■ 劉曉慶

1 研究背景

為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行需求，城市軌道交通正在快速發(fā)展，尤其是高速線路（120 km/h以上）也逐步納入軌道交通線網(wǎng)建設(shè)，各種涉及安全運(yùn)營和舒適乘坐的通信需求也隨之增加。

目前，我國城市軌道交通行業(yè)中車地通信方式普遍采用開放式基于IEEE 802．11 WLAN技術(shù)的組網(wǎng)方案。由于地鐵線路周圍電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，采用2．4 GHz頻率開放頻段的WLAN系統(tǒng)容易受到外界民用無線設(shè)備干擾，將導(dǎo)致車地?zé)o線通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，造成車載視頻圖像不能實(shí)時(shí)回傳，不能滿足網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營安全要求。同時(shí)，在高密度、大客流運(yùn)營情況下，尤其是線路采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)模式時(shí)，車載視頻監(jiān)控信息上傳到地面控制中心的需求也變得越來越強(qiáng)烈。在發(fā)生突發(fā)緊急情況時(shí)，地面指揮人員需及時(shí)掌握車內(nèi)和車頭車尾的現(xiàn)場情況，指揮采取應(yīng)急措施，應(yīng)對車內(nèi)突發(fā)緊急情況，而現(xiàn)有車地通信技術(shù)（WLAN）不能提供足夠的技術(shù)支撐。

隨著城市軌道交通高速線路及市域快線工程的規(guī)?；ㄔO(shè)，列車運(yùn)行速度越來越高，車地?zé)o線通信系統(tǒng)頻繁處于高速移動(dòng)、高速切換狀態(tài)，系統(tǒng)丟包率、傳輸時(shí)延、傳輸速率以及抗多普勒效應(yīng)等問題，都對現(xiàn)有通信技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。為了更好地滿足城市軌道交通視頻業(yè)務(wù)傳輸要求，軌道交通車地?zé)o線通信亟需一種高可靠、適應(yīng)于高速移動(dòng)、大容量的通信技術(shù)。

2 EUHT技術(shù)

超高速無線通信（EUHT）來源于“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”國家科技重大專項(xiàng)（03專項(xiàng)），是我國自主研發(fā)的全球首個(gè)能夠解決移動(dòng)寬帶一體化的通信技術(shù)系統(tǒng)，是結(jié)合未來移動(dòng)通信系統(tǒng)高可靠、低時(shí)延、高移動(dòng)性等需求設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)[1]。EUHT在設(shè)計(jì)之初就考慮到應(yīng)用場景的多樣性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔、靈活、高效，具有高吞吐、高可靠、高速移動(dòng)性、低延時(shí)、低成本、低功耗和全雙工通信等特點(diǎn)[2]。

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

EUHT車地?zé)o線通信系統(tǒng)（簡稱EUHT系統(tǒng)）為列車綜合業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)通道，用來傳輸從地面中心到列車的各種數(shù)據(jù)信息、視頻信息和控制信息等，具有高性能、高可靠和高穩(wěn)定性，以滿足綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)不間斷的服務(wù)要求。EUHT系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高可靠性，能滿足業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)營需要；

（2）車地?zé)o線為透明無線信息傳輸通道，達(dá)到雙向?qū)崟r(shí)數(shù)字圖像傳輸及數(shù)據(jù)信息傳輸要求；

（3）對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密，采集、傳輸過程中能防止數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)具備防止黑客和非法信息入侵的功能；

（4）不同廠商的列車系統(tǒng)與EUHT網(wǎng)絡(luò)能夠互聯(lián)互通；

（5）無線系統(tǒng)具有抗干擾能力；

（6）網(wǎng)絡(luò)易于擴(kuò)展和管理。

結(jié)合CJ/T 500—2016《城市軌道交通車地實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)》的要求，EUHT系統(tǒng)指標(biāo)符合下列要求：

（1）每列車的平均吞吐率不低于150 Mb/s；

（2）EUHT接入單元（EAU）在不同EUHT基站單元（EBU）之間的切換時(shí)延低于50 ms；

（3）空口延遲小于20 ms。

綜上所述，EUHT車地?zé)o線通信系統(tǒng)提供的單列車雙向傳輸?shù)挠行挷坏陀?50 Mb/s。

2.2 基本參數(shù)

EUHT系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)高可靠、低時(shí)延、高速移動(dòng)、高吞吐以及高效、高靈活度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于EUHT的技術(shù)方案基本參數(shù)如下：

（1）單載頻帶寬支持20/40/80 MHz。使用單路射頻通道可支持大帶寬，有效降低系統(tǒng)成本。

（2）使用高度靈活的時(shí)分雙工（TDD）物理幀結(jié)構(gòu)。幀長、各傳輸信道占比、上下行配比等均可任意調(diào)整。

（3）上下行信號波形統(tǒng)一使用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）。簡化芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)使用先進(jìn)的數(shù)字預(yù)失真技術(shù)降低信號峰均比，提高功率放大器效率。

