| 标题 | LTE车地无线通信系统互联互通测试研究 |
| 范文 | 司朝刚 摘 要：城市轨道交通建设周期长，不同线路车地无线通信系统可能采用不同厂家设备，这样不利于地铁运营部门管理，甚至，当列车跨线运营时可能造成列车紧急制动或者发生安全事故。该文首先对LTE车地无线通信系统互联互通测试需求与测试场景进行分析，其次设计互联互通测试方案，最后给出测试结果并讨论，对其他LTE互联互通测试的开展具有参考意义。 关键词：LTE；车地无线通信；互联互通 中图分类号：U231 文献标志码：A 1 基于LTE的车地无线通信系统简介 城轨CBTC系统由于其双向、连续、大容量传输的优势，逐渐成为信号系统的主流，其中基于LTE的车地无线通信系统是承载列车安全信息的重要传输通道，在目前新建的城市轨道交通中占据着重要地位。 LTE车地无线通信系统由控制中心EPC、车站BBU、轨旁RRU、漏泄同轴电缆、车载无线控制单元TAU以及附属的交换设备组成，其中核心网EPC由MME、SGW、PGW 3个实体功能模块构成。LTE各网元设备间存在接口及相应的网络协议，系统网络架构如图1所示。 2 车-地无线通信系统互联互通测试方案设计 2.1 互联互通测试需求分析 为便于LTE互联互通测试的进行，选择2个不同设备厂家进行测试，其中地面EPC、eNB与车载TAU分别选择不同设备厂家。 统一各LTE网元设备间的接口是实现互联互通的关键，因此需要对TAU和基站间的Uu接口、基站和MME间的S1接口、MME和HSS间的S6a接口以及MME与MME间的S10接口进行测试，其中S10接口为实现TAU在不同小区间切换，在2个不同核心网MME间建立隧道来传送控制信息。虽然3GPP对LTE各接口的功能有标准定义，但是各通信设备厂家实现的方式各有不同，需要在测试过程中逐一调试完善。 互联互通测试涉及2个不同设备厂家，在测试过程中难免出现责任划分问题，因此需要有相应的设备进行实时监测和安排第三方专员进行测试跟踪。 2.2 互联互通测试场景分析 根据车载TAU接入地面设备之间的过程，将互联互通分为3个测试项，分别为无线RRC接入功能测试、核心网NAS层功能测试以及无线越区切换测试，其中无线越区切换过程测试不仅包括前2个功能测试项，还可测试LTE系统不同接口。 2.2.1 RRC无线接入过程 该过程主要验证TAU在指定的E-UTRAN 的小区中能正确接收和解析系统信息，收到寻呼消息后，能正确完成RRC连接的建立、释放及重配置，同时可以建立起数据/信令无线承载，并对无线接入过程进行加密和完整性保护。 2.2.2 核心网NAS层功能 该过程主要验证TAU接入核心网后，网络侧的信令处理机制。包括TAU与网络间的附着、分离、鉴权和密钥协商过程；跟踪区更新、业务请求、寻呼响应等移动性管理。也包括专用承载的激活、修改、删除等会话管理。 2.2.3 TAU从一个小区切换到另一个小区，完成RRC无线连接和核心网侧处理 LTE切换可分为站内切换、基于X2/S1的站间切换以及跨核心网的站间切换。为最大程度地验证互联互通测试的正确性，着重测试后者，即TAU的控制流和数据流经过2家不同厂家的基站和MME侧，实现切换成功。LTE不同测试场景对应不同的信令消息，信令中携带关键信元。 2.3 互联互通测试方案 该部分搭建互联互通测试链路，模拟车地无线通信过程，首先测试地面设备和车载设备的无线连接性能以及核心网的处理功能，再通过模拟列车跨不同小区不同核心网下的越区切换性能。 2.3.1 互联互通无线接入测试方案 该方案用于测试静态连接性，验证分别来自2个不同厂家的TAU和核心网（含基站）之间是否能相互接入，包括了RRC无线连接和NAS层功能测试项，测试系统无线连接时延、丢包率及传输带宽的指标。 PC1和PC2为终端服务器，装载IxChariot软件，分别在性能指标测试时，模拟车地通信设备，核心网EPC、BBU、RRU均属于厂家A设备，TAU来自厂家B，固衰和可编程衰减器模拟车地无线通信环境，通过调节固衰和可编程衰减器，设置车载TAU处的RSRP达到-85 dBm，SINR为19 dBm，该值也是车载终端在LTE基站覆盖下的小区边缘接收到的信干噪比。测试中子帧配比为DSUUDDSUUD，特殊子帧配比为10︰2︰2，系统带宽为5 M，对于下行链路，参考信号发射功率为10 dBm，RRU发送功率为47 dBm；对于上行链路，TAU发送功率为-23 dBm～23 dBm，路径损耗约为90 dBm。在IxChariot软件上设置一路CBTC业务，数据包大小为400 Bytes，传输速率为100 kbps，通过启动PC1和PC2上的IxChariot控制端开始测试。 2.3.2 互联互通越区切换测试方案 该方案用于测试车载的切换性能，2个RRU同属一个BBU，同样的，厂家B的TAU在厂家A的网络间跨区切换，系统参数配置与静态测试相同。 车地无线环境由固衰、可编程衰减器以及合路器模拟，其中固衰为60 dB，可编程衰减器从0 dB～60 dB以每500 ms变化1.5 dB的速率调节，通过固衰和可变衰减的共同调节模拟列车真實越区切换的信道条件，保证每10 s车载在2个RRU小区间至少切换1次，合路器实现TAU与可编程衰减器间的连接。 2.3.3 互联互通跨核心网切换测试方案 该方案是对方案二的补充和深化，厂家A的TAU从自己的网络切换到厂家B的网络，其中基站eNB（BBU+RRU）和核心网分别从属于不同设备厂家，切换路由经过2家的基站和核心网设备且共用一个HSS，系统参数配置与上述2方案一致，设备架构连接如图2所示。 地面区域控制器ZC1和ZC2用2台PC机模拟，MME之间的接口为S10，MME与HSS之间的接口为S6a，整个地面设备通过交换机相连，该切换测试将接口、RRC、NAS等功能测试项整合，其中信令监测仪连接交换机上的镜像接口监测互联互通信令交互，为测试提供第三方认证服务。 3 测试结果及讨论 车地通信时延、丢包主要影响列车运行效率。在10 M带宽配置下，切换1 000次，LTE单核心网切换时延平均值为46 ms ，最大值为127 ms；跨核心网切换时延平均值为47 ms ，最大值为186 ms，丢包率为0。 地铁设计中，一般控制中心设置的核心网设备与车站通信设备交互，丢包率和单核心网切换时延符合大部分配置实际，且满足信号系统对LTE车地无线通信系统丢包率小于1 %，时延小于150 ms的传输需求。跨核心网切换测试是对设备性能的极限测试，测试结果小于信号系统对车地无线传输的极限值。测试结果丢包率为0，是由于LTE技术中有缓存和转发机制，越区切换时，先将数据保存在切换前的基站一侧，切换成功后，通过基站间的X2接口转发到另一侧，防止了数据包丢失。 4 结语 该文研究了LTE车地无线通信系统互联互通测试需求、设计测试方案、搭建测试环境、讨论测试结果，LTE互联互通测试结果表明其无线传输性能能够满足信号系统的要求，为现场互联互通测试提供了一定依据。 参考文献 [1]姚斌.3GPP LTE无线接口协议及体系结构[J].移动通信，2007，31（12）：54-57. [2]步兵.CBTC系统中无线通信的可用性分析[D].北京：北方交通大学，2001. |
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