张蕾

（中国中铁二院工程集团有限责任公司 四川省成都市 610031）

1 引言

城轨快线的建设，对补充公共交通的多样性，提高城市发展新区各功能组团与主城区之间以及主城区内部出行效率和能力有着显著效果。

从发改基础〔2017〕1173 号《关于促进市域（郊）铁路发展的指导意见》到2019年的《交通强国纲要》、到2020年的《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》、再到2021年的《国家综合立体交通网规划纲要》以及《关于国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》-十三届全国人大四次会议精神，都从政策层面在积极推进高速轨道交通、都市圈市域（郊）铁路的建设，对改善我国轨道交通结构、优化城镇空间布局、促进新型城镇化建设将发挥重要作用。

早期的城轨快线速度一般在100 km/h 或120km/h，如广州3 号线、深圳11 号线；随着轨道交通技术的发展，乘客对都市圈内快速通行的需求，近期的城市快线速度一般在120 km/h～160 km/h 范围内，如北京新机场线、成都17/18/19 号线，重庆江跳线/27 号线、深圳龙大线/深大/深惠线、广州18/22 号线。

160 km/h 的时速就是城轨快线的目标值吗？虽然目前针对城轨快线的技术标准，普遍适用范围为120 km/h～ 160 km/h，但是相信在“高速轨道”交通时代， 城轨快线的速度必然会不断提升。通过有针对性的选取三种车地无线通信系统技术制式，开展城轨快线的车地无线实验室测试，为下阶段技术发展、工程应用提供基础数据资源。

2 车地无线业务承载需求

2.1 城轨快线车地无线通信需求分析

根据《城市轨道交通CBTC 信号系统行业技术规范-数据通信子系统规范》以及《LTE-M 系统需求规范》相关要求，综合考虑其他生产业务，城轨快线生产业务车地无线通信需求详见表1。

表1：城市轨道交通生产业务车地无线通信需求

2.2 城轨快线车地无线通信系统主要技术

针对城轨快线车地无线通信系统，可以分为窄带无线及宽带无线通信两类。窄带无线通信技术主要数字集群Tetra 技术；针对宽带无线通信，目前开通、在建线路主要采用LTE、EUHT、WLAN等技术。

本文立足于成都轨道交通，选取Tetra、LTE-M、LTE-U 三种技术方案，通过分别开展三种技术在高于160km/h 速度运行下的实验室模拟测试，为后期分析研究系统性能提供数据基础。

3 高速移动场景下车地无线通信的关键点

3.1 多普勒频移

列车高速运动会导致接收端接收信号频率发生变化。频率变化的大小和快慢与列车的速度相关，车速受客观条件的限制是时变的，所以多普勒频率扩展也是时变的。对接收机来讲，相当于有个时变的频率对原有接收信号进行了调制，如果不能排除该时变的频率影响，必然会导致接收机的解调性能下降。

3.2 快速切换

高速移动的环境下带来的一个不可忽略的问题是快速切换。若重叠覆盖区过小，导致终端在切换未处理完成之前，与服务小区失去连接，使得业务中断。所以，对于高速线路沿线的网络，要根据切换启动门限参数的设计，以及完成切换流程所需时间统计，估算切换区所需的重叠覆盖区域大小，只有当两个小区覆盖重叠区域设计得足够大，才能保证终端将满足切换条件的测量事件上报之后，有足够的时间跨越整个重叠覆盖区。

3.3 多径衰落

由于漏缆传播无线信号覆盖比较均匀，并且在轨道交通隧道场景中漏缆泄露的信号方向性强，大大降低了多径的影响。

4 在高速移动环境下的实验室测试

本次实验室测试由北京交通大学的“轨道交通运行控制系统国家工程研究中心”提供测试报告。

4.1 TETRA系统

4.1.1 测试目标

国标《SJ-T_11228-2000_数字集群移动通信系统体制》对TETRA 系统的抗干扰性有明确描述。而这些指标为系统的特性指标，其不会以系统的安装环境和使用条件的不同而改变。