（4）OFDM子載波間隔使用78．125 kHz。既能更好地滿足高速移動(dòng)適應(yīng)性需求，又能有效提升頻譜效率，并降低傳輸時(shí)延。

（5）支持2/4/8流多天線傳輸，16/64/256正交振幅調(diào)制（QAM）， 低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）糾錯(cuò)編碼。EUHT系統(tǒng)峰值吞吐率可達(dá)到3．48 Gb/s。

根據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組確定的5G技術(shù)主要應(yīng)用場景與關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)，對未來5G技術(shù)針對各類典型應(yīng)用場景需達(dá)到的指標(biāo)要求進(jìn)行了描述，EUHT系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到IMT-2020所提出的相關(guān)要求[3]。

3 解決方案

EUHT系統(tǒng)由EUHT中心、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和車載網(wǎng)絡(luò)4部分構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

3.1 EUHT中心

EUHT中心設(shè)備包括控制中心（ECC）、數(shù)據(jù)中心（EDC）和室內(nèi)單元（EDU）。ECC負(fù)責(zé)完成對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息的接收和采集，并完成對設(shè)備的日常維護(hù)管理；EDC負(fù)責(zé)對承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及應(yīng)用，并完成與EUHT系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的地面設(shè)備EDU連接；EUHT中心設(shè)置2臺(tái)EDU，負(fù)責(zé)匯聚各車站EDU上傳的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)提供與外部網(wǎng)絡(luò)連接的接口。

ECC及EDC采用主備工作方式。系統(tǒng)主設(shè)備工作時(shí)，備用設(shè)備處于熱備狀態(tài)，并能保證當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)備用設(shè)備可以快速切換成主用設(shè)備狀態(tài)，2臺(tái)EDU設(shè)備可根據(jù)需求采用不同的配置。

圖1 EUHT系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 有線網(wǎng)絡(luò)

有線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)完成對管理區(qū)域內(nèi)無線系統(tǒng)接入，實(shí)現(xiàn)對無線系統(tǒng)的接入管理、認(rèn)證和控制等。EDU設(shè)備內(nèi)含交換機(jī)，各節(jié)點(diǎn)EDU通過光纖連接，構(gòu)成EUHT有線網(wǎng)絡(luò)，并將相關(guān)信息傳至中心。

EUHT系統(tǒng)在沿線各車站每站設(shè)置1臺(tái)交換機(jī)用于沿線基站EBU的組網(wǎng)，以及與EUHT中心核心EDU設(shè)備連接。各車站EDU星型接入EUHT中心核心EDU設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)

EUHT無線網(wǎng)絡(luò)主要由區(qū)間EBU和天線單元（EAT）組成，每個(gè)EBU通過4芯光纖（2主2備）與EDU以星型方式連接，通過EBU和EAT實(shí)現(xiàn)對全線路的無線信號覆蓋，完成車地之間雙向數(shù)據(jù)流的無線傳輸。

（1）系統(tǒng)頻段。EUHT系統(tǒng)使用5 725～5 850 MHz頻段，根據(jù)電磁環(huán)境測試結(jié)果可選取80 MHz作為系統(tǒng)頻率進(jìn)行組網(wǎng)。

（2）EBU布點(diǎn)原則。根據(jù)廣州地鐵6號線、知識城支線實(shí)際工程建設(shè)情況，并結(jié)合EUHT鏈路模型分析，EUHT基站可參考的布點(diǎn)原則見表1。

采用上述布點(diǎn)原則進(jìn)行基站設(shè)置時(shí)，高架區(qū)段可采用單點(diǎn)單站覆蓋，隧道區(qū)段可采用雙洞雙站覆蓋。不同場景的基站設(shè)置示意見圖3。

圖2 EUHT有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表1 EUHT基站布點(diǎn)原則

3.4 車載設(shè)備

車載設(shè)備包括無線接入單元（EAU）、EAT和車載服務(wù)單元（ESU）。EUHT系統(tǒng)在車頭和車尾司機(jī)駕駛室分別設(shè)置1臺(tái)EAU，相應(yīng)在列車司機(jī)室頂部天線倉內(nèi)設(shè)置2臺(tái)EAT，進(jìn)行無線信號的收發(fā)和控制，完成與地面的無線通信；在列車兩端微機(jī)柜內(nèi)分別設(shè)置1臺(tái)ESU，與司機(jī)室EAU及車載交換機(jī)相連，ESU設(shè)備車載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成見圖4。

EAU和EAT通過射頻電纜連接，EAU和ESU通過千兆以太網(wǎng)線連接。每列車設(shè)置2臺(tái)EAU、4副車載EAT、2臺(tái)車載ESU。EUHT車載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成見圖5。

4 測試報(bào)告數(shù)據(jù)

