孟寒松

(深圳市铁路投资建设集团有限公司， 518066， 深圳∥高级工程师)

我国的城镇化已经进入大都市区化发展阶段，除建设市内地铁、轻轨等外，还通过建设服务于城市与郊区、中心城市与卫星城、重点城镇间的市域铁路，形成一小时通勤的大都市区。这既避免了城市摊大饼式的发展，又最大限度地提高了大都市区的人口密度，发挥了大城市群的集聚经济，更好地实现经济和谐发展。

市域铁路相对地铁、轻轨等具有运行速度快、切换频繁等特点，故需要对其在LTE(长期演进)环境下信号系统的运行情况进行测试，分析LTE对信号系统性能的影响，明确在LTE网络下市域铁路信号系统的适应性。

本文对市域铁路环境下影响信号系统无线传输性能的关键影响因子进行分析，建立集成多种关键影响因子的无线信道仿真模型，搭建市域铁路环境下的仿真测试平台，针对各关键影响因子提出LTE系统优化措施，测试在不同列车运行速度下无线传输主要性能参数(时延、吞吐量及丢包率)，验证市域铁路信号系统在LTE网络中的适配性。

1 市域铁路环境下无线传输性能关键影响因子分析

1.1 多普勒频移的影响

LTE系统是通过多个频宽为15 kHz的子载波进行数据的传输，其发射端和接收端需要在对应的频率上进行调制解调无线信号。当频率发生偏移时会导致接收端无法正确解调，从而造成不同子载波之间的载波干扰及其相应码元之间的干扰。如文献[5]中描述，在SINR(干扰信噪比)为10 dB时，基于传输带宽5%频偏相较与没有频偏情况下，接收端误码率高25%。

列车在运行时，列车和轨旁基站进行相对运动，列车接收到的无线频率与基站发出的频率并不相同，同时基站接收到的无线频率与列车发出的频率也不相同。根据多普勒-斐索频移公式，偏移后的频率计算公式为：

(1)

β=v/c

(2)

式中：f′——偏移后的频率；

f——原频率；

v——列车运行速度；

c——光速；

θ——接收器与波源的连线到速度方向的夹角。

当列车运行速度为250 km/h时，多普勒理论频率偏移最大值为416.67 Hz，子载波的频率为15 kHz，频率偏移量占子载波传输带宽2.78%，系统误码率将提升，从而影响传输性能。

1.2 小区切换异常的影响

每个基站覆盖一定的区域(以下简称“小区”)。列车在线路上运行时，需要在不同小区内运行，并根据接收的无线信号功率执行切换操作。

整个切换操作流程按照3GPP(第三代合作伙伴计划)TS 24.301中定义，从终端进行测量上报开始，到终端RRC(无线资源控制)重配完成，期间涉及到终端、源服务小区、目的服务小区及核心网等多个网元。LTE小区切换操作各环节耗时如表1所示。

表1 LTE小区切换操作各环节耗时Tab.1 Opertion time for each link of LTE cell handover

当列车运行速度为250 km/h时，总计切换距离为42.85 m。在小区切换过程中终端接收的无线信号功率会发生巨大变化，可能导致小区切换异常，包括过早切换(由于目标服务小区发射功率过低导致误码率提升、吞吐量下降)、过晚切换(由于源服务小区发射功率过低导致误码率提升、吞吐量下降)、乒乓切换(在源服务小区和目标服务小区之间反复切换，每次切换均带来误码率提升)或者切换失败。小区切换异常均会影响传输性能。

1.3 信道多径急剧变化的影响

无线信号在传输过程中，除在发射端和接收端之间直线传输外，还通过周围环境中物体折射、反射，使得各路径信号到达接收端的时间、相位和到达角度不同，从而造成接收信号功率的加强或者衰落。在噪声保持不变的情况下，这将导致信噪比的上升或者降低。

