LTE承載市域鐵路信號系統(tǒng)研究

孟寒松

(深圳市鐵路投資建設(shè)集團有限公司， 518066， 深圳∥高級工程師)

我國的城鎮(zhèn)化已經(jīng)進入大都市區(qū)化發(fā)展階段，除建設(shè)市內(nèi)地鐵、輕軌等外，還通過建設(shè)服務(wù)于城市與郊區(qū)、中心城市與衛(wèi)星城、重點城鎮(zhèn)間的市域鐵路，形成一小時通勤的大都市區(qū)。這既避免了城市攤大餅式的發(fā)展，又最大限度地提高了大都市區(qū)的人口密度，發(fā)揮了大城市群的集聚經(jīng)濟，更好地實現(xiàn)經(jīng)濟和諧發(fā)展。

市域鐵路相對地鐵、輕軌等具有運行速度快、切換頻繁等特點，故需要對其在LTE(長期演進)環(huán)境下信號系統(tǒng)的運行情況進行測試，分析LTE對信號系統(tǒng)性能的影響，明確在LTE網(wǎng)絡(luò)下市域鐵路信號系統(tǒng)的適應(yīng)性。

本文對市域鐵路環(huán)境下影響信號系統(tǒng)無線傳輸性能的關(guān)鍵影響因子進行分析，建立集成多種關(guān)鍵影響因子的無線信道仿真模型，搭建市域鐵路環(huán)境下的仿真測試平臺，針對各關(guān)鍵影響因子提出LTE系統(tǒng)優(yōu)化措施，測試在不同列車運行速度下無線傳輸主要性能參數(shù)(時延、吞吐量及丟包率)，驗證市域鐵路信號系統(tǒng)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的適配性。

1 市域鐵路環(huán)境下無線傳輸性能關(guān)鍵影響因子分析

1.1 多普勒頻移的影響

LTE系統(tǒng)是通過多個頻寬為15 kHz的子載波進行數(shù)據(jù)的傳輸，其發(fā)射端和接收端需要在對應(yīng)的頻率上進行調(diào)制解調(diào)無線信號。當(dāng)頻率發(fā)生偏移時會導(dǎo)致接收端無法正確解調(diào)，從而造成不同子載波之間的載波干擾及其相應(yīng)碼元之間的干擾。如文獻[5]中描述，在SINR(干擾信噪比)為10 dB時，基于傳輸帶寬5%頻偏相較與沒有頻偏情況下，接收端誤碼率高25%。

列車在運行時，列車和軌旁基站進行相對運動，列車接收到的無線頻率與基站發(fā)出的頻率并不相同，同時基站接收到的無線頻率與列車發(fā)出的頻率也不相同。根據(jù)多普勒-斐索頻移公式，偏移后的頻率計算公式為：

(1)

β=v/c

(2)

式中：f′——偏移后的頻率；

f——原頻率；

v——列車運行速度；

c——光速；

θ——接收器與波源的連線到速度方向的夾角。

當(dāng)列車運行速度為250 km/h時，多普勒理論頻率偏移最大值為416.67 Hz，子載波的頻率為15 kHz，頻率偏移量占子載波傳輸帶寬2.78%，系統(tǒng)誤碼率將提升，從而影響傳輸性能。

1.2 小區(qū)切換異常的影響

每個基站覆蓋一定的區(qū)域(以下簡稱“小區(qū)”)。列車在線路上運行時，需要在不同小區(qū)內(nèi)運行，并根據(jù)接收的無線信號功率執(zhí)行切換操作。

整個切換操作流程按照3GPP(第三代合作伙伴計劃)TS 24.301中定義，從終端進行測量上報開始，到終端RRC(無線資源控制)重配完成，期間涉及到終端、源服務(wù)小區(qū)、目的服務(wù)小區(qū)及核心網(wǎng)等多個網(wǎng)元。LTE小區(qū)切換操作各環(huán)節(jié)耗時如表1所示。

表1 LTE小區(qū)切換操作各環(huán)節(jié)耗時Tab.1 Opertion time for each link of LTE cell handover

當(dāng)列車運行速度為250 km/h時，總計切換距離為42.85 m。在小區(qū)切換過程中終端接收的無線信號功率會發(fā)生巨大變化，可能導(dǎo)致小區(qū)切換異常，包括過早切換(由于目標(biāo)服務(wù)小區(qū)發(fā)射功率過低導(dǎo)致誤碼率提升、吞吐量下降)、過晚切換(由于源服務(wù)小區(qū)發(fā)射功率過低導(dǎo)致誤碼率提升、吞吐量下降)、乒乓切換(在源服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)服務(wù)小區(qū)之間反復(fù)切換，每次切換均帶來誤碼率提升)或者切換失敗。小區(qū)切換異常均會影響傳輸性能。

