葛淑云 王 勇

(中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100166)

1 概述

随着宽带无线通信技术的发展以及LTE-M系统的不断成熟，LTE-M系统已经广泛用于承载轨道交通车地综合业务。2015年初，工信部[2015]65号文明确提出1.8 G频段可用于城市轨道交通专用通信网。目前，在中国城市轨道交通协会的组织下，已经编制完成系统架构、工程设计、设备和施工验收等规范，并指导LTE-M系统的建设。但对LTE-M系统的联调联试方案，尚没有统一的标准规范，而近期将有大量的LTE-M系统交付使用。

LTE-M系统联调联试功能测试在综合联调小组的领导下，在LTE-M系统及其接口系统完成系统功能调试的前提下，由综合联调单位牵头进行测试。本文对相关协调组织的内容不做描述，只对城市轨道交通LTE-M系统联调联试方案进行研究。

2 LTE-M系统简述

城市轨道交通工程采用1.8 G频段LTE-M系统设备组成车地宽地通信网，使用频段是1 785～1 805 MHz。通常在地面段地铁公司能申请到15 MHz的频谱，地下段可使用20 MHz的频谱。

2.1 LTE-M承载的业务

LTE-M系统一般采用A、B双网组网，A网使用10 MHz或者15 MHz带宽同频组网，综合承载列车控制CBTC业务、列车运行状态信息、紧急信息文本、车载PIS媒体流业务以及车载视频监控业务等业务。B网使用5 MHz带宽同频组网，承载列车控制CBTC业务。

A、B双网络完全独立，并行工作，互不影响，从而保障信号CBTC业务的高可靠性。

2.2 网络结构

LTE-M系统包括地面网络与车载子系统。

2.2.1 LTE-M地面网络

LTE-M地面网络由网管设备、核心网（EPC）、基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）及漏泄同轴电缆等几部分组成。如图1所示。

图1 LTE-M系统地面网络示意图Fig.1 Schematic diagram of ground network of LTE-M system

在控制中心设置A、B网EPC核心网设备及网管设备，LTE-M系统通过控制中心的汇聚交换机和各应用系统及服务器等连接。物理接口为网口，协议为TCP/IP或UDP协议。

在各车站设置A、B网BBU，A、B网BBU通过传输系统IP接口接入控制中心各自EPC设备。在长大区间设置RRU设备，并利用沿线光缆接入对应车站BBU设备。

区间信号覆盖主要通过漏泄同轴电缆实现。上下行区间各使用两根漏缆。其中一根漏缆可与其他无线系统共用；另一根漏缆单独承载B网的LTE-M信号。两个漏缆可以启用MIMO。

2.2.2 车载子系统

在车头车尾司机室，设置LTE-M系统车载设备，由车载接入单元TAU（含内置存储单元）、天馈系统组成。车头和车尾的司机室各安装两台TAU（1套用于信号的TAU，1套用于列车状态信息、车载PIS/视频监控通信的TAU），如图2所示。信号专属的TAU在车头和车尾分别工作在LTE-M的A网和B网下；通信用的TAU在车头、车尾均工作在LTE-M的A网下，为主备关系。车载TAU通过以太网接口与车内交换机连接，实现TAU与车内数据业务的信息交互。TAU天线安装在司机车厢外侧顶部和/或侧面底部，分别实现与隧道内顶部漏缆及高架、地面侧面漏缆的通信。列车状态信息和紧急文本可直接接入到通信TAU，具体工程略有差异，但不影响联调联试方案。

3 LTE-M系统联调方案

3.1 LTE-M系统联调目的

LTE-M系统联调的目的是通过模拟运营情况，验证LTE-M系统与信号系统、车载PIS和视频监控系统、车辆状态监测系统之间的接口功能是否与设计相符，检验LTE-M系统的各种工作状态，是否满足运营要求。通过联调联试，及时将暴露出来的问题与厂家、施工单位等相关单位进行协调处理。对运营操作及维修人员进行培训，提高检修人员技能，确保线路安全运营。

图2 LTE-M系统车载子系统示意图Fig.2 Schematic diagram of onboard subsystem of LTE-M system

3.2 联调前提条件

在联调联试工作进行前，应具备以下前提条件。

1）LTE-M系统功能完好，已经完成系统单体调试，包括：设备安装；线缆布放及成端；设备检查及单机测试；系统功能性测试；系统性能测试；网元级管理设备功能测试。

2）信号、车载PIS、车载视频监控和车辆状态信息系统完成各自系统的单体调试，且各系统能分别通过LTE-M系统提供的通道正常运行。

3）车辆上车载网络设备、系统设备运行正常。

4）车辆部门至少提供6辆上线运行的列车。

3.3 联调方案

3.3.1 模拟LTE-M系统单网中断方案

1）网络中断

两列车分别在试车线和正线运行，在控制中心中断LTE-M系统A网EPC与信号系统之间的网口，如图3所示。LTE-M及信号系统人员在各自网管终端观察记录各自系统的情况。