LTE系统根据信噪比对数据包进行编码后发送。在信噪比为9.84 dB时可选择码率为0.455 1的64QAM(64正交幅相调制)进行编码，在信噪比为7.40 dB时可选择码率为0.540 0的16QAM进行编码[6]。即保持噪声不变条件下，信号接收功率降低2.44 dBm，吞吐量降低21%，且在低信噪比情况下采用高码率的编码方式，会提高误码率。

按照3GPP TR 38.901协议中的CDL(集群延迟线)模型，在视距传输情况下，除主径外其他多径最多可占总接收功率的11%，在非视距传输情况下，首先到达的信号功率最多仅占总接收功率的14%。

列车运行过程中，在发射端保持发射功率不变的情况下，信号经过不同路径到达接收端，导致接收信号功率的巨大变化，从而影响系统的吞吐量及误码率。

2 测试环境

2.1 无线传输信道仿真模型设计

无线传输信道仿真模型通过集成无线传输性能的关键影响因子，以时间为序，以相同时间间隔建立采样点，针对每个采样点计算列车所在的位置，按列车所在位置计算信道衰落系数，实现信道环境抽象和仿真模拟。具体设计步骤如下：

1)采用大尺度衰落模型仿真模拟列车在不同小区内运行时，列车与基站之间距离的变化造成的接收信号功率变化。由于市域铁路运行环境多处于建筑物分布稀疏区域，仿真模型选用Rma(Rural Macro，农村宏站)场景，根据每个采样点列车所在的位置计算信道衰落系数。

2)采用小尺度衰落模型仿真模拟列车通过不同多径接收到信号功率的变化，具体包括不同路径的到达功率衰减值、到达时延、相位及到达方向角等参数。由于轨旁基站天线位置相对较高，列车可保持视距传输，仿真模型选用CDL_D场景，根据每个采样点列车所在的位置计算信道衰落系数。

3)以采样点为序，将大尺度衰落模型和小尺度衰落模型中每条路径的衰减值进行合并。

4)结合该采样点列车和基站之间的夹角计算多普勒频移，得到该采样点列车所在位置点的信道衰落系数，最终建立无线传输信道的GBSM(基于几何的随机模型)。

2.2 测试环境搭建

按照上述仿真模型，使用信道仿真仪搭建测试环境。测试环境设置图如图1所示。设置2个相距1 500 m的基站，基站距离轨道的高度为100 m;列车在直线轨道上运行，并实现在2个基站间切换，每秒建立2 000个采样点仿真信道衰减系数。

图1 测试环境设置图Fig.1 Diagram of test environment settings

采用BBU(基带单元)和RRU(射频单元)组成基站，作为轨旁LTE发射接收端；采用核心网综合控制终端的入网及其数据的传输；采用GPS(全球定位系统)完成系统的时钟同步；采用TAU(列车接入终端)作为列车上LTE发射接收终端。测试平台架构图如图2所示。

图2 测试平台架构图Fig.2 Diagram of test platform architecture

本次测试中，LTE系统上下行频率设置为1 800 MHz，LTE系统频宽设置为5 MHz，小区双工模式采用TDD(时分双工)制式，上下行子帧配比采用SA1(上下行子帧配比为2∶2)模式，SSP(特殊子帧配比)采用SSP7(特殊子帧配比为10∶2∶2)的配比模式。

2.3 网络性能优化

列车高速运行环境下，多普勒效应、小区异常切换和信道多径急速变化等因素会影响无线信道的传输性能。本次测试针对上述关键影响因子分别采取相应措施对LTE系统网络性能进行优化。

1)多普勒效应:使用AFC(自动频率校正)技术实现基站频率校正，基站通过测量终端的连续数据，快速测算基站与列车终端间由于多普勒效应带来的频率变化,动态跟踪、校正两者之间的频率偏差,补偿高速移动下多普勒效应引发的无线通信损耗,以保证无线链路的稳定连接。

