鄧紫陽(yáng)

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000）

城市地鐵的大規(guī)模化建設(shè)，設(shè)計(jì)列車運(yùn)行速度越來(lái)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)等要求都對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)提出挑戰(zhàn)。

同時(shí)，在高密度、大客流運(yùn)營(yíng)情況下，車載多路視頻監(jiān)控信息同時(shí)上傳到地面控制中心、地面公安的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，尤其突發(fā)緊急情況時(shí)，地面指揮人員需要及時(shí)掌握車內(nèi)和車頭車尾等多路視頻圖像的現(xiàn)場(chǎng)情況，指揮應(yīng)急措施處理車內(nèi)突發(fā)緊急情況。

1 乘客信息顯示系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)現(xiàn)狀

目前，基于IEEE802.11系列的無(wú)線通信系統(tǒng)是軌道交通乘客信息顯示系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱PIS）的主流車地?zé)o線技術(shù)， 802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac等是無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中802.11n工作在2.4 GHz或5.8 GHz頻段，靜態(tài)下理論速率可達(dá)600 Mbit/s；802.11ac工作在5.8 GHz頻段，靜態(tài)下理論速率可達(dá)1 Gbit/s。

可是，WLAN技術(shù)在140 km/h以上高速移動(dòng)下的應(yīng)用于PIS車地?zé)o線傳輸尚屬罕見(jiàn)，且隨著列車速度提高，上下行帶寬吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足預(yù)期。

長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）專門針對(duì)移動(dòng)高帶寬應(yīng)用設(shè)計(jì)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，是我國(guó)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在20 MHz頻寬下能夠提供下行峰值速率100 Mbit/s與上行峰值速率50 Mbit/s，能夠?yàn)?50 km/h高速移動(dòng)用戶提供不小于50 Mbit/s的接入服務(wù)。

可是，工業(yè)和信息化部《關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》要求，系統(tǒng)頻率資源在軌道交通的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)大帶寬、高容量、高速率，滿足高清、超高清列車視頻圖像上傳需求，也不容樂(lè)觀。

2 EUHT技術(shù)簡(jiǎn)介

超高速移動(dòng)通信技術(shù)（EUHT）是我國(guó)自主研發(fā)的能夠解決“移動(dòng)寬帶一體化”的通信技術(shù)系統(tǒng)，工信部“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)于2010年設(shè)立《超高速無(wú)線局域網(wǎng)無(wú)線接口關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證》課題，超前部署了高性能要求的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略核心技術(shù)研發(fā)，之后又設(shè)立相關(guān)的芯片研發(fā)、組網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)等課題，開(kāi)發(fā)更高性能的移動(dòng)通信系統(tǒng)。2011年市場(chǎng)已開(kāi)發(fā)全套核心芯片，2013年研制基站、終端等關(guān)鍵設(shè)備，并在軌道交通、高鐵、農(nóng)村等領(lǐng)域開(kāi)展測(cè)試驗(yàn)證和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2016年8月，住建部正式批準(zhǔn)頒布基于EUHT技術(shù)的《城市軌道交通車地實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：CJ/T 500-2016，具有更好高速移動(dòng)適應(yīng)性、更大數(shù)據(jù)傳輸帶寬、更低空口接入時(shí)延和更穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)漫游切換性能的EUHT可以廣泛應(yīng)用于智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能交通和軍事等領(lǐng)域。

2015年12月，在廣州地鐵6號(hào)線（潯峰崗—坦尾）開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，基本驗(yàn)證EUHT技術(shù)能夠適應(yīng)軌道交通車地?zé)o線通信傳輸?shù)男枨螅?017年8月4日， EUHT技術(shù)首次在京津城際高鐵上進(jìn)行演示，在300 km/h速度的高鐵上，獲得非常流暢的實(shí)時(shí)視頻，積累了寶貴的高速列車運(yùn)行下的場(chǎng)景。

