EUHT 技術在輕軌 PIS 車地無線傳輸系統中的應用研究

余昕芳

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251）

0 引言

車地無線傳輸系統作為乘客信息系統（PIS）有線網絡信息傳送的延伸，提供地面與列車間信息的雙向傳輸，保證對運行過程中列車車廂內的情況進行實時監控，保障車輛火災報警信息的回傳，同時為車廂內的乘客提供直播視頻信息等。

1 輕軌PIS車地無線傳輸系統的建設需求

1.1 輕軌的特點

輕軌是城市軌道交通的一種重要形式，一般由城市向郊區行駛，帶動沿線經濟及人口的發展。目前在建的輕軌多為全高架橋線路，早期或一些線路條件較差的輕軌為全地面線路或地面線路與高架橋、隧道穿插運行。輕軌一般線路較長，站間距較大，這就使列車在線路區間的最高設計速度可達到?120??km/h?及以上。

1.2 PIS車地無線傳輸系統的基本業務需求

PIS?車地無線傳輸系統需要提供穩定、實時的車載?PIS?數據下發（下行）、車載視頻監控圖像回傳（上行）、車輛狀態信息（上行）的業務承載。按照業務需求，車地無線傳輸系統至少要承載?1?路?PIS?和?2路高清電視監視圖像（CCTV）。

1.2.1 PIS視頻數據下發

（1）業務?1：列車運營期間直播視頻下發。PIS?系統需將控制中心下發的播放節目，如新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告等便民信息通過車地無線通信網絡傳輸到列車，并在車廂的?PIS?顯示屏上實時顯示。控制中心?PIS?設備通過車地無線通信網絡將實時高清視頻傳到車載?PIS?系統，帶寬需求為?4??Mb/s。

（2）業務?2：車輛段下發視頻數據。列車在車輛段內時，車載播控器需及時更新本地預存的視頻等數據，用于直播內容源異常、通信網絡故障等降級模式的錄制視頻播放。在車場內?PIS?系統根據無線資源使用現狀，將錄制視頻等內容數據推送給列車車載播控器。

1.2.2 車載CCTV監控圖像回傳

車載?CCTV?視頻監控圖像回傳是車地無線通信網絡最大的上行傳輸業務需求，用于實現列車運營時對車廂內狀況的實時安全監控。全線將實現至少?2?路高清視頻（按照每路?4??Mbps?帶寬考慮）車輛監控圖像信息實時上傳至控制中心的功能。

1.2.3 車輛火災報警信息回傳

列車上設置的火災自動報警系統通過?PIS?車地無線通信網絡，將列車上發生火災的部位信息發送給控制中心消防控制室（按照?1??Mbps?帶寬考慮）。

經上述分析，再加上?25%?的冗余計算，上行帶寬至少為?10??Mbps，下行帶寬至少為?5??Mbps。

2 PIS 車地無線傳輸系統的方案比選

2.1 PIS 車地無線傳輸系統技術概述

目前，車地無線傳輸系統方案主要有基于?IEEE?802.11?標準的無線局域網技術、基于?IEEE?802.16?標準的無線局域網技術、基于長期演進技術（LTE）設備的方案及?RAILVIEW?車地無線通信技術。

2.1.1 方案?1：基于IEEE802.11標準的無線局域網技術（WLAN）

基于?IEEE?802.11?標準的無線通信系統為各類用戶提供高速的無線接入能力，以滿足用戶對語音、圖像通信的需求，已得到廣泛使用。該技術主要由無線交換機、無線接入點（AP）和車載天線等設備構成。

2.1.2 方案2：基于IEEE802.16標準的無線局域網技術（WiMAX）

WiMAX?是一種可用于城際網點對多點的無線寬帶接入技術，是針對微波和毫米波段提出的一種新的空中接口標準。WiMAX?可實現最大峰值傳輸速度?70??Mbps，覆蓋范圍達?50??km，但由于該技術在國內尚未通過無線電委員會認證，且技術不夠成熟、缺乏實際應用，故不予推薦。

2.1.3 方案3：基于LTE設備的方案

LTE?是?3G?的演進，采用正交頻分復用（OFDM）和多輸入多輸出系統（MIMO）作為其無線網絡演進的唯一標準。?LTE?基于?1.8??GHz?的頻段，能在?20??MHz?頻譜帶寬條件下提供下行?100??Mbps、上行?50??Mbps?的峰值速率，支持?100??km?半徑的小區覆蓋，能夠為?350??km/h?高速移動用戶提供大于?100??kbps?的接入服務。基于?LTE?設備方案的車地無線傳輸系統由核心網設備、基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）組成。

2.1.4 方案4：RAILVIEW車地無線通信技術

RAILVIEW?是根據軌道交通特點和?PIS?系統車地無線傳輸專門研發的一種基于地面無線（DVB-T）的無線寬帶傳輸技術。RAILVIEW?采用?COFDM?編碼正交頻分復用調制技術和分集接收技術，具有帶寬大（每?1??MHZ?頻率能提供?2??Mbps?的數據傳輸帶寬）、覆蓋距離廣（單?AP?覆蓋半徑達到?1??km）的特點。