2)小区异常切换：通过降低测试上报间隔，实现及时反馈终端的信号接收功率，降低过早切换和过晚切换的可能性；通过限定系统进行同频切换，降低同频切换时间迟滞，从而降低切换时间；通过优化切换流程，降低基站和终端信令发送和处理时间，从而降低切换时间；通过优化重选参数，降低发生乒乓切换的可能性。

3)信道多径急剧变化:采用AMC(自适应调制编码)技术更快地实现不同信噪比情况下编码方式的改变，降低在低信噪比情况下由于采用高速编码方式导致的误码率，同时也在高信噪比情况下及时采用高速编码方式增加吞吐量；采用HARQ(混合自动重传请求)技术在无线链路层实现数据重传，降低丢包率；采用QCI1(专用承载服务等级标识1)在无线链路控制层实现数据重传，降低丢包率。

3 测试结果

为满足CTCS2+ATO(CTCS(中国列车运行控制系统),ATO(列车自动运行))的传输需求，无线传输需要满足：吞吐量大于1 Mbit/s，最大时延小于150 ms，平均丢包率小于1%。本次测试分别在160 km/h、 180 km/h、200 km/h及250 km/h等多种列车运行速度条件下，对无线传输的吞吐量、时延及丢包率等性能参数进行了测试。

3.1 吞吐量

随着列车运行速度改变，链路的吞吐量基本没有变化，但随着终端距离基站的位置不同，终端的吞吐量会受到较大影响。

上行链路最小吞吐量为2.2 Mbit/s，最大吞吐量为4.8 Mbit/s，最大吞吐量为最小吞吐量的2倍，测试结果如图3所示。

图3 上行链路吞吐量Fig.3 Uplink throughput

下行链路最小吞吐量为3.1 Mbit/s，最大吞吐量为11.2 Mit/s，最大吞吐量为最小吞吐量的3倍，测试结果如图4所示。

图4 下行链路吞吐量Fig.4 Downlink throughput

测试结果表明：在不同的列车运行速度条件下，链路最小吞吐量均大于1 Mbit/s，能够满足CTCS2+ATO的传输需求。

3.2 时延

随着列车运行速度改变，链路的平均时延基本没有变化，但运行速度的提升会较大地影响链路的最大时延。

上行链路平均时延为13 ms。列车运行速度为160 km/h时链路最大时延为29 ms，而列车运行速度达到250 km/h时链路最大时延为67 ms，约为160 km/h情况下的2倍。测试结果如图5所示。

图5 上行链路时延Fig.5 Uplink delay

下行链路平均时延为16 ms。列车运行速度为160 km/h时链路最大时延为24 ms，而列车运行速度达到250 km/h时链路最大时延为64 ms，约为160 km/h情况下的2倍。测试结果如图6所示。

图6 下行链路时延Fig.6 Downlink delay

测试结果表明：在不同速率情况下，链路最大时延均小于67 ms，能够满足CTCS2+ATO的传输需求。

3.3 丢包率

测试过程开启了HARQ，传输业务数据采用了专用承载，且设置为QCI1，在无线传输过程中出现的丢包通过重传的方式实现了弥补，从而丢包率均为0，能够满足CTCS2+ATO的传输需求。

4 结语

在市域铁路环境下，LTE系统传输数据时面临的环境非常复杂,对传输性能影响巨大。信号系统是确保列车正常运行的关键业务，需要保证高性能的传输。本文分析了市域铁路环境下多普勒效应、小区异常切换及信道多径急速变化等关键影响因子的成因和对无线传输性能的影响，综合考虑大尺度衰落模型、小尺度衰落模型及多普勒效应，建立了基于GBSM的无线信道模型，针对各关键影响因子对LTE系统性能进行优化。架构测试平台，分别测试在160 km/h、180 km/h、200 km/h和250 km/h等列车运行速度条件下的无线传输性能参数。仿真测试结果验证了在市域铁路环境下LTE技术能够满足信号系统的传输需求，也可为后期工程实践提供指导。