1.3 信道多徑急劇變化的影響

無線信號在傳輸過程中，除在發(fā)射端和接收端之間直線傳輸外，還通過周圍環(huán)境中物體折射、反射，使得各路徑信號到達接收端的時間、相位和到達角度不同，從而造成接收信號功率的加強或者衰落。在噪聲保持不變的情況下，這將導(dǎo)致信噪比的上升或者降低。

LTE系統(tǒng)根據(jù)信噪比對數(shù)據(jù)包進行編碼后發(fā)送。在信噪比為9.84 dB時可選擇碼率為0.455 1的64QAM(64正交幅相調(diào)制)進行編碼，在信噪比為7.40 dB時可選擇碼率為0.540 0的16QAM進行編碼[6]。即保持噪聲不變條件下，信號接收功率降低2.44 dBm，吞吐量降低21%，且在低信噪比情況下采用高碼率的編碼方式，會提高誤碼率。

按照3GPP TR 38.901協(xié)議中的CDL(集群延遲線)模型，在視距傳輸情況下，除主徑外其他多徑最多可占總接收功率的11%，在非視距傳輸情況下，首先到達的信號功率最多僅占總接收功率的14%。

列車運行過程中，在發(fā)射端保持發(fā)射功率不變的情況下，信號經(jīng)過不同路徑到達接收端，導(dǎo)致接收信號功率的巨大變化，從而影響系統(tǒng)的吞吐量及誤碼率。

2 測試環(huán)境

2.1 無線傳輸信道仿真模型設(shè)計

無線傳輸信道仿真模型通過集成無線傳輸性能的關(guān)鍵影響因子，以時間為序，以相同時間間隔建立采樣點，針對每個采樣點計算列車所在的位置，按列車所在位置計算信道衰落系數(shù)，實現(xiàn)信道環(huán)境抽象和仿真模擬。具體設(shè)計步驟如下：

1)采用大尺度衰落模型仿真模擬列車在不同小區(qū)內(nèi)運行時，列車與基站之間距離的變化造成的接收信號功率變化。由于市域鐵路運行環(huán)境多處于建筑物分布稀疏區(qū)域，仿真模型選用Rma(Rural Macro，農(nóng)村宏站)場景，根據(jù)每個采樣點列車所在的位置計算信道衰落系數(shù)。

2)采用小尺度衰落模型仿真模擬列車通過不同多徑接收到信號功率的變化，具體包括不同路徑的到達功率衰減值、到達時延、相位及到達方向角等參數(shù)。由于軌旁基站天線位置相對較高，列車可保持視距傳輸，仿真模型選用CDL_D場景，根據(jù)每個采樣點列車所在的位置計算信道衰落系數(shù)。

3)以采樣點為序，將大尺度衰落模型和小尺度衰落模型中每條路徑的衰減值進行合并。

4)結(jié)合該采樣點列車和基站之間的夾角計算多普勒頻移，得到該采樣點列車所在位置點的信道衰落系數(shù)，最終建立無線傳輸信道的GBSM(基于幾何的隨機模型)。

2.2 測試環(huán)境搭建

按照上述仿真模型，使用信道仿真儀搭建測試環(huán)境。測試環(huán)境設(shè)置圖如圖1所示。設(shè)置2個相距1 500 m的基站，基站距離軌道的高度為100 m;列車在直線軌道上運行，并實現(xiàn)在2個基站間切換，每秒建立2 000個采樣點仿真信道衰減系數(shù)。

圖1 測試環(huán)境設(shè)置圖Fig.1 Diagram of test environment settings

采用BBU(基帶單元)和RRU(射頻單元)組成基站，作為軌旁LTE發(fā)射接收端；采用核心網(wǎng)綜合控制終端的入網(wǎng)及其數(shù)據(jù)的傳輸；采用GPS(全球定位系統(tǒng))完成系統(tǒng)的時鐘同步；采用TAU(列車接入終端)作為列車上LTE發(fā)射接收終端。測試平臺架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測試平臺架構(gòu)圖Fig.2 Diagram of test platform architecture

本次測試中，LTE系統(tǒng)上下行頻率設(shè)置為1 800 MHz，LTE系統(tǒng)頻寬設(shè)置為5 MHz，小區(qū)雙工模式采用TDD(時分雙工)制式，上下行子幀配比采用SA1(上下行子幀配比為2∶2)模式，SSP(特殊子幀配比)采用SSP7(特殊子幀配比為10∶2∶2)的配比模式。

2.3 網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化

列車高速運行環(huán)境下，多普勒效應(yīng)、小區(qū)異常切換和信道多徑急速變化等因素會影響無線信道的傳輸性能。本次測試針對上述關(guān)鍵影響因子分別采取相應(yīng)措施對LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能進行優(yōu)化。