2.2 比選結果

2.2.1 高速移動狀態下車地無線傳輸系統的穩定性、實時性

輕軌線路區間車輛最高速度達到?120??km/h?及以上，在高速移動狀態下為避免?WLAN?數據傳輸帶寬的急速下降，需在沿線安裝大量的?AP?及附屬設備。這使得列車在運行過程中越區切換頻繁，不僅浪費帶寬，還導致系統頻繁的數據丟包，影響數據傳輸效果及系統的穩定性。LTE?專門針對移動通信開發，是支持列車在更高速度運行情況下獲得更好的上、下行傳輸帶寬的車地無線通信技術。

2.2.2 現場安裝及后期運營維護維修的便捷性

由于輕軌多為地面線路、全高架橋線路或地面線路與高架橋、隧道穿插運行，無論設備安裝在地面還是高架橋，因設備設置較多，不利于現場施工及后期運營、維護，如表1?所示。

表1 覆蓋半徑及設備數量比選表

2.2.3 頻點申請的可行性及帶寬的可用性

由于頻率資源較為珍貴，需根據各車地無線傳輸系統的使用頻段及要求向當地無線電委員會報備審批頻點。從避免干擾的角度考慮，以地上信號覆蓋為主的輕軌項目頻段批復尤為困難，即使批復頻點，其帶寬資源也較為受限。因此，除?WLAN?技術外的其他技術能否使用，需等待其頻點及帶寬批復后才可進行下一步工作，如表2?所示。

綜上所述，基于802.11標準的無線局域網（WLAN）不適合高速移動狀態下的數據傳輸；RAILVIEW?車地無線通信技術實際應用案例較少，其與LTE?技術使用的頻點及帶寬需申報當地無線電管理委員會批準。基于以上比選分析，本文提出使用一種新技術系統——基于超高速無線通信（EUHT）技術的車地無線傳輸系統。

3 基于EUHT技術的PIS車地無線傳輸系統

3.1 EUHT技術概述

EUHT?是結合未來移動通信系統高可靠、低時延、高移動性等需求設計的無線通信系統。EUHT?在設計之初就考慮到應用場景的多樣性，系統設計簡潔、靈活、高效，具有高吞吐、高可靠性、高速移動性、低延時、低成本和低功耗等特點。

EUHT?的工作頻段在?5～6??GHz，可在?300??km/h（已經測試）以上列車運行速度下工作，高速移動下的切換成功率超過?99.99%，基站間切換時間少于?50??ms，空口時延低于?1??ms，端到端雙向延遲低于?10??ms。單網覆蓋的基站平均間距?1??km，設備數量較少，維護工作量較低。每列車的無線傳輸帶寬平均吞吐大于?150??Mbps，在滿足車廂視頻回傳、PIS?視頻數據下發、車輛火災報警信息回傳業務的基礎上，還為乘客預留上網條件。

3.2 基于EUHT技術的PIS車地無線傳輸系統架構分析

如圖?1?所示，在控制中心設置?EUHT?中心設備，包括?ECC（EUHT?控制中心）、EDC（EUHT?數據中心）和中心?EDU（EUHT?交換機）。ECC?接收來自網內各設備的狀態信息，對全線所有設備進行狀態監控；接收來自中心終端的查詢命令，顯示線路上的狀態，可對全線所有設備進行診斷、維護和升級。EDC?負責承載業務的監測、數據統計、數據分析及衍生業務的存儲、計算、應用服務等，與?EUHT?系統承載業務的地面設備EDU?連接。中心?EDU?匯聚各車站?EDU?的數據信息。

圖1 EUHT技術在輕軌PIS車地無線傳輸系統中的應用架構圖

區間?EBU（EUHT?基站單元）通過區間光纜連接至車站及車輛段的?EDU，各節點?EDU?連接至控制中心的中心?EDU，構成?EUHT?有線網絡并實現相關信息的傳輸。

EUHT?無線網絡由區間?EBU?和?EAT（EUHT?天線單元）組成，每個?EBU?通過?2?芯光纖與?EDU?以星型方式連接，EBU?和?EAT?實現線路的無線覆蓋，完成車地之間雙向數據流的無線傳輸。

3.3 應用測試情況

2017?年初，EUHT?技術在京津城際鐵路完成CCTV及?PIS?系統業務承載需求的測試，在?300??km/h?速度下實現了?12?路高清視頻及旅客?WIFI?業務的傳送。同年底，廣州地鐵?14?號線?PIS?車地無線傳輸系統采用?EUHT?技術，首次實現對全車?30?路高清視頻的監控傳送。

表2 使用頻段及帶寬分析表

4 結束語

EUHT?技術的出現不僅給輕軌及高速鐵路的無線傳輸系統帶來了新的生機，也為新一代寬帶無線移動通信網的建設做好準備。隨著?EUHT?技術的推廣，該技術勢必將在輕軌?PIS?車地無線傳輸系統及高速鐵路無線通信網中得到成功應用。輕軌PIS車地無線傳輸系統將向著組網更加靈活、信息傳送更加高效、業務生成更加多樣的方向發展。

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