基于EUHT技術的城軌高速線路車地無線網絡解決方案

■ 劉曉慶

1 研究背景

為滿足人們日益增長的出行需求，城市軌道交通正在快速發展，尤其是高速線路（120 km/h以上）也逐步納入軌道交通線網建設，各種涉及安全運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中車地通信方式普遍采用開放式基于IEEE 802．11 WLAN技術的組網方案。由于地鐵線路周圍電磁環境越來越復雜，采用2．4 GHz頻率開放頻段的WLAN系統容易受到外界民用無線設備干擾，將導致車地無線通信質量嚴重下降，造成車載視頻圖像不能實時回傳，不能滿足網絡化運營安全要求。同時，在高密度、大客流運營情況下，尤其是線路采用全自動運行系統模式時，車載視頻監控信息上傳到地面控制中心的需求也變得越來越強烈。在發生突發緊急情況時，地面指揮人員需及時掌握車內和車頭車尾的現場情況，指揮采取應急措施，應對車內突發緊急情況，而現有車地通信技術（WLAN）不能提供足夠的技術支撐。

隨著城市軌道交通高速線路及市域快線工程的規模化建設，列車運行速度越來越高，車地無線通信系統頻繁處于高速移動、高速切換狀態，系統丟包率、傳輸時延、傳輸速率以及抗多普勒效應等問題，都對現有通信技術提出新的挑戰。為了更好地滿足城市軌道交通視頻業務傳輸要求，軌道交通車地無線通信亟需一種高可靠、適應于高速移動、大容量的通信技術。

2 EUHT技術

超高速無線通信（EUHT）來源于“新一代寬帶無線移動通信網”國家科技重大專項（03專項），是我國自主研發的全球首個能夠解決移動寬帶一體化的通信技術系統，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[1]。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、高速移動性、低延時、低成本、低功耗和全雙工通信等特點[2]。

2.1 技術優勢

EUHT車地無線通信系統（簡稱EUHT系統）為列車綜合業務提供網絡通道，用來傳輸從地面中心到列車的各種數據信息、視頻信息和控制信息等，具有高性能、高可靠和高穩定性，以滿足綜合業務系統不間斷的服務要求。EUHT系統具有以下優勢：

（1）網絡系統具有高可靠性，能滿足業務系統運營需要；

（2）車地無線為透明無線信息傳輸通道，達到雙向實時數字圖像傳輸及數據信息傳輸要求；

（3）對數據信息進行加密，采集、傳輸過程中能防止數據丟失，同時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與EUHT網絡能夠互聯互通；

（5）無線系統具有抗干擾能力；

（6）網絡易于擴展和管理。

結合CJ/T 500—2016《城市軌道交通車地實時視頻傳輸系統》的要求，EUHT系統指標符合下列要求：

（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）之間的切換時延低于50 ms；

（3）空口延遲小于20 ms。

綜上所述，EUHT車地無線通信系統提供的單列車雙向傳輸的有效帶寬不低于150 Mb/s。

2.2 基本參數

EUHT系統為了實現高可靠、低時延、高速移動、高吞吐以及高效、高靈活度的設計目標，基于EUHT的技術方案基本參數如下：

（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，有效降低系統成本。

（2）使用高度靈活的時分雙工（TDD）物理幀結構。幀長、各傳輸信道占比、上下行配比等均可任意調整。

（3）上下行信號波形統一使用正交頻分復用技術（OFDM）。簡化芯片和系統設計，同時使用先進的數字預失真技術降低信號峰均比，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適應性需求，又能有效提升頻譜效率，并降低傳輸時延。

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

根據IMT-2020（5G）推進組確定的5G技術主要應用場景與關鍵性能挑戰，對未來5G技術針對各類典型應用場景需達到的指標要求進行了描述，EUHT系統已經達到IMT-2020所提出的相關要求[3]。

3 解決方案

EUHT系統由EUHT中心、有線網絡、無線網絡和車載網絡4部分構成，系統架構見圖1。

3.1 EUHT中心

EUHT中心設備包括控制中心（ECC）、數據中心（EDC）和室內單元（EDU）。ECC負責完成對系統設備狀態信息的接收和采集，并完成對設備的日常維護管理；EDC負責對承載的業務數據進行管理及應用，并完成與EUHT系統承載業務的地面設備EDU連接；EUHT中心設置2臺EDU，負責匯聚各車站EDU上傳的數據信息，同時提供與外部網絡連接的接口。

ECC及EDC采用主備工作方式。系統主設備工作時，備用設備處于熱備狀態，并能保證當主設備故障時備用設備可以快速切換成主用設備狀態，2臺EDU設備可根據需求采用不同的配置。

圖1 EUHT系統架構

3.2 有線網絡

有線網絡負責完成對管理區域內無線系統接入，實現對無線系統的接入管理、認證和控制等。EDU設備內含交換機，各節點EDU通過光纖連接，構成EUHT有線網絡，并將相關信息傳至中心。

