基于奇异值去除的非现场异步LTE网络时延测试方法

摘要

本文提出的传输延迟测量的用于基于通信的列车控制（CBTC）系统异步条件下的实验系列。提出了一种三阶段异步时钟校正方法。之前和之后的工作阶段中，发射器和接收器之间的时钟差，而且相对偏移和相对工作阶段的两个端子之间的偏移被导出，并且它向传输延迟的实验验证进一步引线。为了提高测量精度，奇异值来区分，并在测试消除。使用这种方法，在长期演进的地铁（LTE-M）的列车和上海张江地铁训练线信令室被成功测量之间的通信，这表明所提出的单向传输延迟的有效性的传输延迟测试。

1.介绍

为了测试地铁(LTE-M)长期演进的上行链路和下行链路传输延迟[1,2]，有必要给个人计算机（PC）的时钟的两个端子之间的同步。在轨道交通的基于通信的列车控制（CBTC）系统，存在火车粉碎，无法实现在两个终端PC之间的时钟同步之间只有一个LTE方式。常用的IxChariot [3.]使用NTP协议，通过发送和检索测试数据来获取环回延迟。在ix战车中，通过测试环回延迟来研究LTE-M的切换延迟，并将单向传输延迟视为环回延迟的一半[4- - - - - -6]。iperf的[7]是网络通信协议的性能测量工具，用于测试网络吞吐量、统计时延抖动和丢包率。Wireshark (8]捕获所有流经网卡的数据包，它可以进一步检测网络安全相关的问题[9]。当服务数据仅在单向链路上传输时，上述工具都不能用来测试传输延迟。

为了分析时间同步场景，利用双网络接口卡(NIC)测量单向传输中的延迟。一个网络端口用于NTP同步时钟，而另一个网络端口传输服务数据。但该方案不适用于轨道交通系统。在无线传感器网络中，通过使用物理层中的时间戳[10]时，时间偏移误差是现场可编程门阵列（FPGA）的平台上实现低于100皮秒;然而，这种方法是不合适的，以获得在我们的测试场景中的时间戳。在无线传感器网络（WSN）的定位问题主要取决于节点之间的时钟同步。同步和本地化之间的耦合已经研究了许多相关的著作[11,12]，和定位是基于到达时间（TOA）或到达（TDOA）测量值的时间差的时间来执行的。为了达到较高的精度，定位方案需要精确的时钟同步的所有节点之间的非常复杂的过程为代价[13]. 复杂的时钟同步算法不适合计算车地通信的高实时性的时延。传感器网络定时同步协议（TPSNs）[14]通常是一种针对大密度网络节点的时间同步方法。由于每个节点都需要按层次结构进行同步，导致分组交换次数多，协议能耗高，因此不必用于轨道交通两端的通信。大多数基于多节点的协作网络同步[13- - - - - -15]着眼于节点网络的协作架构，而在这两个节点之间的同步方法的研究较少。基于无线传感器网络，软件歪斜的方法上和偏移补偿[16,17]，以解决两个节点之间的单跳直接连接同步问题。除此之外，CBTC的通信通过多个节点，最终生成一些奇异值。

根据CBTC通信同步的要求，本文的工作如下:(1)提出了一种改进的软件歪斜和偏移补偿方案。由于在CBTC的通信过程中会产生一些奇异值，为了保证时延的准确测量，对奇异值进行了仔细的去除。(二)提出了一种三阶段异步时钟校准方案，包括第一校准阶段、工作阶段和第二校准阶段。在校准阶段，积累发射和接收时钟的相对偏差和偏移量，以验证工作阶段的传输延迟。

本文的结构如下：第一节2描述了时钟漂移模型，并给出了时钟同步的公式。部分3.提出了一种LTE-M单向传输时延测量方法和奇异值去除方法。剖面图4介绍了上海张江地铁培训线LTE上行和下行延迟的实验测试。最后，在第节中给出了结论5。

2.系统模型

2.1。时钟漂移模型

通信网络中节点的时钟同步是非常必要的，每个节点都有自己的本地时钟。两个网络节点之间的时钟由本振子驱动，当振荡器的频率和补偿偏移时产生时钟差异[18]. 因此，本地硬件时钟可以表示为[16,17]: 哪里t是实时的，是硬件的时钟偏差，以及是硬件的时钟偏移量。在实践中, , 由于PC振荡器的特性，并且 , 是不能人为调整的硬件参数，如图所示1。我们将两台pc之间的时钟差定义为 ,哪里代表开始时钟差异。