EUHT技術(shù)已在開通的高鐵線路（京津城際）和地鐵線路（廣州地鐵知識城支線）由第三方檢測機(jī)構(gòu)北京交通大學(xué)軌道交通控制系統(tǒng)國家工程研究中心進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)測試，并形成正式測試報(bào)告。

4.1 高鐵線路

京津城際列車在速度300 km/h情況下，測試結(jié)果為：EUHT系統(tǒng)平均吞吐率達(dá)到近150 Mb/s，切換成功率100%，數(shù)據(jù)丟包率＜0．41%，上下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)平均傳輸時(shí)延5～6 ms[4]。

4.2 地鐵線路

廣州地鐵知識城支線（已于2017年12月28日開通運(yùn)營，列車最高運(yùn)行速度為120 km/h）EUHT系統(tǒng)性能測試結(jié)果為：系統(tǒng)平均吞吐可達(dá)到407 Mb/s，切換成功率100%，平均切換時(shí)延26．2 ms（MAC層），網(wǎng)絡(luò)傳輸平均時(shí)延4．5 ms，數(shù)據(jù)丟包率0．02%（2路3M視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）數(shù)據(jù)），端到端傳輸平均時(shí)延4．2 ms。測試結(jié)果表明，EUHT系統(tǒng)在列車運(yùn)行中，單車可同時(shí)承載30路（6路×3 Mb/s+24路×1．5 Mb/s）CCTV業(yè)務(wù)和1路（8 Mb/s）乘客信息系統(tǒng)（PIS）業(yè)務(wù)[5]。EUHT技術(shù)解決了列車高速移動(dòng)情況下大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，并且具有極高的可靠性、極低的傳輸時(shí)延。

圖3 EUHT基站設(shè)置示意圖

圖4 ESU設(shè)備車載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

由北京交通大學(xué)提供的測試數(shù)據(jù)及實(shí)際調(diào)取視頻監(jiān)控圖像的效果可見：EUHT技術(shù)所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)全面高于目前城市軌道交通已發(fā)布規(guī)范中對無線通信技術(shù)移動(dòng)速度、平均吞吐率、邊緣吞吐率、切換成功率、數(shù)據(jù)丟包率和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的指標(biāo)要求。

廣州地鐵知識城支線在列車速度120 km/h情況下，實(shí)時(shí)調(diào)取單列車30路高清視頻監(jiān)控信息實(shí)際效果見圖6，實(shí)時(shí)調(diào)取車載單路視頻圖像效果見圖7，實(shí)時(shí)播放車載PIS圖像效果見圖8。

4.3 不同技術(shù)測試數(shù)據(jù)對比

通過對比軌道交通車地?zé)o線通信組網(wǎng)技術(shù)EUHT、LTE-U、WLAN（802．11n）的實(shí)際線路測試報(bào)告數(shù)據(jù)，總結(jié)得到車地?zé)o線通信技術(shù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比（見表2）。

與當(dāng)前城市軌道交通無線通信技術(shù)（LTE-U、WLAN（802．11n））相比，EUHT技術(shù)在移動(dòng)寬帶一體化方面突破了以往長期的技術(shù)瓶頸，提供了更好的高速移動(dòng)適應(yīng)性、更大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、更低的空口接入時(shí)延和更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)漫游切換性能。

5 結(jié)束語

圖5 EUHT車載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

通過對EUHT進(jìn)行技術(shù)性能與優(yōu)勢分析，提出基于EUHT技術(shù)組建車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的解決方案，結(jié)合高鐵線路、城市軌道交通線路的實(shí)際測試數(shù)據(jù)分析，并對比軌道交通行業(yè)內(nèi)主流車地?zé)o線組網(wǎng)技術(shù)的測試報(bào)告數(shù)據(jù)，可以得出120 km/h速度城市軌道交通工程采用基于EUHT技術(shù)組建車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)完全可行。同時(shí)，該結(jié)論也為市域鐵路（160 km/h以上）工程建設(shè)提供了參考依據(jù)。

圖6 實(shí)時(shí)調(diào)取車載30路視頻圖像效果

圖7 實(shí)時(shí)調(diào)取車載單路視頻圖像效果

圖8 實(shí)時(shí)播放車載PIS圖像效果

表2 城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比

[1] 郭敏．淺析EUHT在地鐵無線中的應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(28)：23-23．

[2] 姜博，李輝，梁軼群．基于EUHT的鐵路站車WiFi車-地通信系統(tǒng)測試方案設(shè)計(jì)[J]．鐵道通信信號，2017，53(2)：70-73．

[3] 梁家榮．淺析EUHT技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用[J]．中國交通信息化，2017(7)：118-120．

[4] 北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心．北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心EUHT系統(tǒng)性能及PIS、CCTV業(yè)務(wù)承載能力測試報(bào)告[R]．北京，2017．

[5] 北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心．北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心廣州地鐵14號線（一期）知識城支線EUHT系統(tǒng)性能測試報(bào)告[R]．北京，2018．