恢复该网口。LTE-M系统及信号系统人员在各自网管终端观察记录各自系统的情况。

图3 模拟LTE-M系统网络中断方案示意图Fig.3 Schematic diagram of simulating network interrupt scheme of LTE-M system

正常结果：在中断、恢复LTE-M系统A网时，均对信号系统CBTC业务无影响。系统稳定后，对业务不造成影响。

模拟LTE-M系统B网中断，步骤和预期结果同上。

2）车载设备单端工作

两列车分别在试车线和正线运行，在车头断开信号TAU1与车载列控CBTC端口的连接，同时断开通信TAU1与车载交换机、列车运行状态信息的连接，如图4所示。LTE-M系统、信号系统及列车状态信息系统、PIS和视频监控系统的人员在各自控制中心网管终端和车辆上观察记录各自系统的情况。

恢复该网口。各子系统人员在各自网管终端和车辆上观察记录各自系统的情况。

正常结果：在中断、恢复信号TAU1与车载列控CBTC端口的连接时，TAU2仍能正常工作，且对信号系统CBTC业务无影响；在中断和恢复通信TAU1与车载交换机、列车运行状态信息的连接时，对列车运行状态信息、车载PIS和视频监控业务无影响。系统稳定后，对业务不造成影响。

在车尾断开信号TAU2与车载列控CBTC端口的连接，同时断开通信TAU2与车载交换机、列车运行状态信息的连接，步骤和预期结果同上。

图4 模拟LTE-M系统车载设备单端工作方案示意图Fig.4 Schematic diagram of simulating onboard equipment single-ended operation scheme of LTE-M system

在有条件的情况下，所有上线运行的车辆都应进行车头车尾TAU单端工作的测试，以便发现物理连接问题。如线缆接头是否松动、车载天线角度等是否为最优，同时也能校核车载设备参数设置是否合理。

3.3.2 PIS系统非实时媒体信息接收和播放测试验证方案

某列车在车辆段停靠时，控制中心下发播放列表及节目内容，在列车上，测试车载PIS系统能否通过LTE-M系统接收存储控制中心下发的播放列表及节目内容。

列车在正线运行时，车载PIS首先实时播放地面控制中心发送的节目信息，然后关闭车载PIS与LTE-M车头车尾的通信TAU1/2端口（模拟车地通信网络通信中断），如图5所示。测试PIS系统是否可以自动从本地制定的文件目录读取视频播放列表，再按照视频播放列表中视频文件的顺序读取视频文件，在LCD屏上及时清晰地进行显示。测试完成后，恢复该端口。

正常结果：在车辆段PIS能通过LTE-M系统接收存储控制中心下发的播放列表及节目内容。车载PIS系统在无LTE-M系统实时传输通道时，可自动从本地制定的文件目录读取视频播放列表，再按照视频播放列表中视频文件的顺序读取视频文件。

3.3.3 LTE-M系统综合业务承载验证方案

待信号系统业务测试稳定后，某一列车在正线运行时，分别加载车辆状态信息业务，下发车载PIS（紧急文本和视频流）和调用车辆2路视频业务。具体如下。

1）加载车辆状态信息

在控制中心查看能否收到车辆状态信息，是否正常工作。

2）播放紧急文本信息

模拟列车遇到紧急情况时，控制中心播放预案处理信息，在列车LCD屏前观察是否及时收到清晰的紧急文本信息。测试人员通过TETRA手台或者手机确认是否同步。

3）车载PIS实时媒体信息接收和播放

在控制中心进行节目播放，同时在列车LCD屏前观察，测试人员通过TETRA手台或者手机确认是否同步，图像是否清晰。

4）司机室和列车车厢状况实时监视

在控制中心的监视器上，同时调用司机室和列车车厢或车厢内的任意2路摄像机，通过TETRA手台或者手机与列车记录人员确认实时监视功能是否正常，图像是否清晰。

联调联试时，一项业务稳定且功能验证通过后，再进行下一项业务的加载。若前一项业务加载失败，则将业务从网络中断开，再进行其他业务系统的测试。

正常结果：列车运行正常，信号系统CBTC传递的信息和车辆状态信息无误，PIS紧急文本实时到达，车载PIS视频流和车载视频图像稳定流畅，无卡顿，列车车厢实况监视正常。

全部业务加载完成后，该列车至少应在全线跑两个往返，一个往返按列车正常时速运行，一个往返按列车最高速度运行，以验证LTE-M系统各个小区在不同时速下是否均具有综合承载的能力。

3.3.4 LTE-M系统压力验证方案

1）单小区多业务压力验证方案

图5 PIS系统非实时媒体信息接收和播放测试验证方案示意图Fig.5 Schematic diagram of verification scheme for non-real-time media information receiving and playback test of PIS system

