè)務(wù)客戶端上，完成LTE 基本性能的測試。所有測試指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)間隔為1 秒。對于傳輸延時(shí)等性能，需要支持在模擬業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包上打時(shí)間戳，在對端進(jìn)行時(shí)間戳分析的方式計(jì)算延時(shí)。不允許采用ping 包的方式進(jìn)行延時(shí)估計(jì)。

4.2.4 測試結(jié)論

測試結(jié)論如圖4所示。

圖4：測試結(jié)論

4.3 LTE-U系統(tǒng)

4.3.1 測試目標(biāo)

本測試目的是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬現(xiàn)場無線信道特性，驗(yàn)證在城市軌道交通高速（時(shí)速180km/h、200km/h、220km/h）環(huán)境下LTE-U 系統(tǒng)承載CCTV 與PIS 系統(tǒng)業(yè)務(wù)的車地通信能力。

4.3.2 測試設(shè)備

如圖5所示。

圖5：測試設(shè)備描述

4.3.3 測試設(shè)備

與LTE-M 測試設(shè)備一致。

4.3.4 測試結(jié)論

（1）測試情況：

1.華為技術(shù)有限公司LTE-U 系統(tǒng)在20MHz 帶寬異頻組網(wǎng)，時(shí)隙配比為2:2 時(shí)下行吞吐量如圖6所示。

圖6：下行吞吐量

2.華為技術(shù)有限公司LTE-U 系統(tǒng)在20MHz 帶寬異頻組網(wǎng)，時(shí)隙配比為2:2 時(shí)上行吞吐量如圖7所示。

圖7：上行吞吐量

（2）測試結(jié)論：

1.華為技術(shù)有限公司LTE-U 系統(tǒng)在20MHz 帶寬同頻組網(wǎng)時(shí)，180km/h 速度下時(shí)延和切換都不能滿足城市軌道交通CCTV/PIS 業(yè)務(wù)承載需求。

2.華為技術(shù)有限公司LTE-U 系統(tǒng)在20MHz 帶寬異頻組網(wǎng)時(shí)，180km/h、200km/h、220km/h 速度下加載兩路4Mbps 速率的CCTV業(yè)務(wù)和一路8Mbps 速率的PIS 業(yè)務(wù)，傳輸延時(shí)、丟包率和切換中斷性能滿足城市軌道交通CCTV/PIS 業(yè)務(wù)需求。

5 結(jié)束語

《中國城市軌道交通 智慧城軌發(fā)展綱要》為城軌交通發(fā)展明確了路徑指向，為城軌快線的車地?zé)o線通信系統(tǒng)選擇合適的技術(shù)制式，是推動(dòng)城軌智能化、智慧化、信息化的有力保證。通過對Tetra、LTE-M、LTE-U 三種寬窄帶無線技術(shù)開展高速場景下的實(shí)驗(yàn)室測試，希望能對城軌快線車地?zé)o線通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展、設(shè)計(jì)應(yīng)用有借鑒和指導(dǎo)意義。