为了实现时间同步，首先，我们需要讨论两端的硬件时钟之间的相对关系。很明显，时钟差异主要取决于相对抵消以及相对倾斜 : 哪里定义为相对倾斜和 定义为相对偏移量;此外,和是描述两个节点的硬件时钟之间关系的重要参数。从公式(2)，我们可以找到和依赖于 , , ,和分别是参数。因为 , ,和都是未知数，不容易计算吗和直接参数;因此，我们需要通过大量的测试数据来拟合线性函数的参数。

2.2条。三级校正原理

为了获得更精确的相对偏差和相对偏差，本文提出了一种新的时钟同步方法，将测试分为三个阶段:第一个校准阶段、工作阶段和第二个校准阶段。在校准阶段，通过发送和返回数据来传输校准测试数据。在工作阶段，传输列车控制的单向数据进行进一步处理。为了更好的理解这个模型，我们记录了传播和到达的时间，如图所示2。

在第一次校准中，可以计算出相对偏移量1。在第二次校准中，可以得到相对偏移量2。根据相对偏移量1和2，可以计算出两端时钟的相对偏移量。然后，根据两端时钟的相对偏移量和相对偏度，估计两端时间的线性关系。计算结果用于计算工作过程中两端对应的时间。这样，可以谨慎地获得工作阶段单向传输的时延。

3.三相异步时钟校正

3.1。相对偏移和相对倾斜原理

相对PC的两个端部之间的偏移量是通过使用NTP [获得19]。NTP协议模型如图左侧所示3.，其中代表PC的时钟_B,表明PC的时钟_一个。首先,B末端发送的发送时刻到一个终端。该一个-终端记录接收数据包的时间信息为 。第二,一个末端会发 , ,以及目前的交货时间到B末端，其中记录接收时间 。因此,我们发现

然后，我们将NTP时间模型应用于平面如图右所示3.。在第一次校准时，时间发送的B-终端对应时间的一个终端,由一个-终端对应时间的B-终端，和时间发送的一个末端再次对应的时间的B终端。的时间这一B-终端最终接收到对应的时间在一个终端。重复了上面的测试N达到和 ,然后取平均值，我们就可以得到

在第一次校准之后，LTE-M系统进入工作阶段。两端发送列车控制数据并记录收发机的本地时间。工作阶段结束后，进行第二次校准，方法与第一次校准相同。稍后，我们在直线上得到第二个点，Test2( , ）。

根据两个终端的时钟关系(2），我们获得的线性拟合线和通过使用Test1和Test2:

从（5)- (7)，我们可以

此公式表示两端的时钟关系，其中 , 。利用时钟关系可以改善工作阶段得到的单向传输时延。如图工作阶段所示3.，例如，在一个-终端发送本地时间 ,的B-终端接收并记录接收时间 。由时钟关系函数(8),

真正的单向传输延迟等于 。

理论上，只需要初始同步而不需要更换设备。但由于奇异值等测试误差的存在，拟合线并不完全准确。经过一段时间后，很容易出现误差，因此考虑周期同步[20.]. 由于它是一个三级时钟校准，工作级代表列车进入车站并与基站通信。为了最大限度地提高基于安全原因的延误精度，可以根据列车进站的频率进行周期同步。

3.2。奇异值去除

在第一和第二时钟校准过程中，存在着各种各样的现象，如数据等待、排队、阻塞、丢包等。因此，为了处理这个问题，在延迟数据中放置了抖动和一些奇异值，如图所示4。大部分的传输延迟的分布接近相同的均值，而一些奇异值是非常大或非常小。在校准阶段，这些奇异值影响时钟校准的精确度并且必须被去除。

存在的特殊大小值只占很小的比例，可以看作是奇异值。当数据作为奇异值删除，第一条校准拟合线设置为第二校准拟合线设置为由公式(7),分别。

选择原则具体如下：和可最大程度地安装成直线，其中米数据长度和d表示两条拟合线之间的时间平均方差距离： 什么时候d取最小值为阈值。

3.3。三阶段法的验证

为了进一步验证三级异步时钟校正的可行性，在完成三个阶段的CBTC传输实验后，从网络上断开两台pc，然后直接用网线连接两台pc。我们提出验证阶段，验证A、B两端的时钟是否符合公式(7)的时间模型。验证阶段如图所示5。

当代入公式(9)，则为估计值可以计算。在取多个值后，我们记录计算值与实际值之间的延迟误差表1和图6如下。在图6，我们发现延迟误差在0附近均匀分布。由于系统的复杂性和传输路径的多个节点，相同大小的数据传输后得到的传输时延是不一样的。表中1,的minimum difference is −18.07 ms and the maximum difference is 10.00 ms. The average difference is −0.69 ms and the root mean square is 3.07 ms in this test. Moreover, among the 71070 packets, the number of packets whose absolute error is greater than 8 ms is 18, which can be ignored. The results show that the approach meets the requirement of CBTC delay measurement accuracy of 1 ms and can be used for the one-way communication in asynchronous clock condition of train-station communications.