3 EUHT技術(shù)在廣州地鐵知識(shí)城線的應(yīng)用情況

3.1 EUHT技術(shù)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

EUHT控制中心（ECC）、數(shù)據(jù)中心（EDC）與PIS控制中心分線中心交換機(jī)互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)控制中心PIS信息在車地?zé)o線系統(tǒng)的傳輸，其接口類型為2個(gè)互備冗余的1000 Mbit/s以太網(wǎng)接口，如圖1所示。

圖1 廣州地鐵知識(shí)城線EUHT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 EUHT system network framework for Knowledge City Line of Guangzhou subway

區(qū)間車地?zé)o線系統(tǒng)在各車站布置有線節(jié)點(diǎn)設(shè)備（EDU），在區(qū)間隧道、高架區(qū)段、出入段線設(shè)置區(qū)間無(wú)線基站單元（EBU）設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與列車車載設(shè)備的無(wú)線數(shù)據(jù)交互，如圖2所示。各區(qū)間EBU設(shè)備通過(guò)光纜與車站EDU連接，車站EDU通過(guò)線路骨干光纜資源與ECC、EDC連接。

圖2 廣州地鐵知識(shí)城線EUHT車載設(shè)備網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.2 EUHT onboard equipment network framework for Knowledge City Line of Guangzhou subway

3.2 無(wú)線覆蓋方案

1）頻點(diǎn)規(guī)劃

無(wú)線系統(tǒng)覆蓋時(shí)選擇5.8 GHz頻點(diǎn)（5725～5850 MHz頻段），共計(jì)125 MHz，劃分5個(gè)信道，每個(gè)信道20 MHz，如圖3所示，EUHT組網(wǎng)選擇80 MHz頻率資源組網(wǎng)，使用149、153、157、161、165信道用于車-地?zé)o線系統(tǒng)（EUHT）組網(wǎng)通信。

圖3 5.8 GHz頻段信道配置Fig.3 5.8GHz frequency channel configuration

2）無(wú)線設(shè)備安裝

根據(jù)車載EUHT天線的安裝高度，合理選擇地面無(wú)線設(shè)備的安裝位置，如圖4、5所示，保證車地?zé)o線系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)能夠在全線無(wú)縫覆蓋，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)滿足車地通信需求，地下區(qū)間EBU安裝在隧道壁側(cè)墻便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)的位置，天線安裝高度為3.1 m，高架區(qū)間EBU安裝在疏散平臺(tái)下緣，便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)的位置，立桿安裝在疏散平臺(tái)中間，天線安裝高度為3.1 m。

3）鏈路計(jì)算

a.高架或路基環(huán)境路徑損耗

圖4 地下區(qū)間EBU現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖Fig.4 On-site installation of EBU in underground section

圖5 高架區(qū)間EBU現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖Fig.5 On-site installation of EBU in elevated section

在開(kāi)闊環(huán)境中，5 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試的路損結(jié)果介于COST231-hata模型（鄉(xiāng)村）、WINNER模型（鄉(xiāng)村NLOS）之間，因此，地鐵高架區(qū)間鏈路中路損可以按照COST231-hata模型（鄉(xiāng)村）、WINNER模型（鄉(xiāng)村NLOS）的平均值進(jìn)行理論計(jì)算。即：

b.隧道環(huán)境鏈路損耗

由于隧道環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸有波導(dǎo)效應(yīng)，各基站（EBU）小區(qū)的中、遠(yuǎn)區(qū)信號(hào)衰減規(guī)律近似線性衰減。在地鐵隧道環(huán)境中，5 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試路徑損耗可參考如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

c.鏈路計(jì)算

根據(jù)EUHT系統(tǒng)設(shè)備發(fā)射機(jī)EIRP，接收機(jī)最小接收電平信號(hào)、發(fā)射天線增益、接收天線增益及其他增益、損耗并考慮余量，如鏈路預(yù)算參考表1所示，計(jì)算出系統(tǒng)允許最大路損。