因此，本次测试将从系统的使用角度验证200km/h～250 km/h高速使用条件下是否对TETRA 系统存在影响，所测试的项目如下：

（1）呼叫接通率/失败率；

（2）切换成功率；

（3）控制信道和话务信道性能测试；

（4）接通时延（500ms）；

（5）验证列车运行速度200/220/250km/h 时，是否支持系统功能实现。

上述指标最直观的体现了系统的使用状况，其结果将表明系统是否可以正常工作。

4.1.2 测试设备

对于本次测试，摩托罗拉公司配合提供如图1 测试设备配合测试。

图1：测试设备型号

4.1.3 测试仪器

如图2所示。

图2：测试仪器

4.1.4 测试配置

基站输出功率：34dBm；基站发射频点：1 号站（863.0375 MHz）、2 号站（864.5375 MHz）；手持台输出功率：30dBm。

4.1.5 测试结论

（1）摩托罗拉TETRA 系统在200/220/250km/h 速度下呼叫接通率是100%，满足业务需求；

（2）摩托罗拉TETRA 系统在200/220/250km/h 速度下组呼切换成功率是99.7%到99.8%，满足业务需求；

（3）摩托罗拉TETRA 系统在200/220/250km/h 速度下单呼切换成功率是99.7%到100%，满足业务需求；

（4）摩托罗拉TETRA 系统在200/220/250km/h 速度下支持半双工单呼、全双工单呼、短数据业务和迟后加入功能。

（5）摩托罗拉TETRA 系统在200km/h 速度时呼叫接通时间，满足业务要求；在220 km/h 、250km/h 速度时呼叫接通时间不满足要求，待下阶段结合现场测试进一步验证。

4.2 LTE-M系统

4.2.1 测试目标

本测试目的是在实验室环境验证200km/h 时速条件下LTE 无线传输列车状态信息业务传输能力，LTE 承载CBTC、PIS/CCTV业务的传输延时性能、丢包性能、切换延时性能、传输中断概率，以及LTE 网路综合承载的能力。

4.2.2 测试设备

如图3所示。

图3：测试设备说明

4.2.3 测试设备

（1）信道模拟器，能够模拟在1.8GHz 的LTE 频点下的小尺度无线衰落特性，支持径数不少于4 条，最大延时径的延时不小于1us。支持的多普勒频偏的列车速度分别为200km/h 、220km/h、250km/h 。

（2）可调衰减器，主要模拟在一定速度条件下小区切换的能力。能够仿真1.8GHz 的LTE 频点下的大尺度衰落特性。

（3）模拟业务性能测试软件为IxchariotV6.7，安装在业务服务器和业务客户端上，完成LTE 基本性能的测试。所有测试指标的统计间隔为1 秒。对于传输延时等性能，需要支持在模拟业务数据包上打时间戳，在对端进行时间戳分析的方式计算延时。不允许采用ping 包的方式进行延时估计。

4.2.4 测试结论

测试结论如图4所示。

图4：测试结论

4.3 LTE-U系统

4.3.1 测试目标

本测试目的是在实验室环境模拟现场无线信道特性，验证在城市轨道交通高速（时速180km/h、200km/h、220km/h）环境下LTE-U 系统承载CCTV 与PIS 系统业务的车地通信能力。

4.3.2 测试设备

如图5所示。

图5：测试设备描述

4.3.3 测试设备

与LTE-M 测试设备一致。

4.3.4 测试结论

（1）测试情况：

1.华为技术有限公司LTE-U 系统在20MHz 带宽异频组网，时隙配比为2:2 时下行吞吐量如图6所示。

图6：下行吞吐量

2.华为技术有限公司LTE-U 系统在20MHz 带宽异频组网，时隙配比为2:2 时上行吞吐量如图7所示。

图7：上行吞吐量

（2）测试结论：

1.华为技术有限公司LTE-U 系统在20MHz 带宽同频组网时，180km/h 速度下时延和切换都不能满足城市轨道交通CCTV/PIS 业务承载需求。

2.华为技术有限公司LTE-U 系统在20MHz 带宽异频组网时，180km/h、200km/h、220km/h 速度下加载两路4Mbps 速率的CCTV业务和一路8Mbps 速率的PIS 业务，传输延时、丢包率和切换中断性能满足城市轨道交通CCTV/PIS 业务需求。

5 结束语

《中国城市轨道交通 智慧城轨发展纲要》为城轨交通发展明确了路径指向，为城轨快线的车地无线通信系统选择合适的技术制式，是推动城轨智能化、智慧化、信息化的有力保证。通过对Tetra、LTE-M、LTE-U 三种宽窄带无线技术开展高速场景下的实验室测试，希望能对城轨快线车地无线通信系统的技术发展、设计应用有借鉴和指导意义。