1)多普勒效應(yīng):使用AFC(自動頻率校正)技術(shù)實現(xiàn)基站頻率校正，基站通過測量終端的連續(xù)數(shù)據(jù)，快速測算基站與列車終端間由于多普勒效應(yīng)帶來的頻率變化,動態(tài)跟蹤、校正兩者之間的頻率偏差,補償高速移動下多普勒效應(yīng)引發(fā)的無線通信損耗,以保證無線鏈路的穩(wěn)定連接。

2)小區(qū)異常切換：通過降低測試上報間隔，實現(xiàn)及時反饋終端的信號接收功率，降低過早切換和過晚切換的可能性；通過限定系統(tǒng)進行同頻切換，降低同頻切換時間遲滯，從而降低切換時間；通過優(yōu)化切換流程，降低基站和終端信令發(fā)送和處理時間，從而降低切換時間；通過優(yōu)化重選參數(shù)，降低發(fā)生乒乓切換的可能性。

3)信道多徑急劇變化:采用AMC(自適應(yīng)調(diào)制編碼)技術(shù)更快地實現(xiàn)不同信噪比情況下編碼方式的改變，降低在低信噪比情況下由于采用高速編碼方式導(dǎo)致的誤碼率，同時也在高信噪比情況下及時采用高速編碼方式增加吞吐量；采用HARQ(混合自動重傳請求)技術(shù)在無線鏈路層實現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳，降低丟包率；采用QCI1(專用承載服務(wù)等級標(biāo)識1)在無線鏈路控制層實現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳，降低丟包率。

3 測試結(jié)果

為滿足CTCS2+ATO(CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng)),ATO(列車自動運行))的傳輸需求，無線傳輸需要滿足：吞吐量大于1 Mbit/s，最大時延小于150 ms，平均丟包率小于1%。本次測試分別在160 km/h、 180 km/h、200 km/h及250 km/h等多種列車運行速度條件下，對無線傳輸?shù)耐掏铝俊r延及丟包率等性能參數(shù)進行了測試。

3.1 吞吐量

隨著列車運行速度改變，鏈路的吞吐量基本沒有變化，但隨著終端距離基站的位置不同，終端的吞吐量會受到較大影響。

上行鏈路最小吞吐量為2.2 Mbit/s，最大吞吐量為4.8 Mbit/s，最大吞吐量為最小吞吐量的2倍，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 上行鏈路吞吐量Fig.3 Uplink throughput

下行鏈路最小吞吐量為3.1 Mbit/s，最大吞吐量為11.2 Mit/s，最大吞吐量為最小吞吐量的3倍，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 下行鏈路吞吐量Fig.4 Downlink throughput

測試結(jié)果表明：在不同的列車運行速度條件下，鏈路最小吞吐量均大于1 Mbit/s，能夠滿足CTCS2+ATO的傳輸需求。

3.2 時延

隨著列車運行速度改變，鏈路的平均時延基本沒有變化，但運行速度的提升會較大地影響鏈路的最大時延。

上行鏈路平均時延為13 ms。列車運行速度為160 km/h時鏈路最大時延為29 ms，而列車運行速度達到250 km/h時鏈路最大時延為67 ms，約為160 km/h情況下的2倍。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 上行鏈路時延Fig.5 Uplink delay

下行鏈路平均時延為16 ms。列車運行速度為160 km/h時鏈路最大時延為24 ms，而列車運行速度達到250 km/h時鏈路最大時延為64 ms，約為160 km/h情況下的2倍。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 下行鏈路時延Fig.6 Downlink delay

測試結(jié)果表明：在不同速率情況下，鏈路最大時延均小于67 ms，能夠滿足CTCS2+ATO的傳輸需求。

3.3 丟包率

測試過程開啟了HARQ，傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用了專用承載，且設(shè)置為QCI1，在無線傳輸過程中出現(xiàn)的丟包通過重傳的方式實現(xiàn)了彌補，從而丟包率均為0，能夠滿足CTCS2+ATO的傳輸需求。

4 結(jié)語

在市域鐵路環(huán)境下，LTE系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時面臨的環(huán)境非常復(fù)雜,對傳輸性能影響巨大。信號系統(tǒng)是確保列車正常運行的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，需要保證高性能的傳輸。本文分析了市域鐵路環(huán)境下多普勒效應(yīng)、小區(qū)異常切換及信道多徑急速變化等關(guān)鍵影響因子的成因和對無線傳輸性能的影響，綜合考慮大尺度衰落模型、小尺度衰落模型及多普勒效應(yīng)，建立了基于GBSM的無線信道模型，針對各關(guān)鍵影響因子對LTE系統(tǒng)性能進行優(yōu)化。架構(gòu)測試平臺，分別測試在160 km/h、180 km/h、200 km/h和250 km/h等列車運行速度條件下的無線傳輸性能參數(shù)。仿真測試結(jié)果驗證了在市域鐵路環(huán)境下LTE技術(shù)能夠滿足信號系統(tǒng)的傳輸需求，也可為后期工程實踐提供指導(dǎo)。