MAX_PL（最大路損）=發(fā)端EIRP-最小接收信號(hào)電平+其他增益-其他損耗-其他余量=

表1 鏈路預(yù)算表Tab.1 Budget sheet of links

通過(guò)表2可知，EBU布點(diǎn)控制在500 m左右可以達(dá)到系統(tǒng)覆蓋電平要求。

表2 傳播模型預(yù)測(cè)的損耗值Tab.2 Loss values predicted by the propagation model

4）軌旁無(wú)線基站實(shí)施方案原則

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果和地鐵工程中的實(shí)際環(huán)境，設(shè)定布點(diǎn)覆蓋按照表3覆蓋指標(biāo)表執(zhí)行。

表3 覆蓋指標(biāo)表Tab.3 List of coverage indexes

采用上述布點(diǎn)原則，在單個(gè)EBU和其他設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，相鄰兩個(gè)EBU可以保證系統(tǒng)正常工作。

5）無(wú)線系統(tǒng)切換

EUHT系統(tǒng)使用的頻段劃分為2個(gè)頻段，采用異頻組網(wǎng)方式，相鄰EBU為不同的頻段，運(yùn)行列車依次在各軌旁基站中進(jìn)行鏈路切換，當(dāng)列車駛離原小區(qū)，進(jìn)入新小區(qū)時(shí)，地面軌旁基站與列車車載設(shè)備之間的鏈路將由新基站與列車車載設(shè)備之間的鏈路來(lái)取代。[2]

系統(tǒng)工作原理如圖6所示。列車運(yùn)行至EBU2時(shí)，首先是車頭EAU完成從EBU2到EBU3的切換，隨后車尾EAU完成EBU1到EBU2的切換。

圖6 EUHT系統(tǒng)無(wú)線接入工作原理圖Fig.6 Functional diagram of EUHT system wireless access

4 測(cè)試結(jié)果

1）無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

根據(jù)實(shí)際全線覆蓋情況，全程上下行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋均優(yōu)于-85 dBm，如圖7所示，達(dá)到預(yù)期并滿足覆蓋要求。

圖7 EUHT全線場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試覆蓋圖Fig.7 EUHT field intensity coverage of whole line

2）實(shí)際帶寬測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)際工程的環(huán)境測(cè)試，工程設(shè)計(jì)取得如下成果。

a.單列車靜態(tài)帶寬可達(dá)400 Mbit/s。

b.列車動(dòng)態(tài)情況（時(shí)速115 km）下平均上傳吞吐率約為200 Mbit/s，下載吞吐率約100 Mbit/s，合計(jì)約300 Mbit/s。

本解決方案實(shí)現(xiàn)廣州地鐵知識(shí)城線PIS車地?zé)o線組網(wǎng)技術(shù)，達(dá)到在線運(yùn)行每列車單邊帶寬至少100 Mbit/s的組網(wǎng)需求。

5 結(jié)論及展望

廣州地鐵知識(shí)城線基于EUHT技術(shù)的PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，工程結(jié)果是滿足預(yù)期的。EUHT技術(shù)良好的適應(yīng)城市地鐵新業(yè)務(wù)需求，增強(qiáng)地鐵的管理手段，提升了城市地鐵管理水平。

本文對(duì)EUHT技術(shù)應(yīng)用于車地?zé)o線傳輸?shù)姆桨高M(jìn)行詳細(xì)論述，對(duì)車地?zé)o線方案進(jìn)行庖丁解牛，為城市地鐵在高速運(yùn)行下大帶寬、高容量、高速率的車地?zé)o線技術(shù)實(shí)施提供參考。

未來(lái)，EUHT技術(shù)的應(yīng)用還將在提升帶寬（優(yōu)化編碼算法）、提升系統(tǒng)可靠性（QoS）、拓展承載業(yè)務(wù)、增強(qiáng)工程適應(yīng)性（驗(yàn)證波導(dǎo)管、漏纜等其他傳輸介質(zhì)）等方面不斷加強(qiáng)，期待EUHT技術(shù)持續(xù)保持技術(shù)先進(jìn)性、環(huán)境適應(yīng)性。