EUHT系統在沿線各車站每站設置1臺交換機用于沿線基站EBU的組網，以及與EUHT中心核心EDU設備連接。各車站EDU星型接入EUHT中心核心EDU設備。網絡結構見圖2。

3.3 無線網絡

EUHT無線網絡主要由區間EBU和天線單元（EAT）組成，每個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實現對全線路的無線信號覆蓋，完成車地之間雙向數據流的無線傳輸。

（1）系統頻段。EUHT系統使用5 725～5 850 MHz頻段，根據電磁環境測試結果可選取80 MHz作為系統頻率進行組網。

（2）EBU布點原則。根據廣州地鐵6號線、知識城支線實際工程建設情況，并結合EUHT鏈路模型分析，EUHT基站可參考的布點原則見表1。

采用上述布點原則進行基站設置時，高架區段可采用單點單站覆蓋，隧道區段可采用雙洞雙站覆蓋。不同場景的基站設置示意見圖3。

圖2 EUHT有線網絡結構

表1 EUHT基站布點原則

3.4 車載設備

車載設備包括無線接入單元（EAU）、EAT和車載服務單元（ESU）。EUHT系統在車頭和車尾司機駕駛室分別設置1臺EAU，相應在列車司機室頂部天線倉內設置2臺EAT，進行無線信號的收發和控制，完成與地面的無線通信；在列車兩端微機柜內分別設置1臺ESU，與司機室EAU及車載交換機相連，ESU設備車載網絡構成見圖4。

EAU和EAT通過射頻電纜連接，EAU和ESU通過千兆以太網線連接。每列車設置2臺EAU、4副車載EAT、2臺車載ESU。EUHT車載網絡構成見圖5。

4 測試報告數據

EUHT技術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）由第三方檢測機構北京交通大學軌道交通控制系統國家工程研究中心進行了現場實際數據測試，并形成正式測試報告。

4.1 高鐵線路

京津城際列車在速度300 km/h情況下，測試結果為：EUHT系統平均吞吐率達到近150 Mb/s，切換成功率100%，數據丟包率＜0．41%，上下行業務數據平均傳輸時延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日開通運營，列車最高運行速度為120 km/h）EUHT系統性能測試結果為：系統平均吞吐可達到407 Mb/s，切換成功率100%，平均切換時延26．2 ms（MAC層），網絡傳輸平均時延4．5 ms，數據丟包率0．02%（2路3M視頻監控系統（CCTV）數據），端到端傳輸平均時延4．2 ms。測試結果表明，EUHT系統在列車運行中，單車可同時承載30路（6路×3 Mb/s+24路×1．5 Mb/s）CCTV業務和1路（8 Mb/s）乘客信息系統（PIS）業務[5]。EUHT技術解決了列車高速移動情況下大容量數據傳輸的難題，并且具有極高的可靠性、極低的傳輸時延。

圖3 EUHT基站設置示意圖

圖4 ESU設備車載網絡構成

由北京交通大學提供的測試數據及實際調取視頻監控圖像的效果可見：EUHT技術所能達到的技術指標全面高于目前城市軌道交通已發布規范中對無線通信技術移動速度、平均吞吐率、邊緣吞吐率、切換成功率、數據丟包率和數據傳輸時延的指標要求。

廣州地鐵知識城支線在列車速度120 km/h情況下，實時調取單列車30路高清視頻監控信息實際效果見圖6，實時調取車載單路視頻圖像效果見圖7，實時播放車載PIS圖像效果見圖8。

4.3 不同技術測試數據對比

通過對比軌道交通車地無線通信組網技術EUHT、LTE-U、WLAN（802．11n）的實際線路測試報告數據，總結得到車地無線通信技術現場實測數據對比（見表2）。

與當前城市軌道交通無線通信技術（LTE-U、WLAN（802．11n））相比，EUHT技術在移動寬帶一體化方面突破了以往長期的技術瓶頸，提供了更好的高速移動適應性、更大的數據傳輸帶寬、更低的空口接入時延和更穩定的網絡漫游切換性能。

5 結束語

圖5 EUHT車載網絡構成

通過對EUHT進行技術性能與優勢分析，提出基于EUHT技術組建車地無線網絡的解決方案，結合高鐵線路、城市軌道交通線路的實際測試數據分析，并對比軌道交通行業內主流車地無線組網技術的測試報告數據，可以得出120 km/h速度城市軌道交通工程采用基于EUHT技術組建車地無線網絡完全可行。同時，該結論也為市域鐵路（160 km/h以上）工程建設提供了參考依據。

圖6 實時調取車載30路視頻圖像效果

圖7 實時調取車載單路視頻圖像效果

圖8 實時播放車載PIS圖像效果

表2 城市軌道交通車地無線通信技術現場實測數據對比

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

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

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

[4] 北京交通大學軌道交通運行控制系統國家工程研究中心．北京交通大學軌道交通運行控制系統國家工程研究中心EUHT系統性能及PIS、CCTV業務承載能力測試報告[R]．北京，2017．

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