4.实验结果

4.1。张江地铁线培训的LTE系统结构

该LTE-M standard stipulates that in the transmission of train control service, the probability of one-way single-channel transmission delay greater than 150 ms cannot exceed more than 2%. The transmission delay test of LTE-Metro system is carried on Shanghai Zhangjiang Metro Training Line, and the actual scene is shown in Figure7（b）中。在LTE-M系统架构主要由演进分组核心（EPC），基带单元（BBU），射频拉远单元（RRU）和终端接入单元（TAU）的。火车PC和PC赛道携带CBTC数据基本测试平台的建设运营。基站设备赛道PC经由开关3连接到核心网络的列车设备连接到TAU，和在另一方面中，进一步通过无线通信连接到交换机2，如图7(a)此时，轨旁PC远离列车PC，列车设备随列车高速运动，无法直接连接进行时钟同步。因此,利用三级异步时钟校正方法运行网络层通过单通道测试程序,我们可以精确测量挂钩的单向传输延迟和下行基站和培训和检查系统的传输延迟是否符合LTE-M标准。

4.2。LTE-M异步延迟实验结果与分析

4.2.1条。LTE通信系统的实验室延迟测试

我们按照图实验室连接LTE系统7验证该方法的可行性。本文提出的单通道同步测试方法与双通道同步测试方法进行了比较。桌子2给出了该方法在时钟异步条件下的测试结果。桌子3.给出了时钟同步条件下双通道同步测试方法的测试结果。通过对两表中上行平均延迟和下行平均延迟的比较，可以看出两种方法之间存在着一定的差异。在几乎相同的测试周期内，异步条件下上行链路和下行链路的平均传输延迟分别为33.7 ms和15.1 ms。此外，同步条件下上行链路和下行链路的平均传输延迟分别为30.5 ms和14.6 ms。测试中没有丢包，最大传输延迟不超过150ms。因此，延迟测试准确地满足了CBTC传输延迟测量的要求，验证了所提方法的可行性。

4.2.2。张江地铁培训线LTE通信系统延时测试

在上海张江训练线上，CASCO采用该方法对LTE的时延进行测试，如图所示7。在测试中，所述地面PC是在信令室和列车PC上运行的火车。两端使用这种测试方法来传输实时业务数据。在试验结束时，几个进行了实验，以消除奇异值和实验结果记录在表4。

从表中的结果4结果表明，在每个实验中，奇异性阈值α%都是确定的。可以看出，标定阶段的奇异值是随机的，因此每次去奇异都需要选择最小值d根据实际情况。

上海张江地铁训练线传输时延试验采用三级异步时钟校正方法。表中列出了部分试验数据5。在列车控制业务传输中，轨道侧上行平均延迟基本保持在25 - 28ms，最大延迟保持在49-121 ms。列车的下行平均延迟保持在15-22毫秒，最大延迟保持在84-237毫秒。轨侧与列车单向传输延迟的概率大于150 ms，小于2%。除了一个值大于0.20%外，几乎所有的值都感知到接近0%，如表所示5。这些结果满足了LTE-M试验指标的要求，验证了所提方法在试验中的可行性。

5.结论

在本文中，时间差是偏移的相对术语以及相对歪斜考虑。三阶段异步时钟校正方法，它包含在第一校准阶段，工作阶段，和第二校准阶段，在异地异步LTE网络的情况下，提出了在校准阶段中产生的奇异值被去除基于考虑了相对偏移和相对偏斜线性原理。通过这种方法，我们已经成功地测试了上海张江地铁线培训LTE网络的时延性能。结果表明，该方法可以测量LTE-地铁通信系统，其提供用于评估CBTC系统可靠性的测量工具的单向传输延迟。

数据可用性

由于保护知识产权，用于支持本研究结果的测量和模拟数据尚未提供。此外，这些数据将与我们的合作公司共享，并将在我们未来的工作中使用。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

国家自然科学基金(批准号:61871261)资助的课题。作者特别感谢李振宇先生和Asad Saleem在实验和校对过程中给予的帮助。

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