在高架区段，上下行各运行3辆车，3辆车紧密追踪，模拟6辆车在一个RRU小区的情况。具体可在某个车站停留2辆车，上下行各有1辆车刚刚离开车站，上下行各有1辆车即将进站。如图6所示。该6辆车各自均已能正常综合承载CBTC业务、车辆状态信息业务、紧急文本、车载PIS和视频监控业务。

图6 单小区多业务压力验证场景示意图Fig.6 Schematic diagram of verification scenario for single Cell multi-service pressure

此时在控制中心调6辆车的车辆状态信息业务，下发车载PIS（紧急文本和视频流），并调用车辆2路视频监控业务。视频监控业务分两种情况：

a.一辆车的2路视频监控业务；

b.两辆车各1路视频监控业务。

正常结果：列车运行正常，CBTC业务正常，PIS紧急文本实时到达，PIS视频流和2路视频监控图像稳定流畅，无卡顿。

在全地下区段此场景不易构建，可在1～2辆车上，用软件模拟6辆车的场景进行压力测试。

2）带宽压力验证方案

在以上场景，若上述各项业务正常，可逐步增加调用视频监控视频流数量。首先增加到3路车载视频流，在控制中心显示屏观察结果，若无卡顿，再增加到4路车载视频流，观察结果，在控制中心显示屏观察结果，若无卡顿，再增加到5路车载视频流观察结果，在控制中心显示屏观察结果。

预估在10 MHz频谱下，LTE-M系统上行理想的情况下，传输带宽20 Mbit/s左右，高清摄像机码流按6 Mbit/s计算，应能最多调用4路视频监控业务，若摄像机码流为4 Mbit/s，应能最多调用5路视频监控业务，在小区边缘，最多调用2路或者1路视频流。

通过此项测试，可验证LTE-M的QoS，同时能够获得LTE-M系统的最大承载能力，即全业务情况下，可最大调用的车载视频流数量。

正常结果：无论调用几路视频业务，CBTC、车辆状态信息和紧急文本业务均不受影响，可正常运行。

4 需要说明的问题

在实际工程中进行LTE-M系统联调联试时，需要考虑以下几点内容。

1）若由于工期紧张，单系统调试未完成，即进行多系统联调联试，易发生故障定位不清，无法彻底解决测试中出现的问题。此时建议，先进行LTE-M系统网络性能测试，待其稳定后，按业务优先级进行业务加载：最先加载信号业务，其业务功能验证无误后，再加载车辆状态信息业务，接着加载PIS业务，最后加载车载视频监控业务。这样，当加载某个业务出现问题时，可初步判断是该系统与LTE-M之间的接口配合问题，从而可通过该业务端口抓包和协议分析去解决问题。

2）若车辆段先具备联调联试条件，而正线由于种种原因不具备联调联试条件，此时可先在车辆段进行LTE-M系统的联调联试，待正线具备条件后，再进行正线的LTE-M联调联试工作。如西安机场线，拟采用此种方式进行LTE-M的联调联试。

3）在有些工程，尤其有轨电车项目中，地面段会采用架设天线方式进行LTE-M系统的无线覆盖，此时应重点关注在弯道和交叉路口的LTE-M系统综合业务承载能力的测试。可将多列车综合业务承载能力测试场景安排在弯道或交叉路口处，同时可考虑在换乘站进行此场景的测试。

4）因LTE-M系统尚未广泛应用于承载集群语音调度业务，部分地铁公司在建设时预留了集群语言调度接入的能力。若承载集群语音业务，可参考常规无线语音通信业务的联调联试内容，在LTE-M联调联试测试时，重点关注一下集群语音的QoS，当网络拥塞时，能否保证通话质量。

5）在有些工程中，若LTE-M系统在信号专业中集成，仅承载信号专业的车地通信业务，则不需要进行LTE-M系统的联调联试工作。因为信号厂家在集成LTE-M系统时，已经进行了大量的实验室测试和第三方的验证测试，所以在实际工程线路上的测试，属于单系统测试。本文介绍的方案，适用于LTE-M系统包含在通信系统中或者单独建设的综合业务承载系统。

6）在联调联试过程中，若LTE-M系统不能正常承载信息时，各业务系统应明确影响范围，做好应急预案，防止造成系统设备损害。如发生设备设施故障或意外情况，应及时中止联调联试并采取临时措施，待故障恢复后再进行联调联试工作。

5 结论

本文阐述的城市轨道交通LTE-M系统综合联调方案，可用于目前的城市轨道交通联调联试项目中，不仅适用于1.8 GHz频段的LTE-M系统，也可适用于5.8 GHz的LTE系统。相信随着LTE-M技术的发展和越来越多的工程实践，LTE-M系统联调方案也将不断优化，将有利于联调项目顺利实施，以保证城市轨道交通项目顺利开通和运营。