基于EUHT技術的首都機場線車地通信綜合承載方案研究

葛淑云，謝衡元，李曉喻，梅子然，申鈺蓉

(中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院，北京 100166)

1 概述

隨著無線寬帶技術的普及和支撐城市軌道交通安全運營生產的車地業務不斷增加，現有基于2.4 G WLAN技術和LTE-M的通信技術面臨著干擾或大帶寬的挑戰。

2019年7月19日至9月25日，EUHT系統通過了泰爾實驗室、中國計量科學研究院實驗室等第三方機構測試，并于2019年9月7日至11日，由中國鐵道科學院實驗室在地鐵15號線馬泉營—孫河上行區段（3.3 km）開展了現場測試。測試報告表明，EUHT系統滿足經專家評審的測試大綱中相關指標要求；通過EUHT 1.8 GHz+5.8 GHz雙頻網絡可以實現基于通信的列車自動控制系統（以下簡稱CBTC）、30路車載視頻監視系統（以下簡稱VMS）、1路乘客信息系統（以下簡稱PIS）視頻及列車中心廣播和乘客緊急對講業務的綜合承載。

2019年10月，北京地鐵將首都機場線作為EUHT系統綜合承載研發試驗線，開展相關建設工作，利用EUHT系統承載城市軌道交通CBTC、PIS、VMS、PA等生產系統的車地業務信息。

2 承載業務及其優先級

基于EUHT技術的城市軌道交通車地通信綜合承載平臺，需在列車運行狀態下滿足實時、寬帶、穩定、具有服務質量（QoS）保障的生產業務需求。利用EUHT具有不同QoS等級的優點，將軌道交通生產業務的優先級進行劃分。

首都機場線生產業務主要有CBTC業務信息、PIS業務信息（含電視直播、航班信息發布、緊急文本下發）、車載VMS監控圖像信息、中心廣播業務信息及乘客緊急對講信息。信號CBTC業務信息通過紅、藍網承載，其他綜合業務信息由藍網獨立承載。

單列車的生產業務帶寬需求和業務優先級要求如表1所示。

表1 生產業務帶寬需求Tab.1 Bandwidth requirements of production business

無線接入網容量按單小區同時2列車設計。藍網每小區業務帶寬需求為上行56 Mbit/s，下行20 Mbit/s。機場線改造列車暫不提供單獨的車輛狀態信息到地面，預留廠修后列車的車輛狀態信息通道需求。

3 EUHT系統技術方案

3.1 頻率選擇

首都機場線EUHT車地無線系統由紅網和藍網兩張互相獨立的網絡構成，EUHT紅網采用1.8 GHz+5.8 GHz組網方式，承載信號CBTC業務。首都機場線正線K0+000至K16+220采用1.8 GHz系統，使用1 785～1 795 MHz頻段；因機場航站樓附近區域已經使用了1.8 G頻段，所以在機場附近（K15+900至車輛段）采用5.8 GHz系統，使用5 725～5 745 MHz（20 MHz）頻段。

藍網全線采用5.8 GHz系統，使用5 770～5 850（80 MHz）頻段，綜合承載車地業務。

3.2 EUHT系統方案

EUHT車地無線系統由地面和車載網絡兩部分組成。EUHT系統構成如圖1所示。

3.2.1 EUHT地面設備

EUHT地面設備由中心、車站及區間設備組成。

1）EUHT中心設備

在天竺車輛基地通信信號機房內設置紅網、藍網的EUHT中心設備，中心設備包括網管服務器、鑒權加密服務器、監測服務器、中心EDU（中心數據交換機）、接口EDU（接口數據交換機）和防火墻等設備。

2）EUHT車站設備

在東直門站、三元橋站、大山子設備站、T3站、T2站設置2套EDU，其中1臺接入紅網信號CBTC的EBU（基站設備），1臺接入藍網綜合承載的EBU。

在天竺車輛基地分別設置紅、藍網EDU設備，連接正線和車輛基地內紅、藍網EBU。

a.中心與車站的連接

天竺車輛基地中心EDU與車站EDU及車輛基地內EDU的連接方式有以下兩種方案。

方案一：星型連接

東直門站、三元橋站、大山子站、T3航站樓、T2航站、天竺車輛基地設備與天竺車輛基地中心設備采用點對點連接方式進行組網。如圖2所示。

圖1 EUHT系統構成圖Fig.1 Diagram for the composition of EUHT system

該方案的特點：網絡延遲時間較小，車站與中心直接通信，無需通過車站進行轉接；光纜纖芯數需求大，每個EDU需要4芯光纖（2芯主，2芯備），因機場線是Y字型線路，所以干線光纜總需求為12芯；每個車站EDU與中心EDU的帶寬，只需考慮單一車站EDU接入能力即可，設置1個GE接口滿足車站與中心傳輸信息的帶寬需求。

圖2 星型連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of star connection

方案二：環型連接

東直門站、三元橋站、大山子站、T3航站樓、T2航站樓、天竺車輛基地設備至天竺車輛基地中心設備采用環型連接方式進行組網。如圖3所示。

圖3 環型連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of ring connection

該方案的特點：網絡延遲時間較大，除車輛段基地的EDU外，其他車站與中心直接通信需通過車站進行轉接；光纜纖芯數需求小，每個EDU需要8芯光纖（4芯主，4芯備），干線光纜總需求為8芯；EDU帶寬需求較大，需考慮全線車站接入能力才能滿足車站與中心傳輸信息的帶寬需求，設置2個GE接口滿足車站與中心傳輸信息的帶寬需求。

綜上所述，考慮全線車輛的信息傳輸需求，首都機場線采用方案一：星型連接進行組網。

b.主干光纜敷設方案

從應用需求和紅、藍網隔離方面考慮，EUHT系統主干光纜可采用以下3個方案。

方案一：敷設2根光纜，紅、藍網分別采用獨立光纜組網。

沿機場線區間的既有光纜敷設支架或槽道敷設主干光纜，并引入東直門、三元橋、大山子、T2、T3、天竺車輛段通信機房，敷設2根24芯GYTZA-24B1光纜構成主干網，每根光纜約33 km，總共約67 km。

光纜在各車站通過弱電間進入通信機房并全部終端在ODF機柜端子上，通過尾纖分別跳接至車站各網絡交換機，為東直門、三元橋、大山子、T2、T3以及天竺車輛段形成星型連接網絡提供組網光纖。東直門、三元橋、大山子、T2、T3以及天竺車輛段分別需要設置不少于2條24芯光纜引入終端ODF設備。

方案二：敷設1根光纜，紅、藍網采用同1根光纜組網。

沿機場線區間的既有光纜敷設支架或槽道敷設主干光纜，并引入東直門、三元橋、大山子、T2、T3、天竺車輛段通信機房，敷設1根48芯GYTZA-96B1光纜構成主干網。在東直門、三元橋、大山子、T2、T3以及天竺車輛段分別需要設置不少于1條48芯光纜引入終端ODF設備。

方案三：不敷設光纜，利用既有100G PTN傳輸網為紅、藍網提供通道。

不再敷設主干光纜，對既有100G PTN傳輸網擴容GE業務接口板。

方案比選：方案三建設投資比方案一少，但是需要對既有網絡進行擴容，而且占用既有傳輸網的通道資源，不利于未來機場線通信業務發展需求；方案二與方案一建設投資相差不大，但是方案二不能實現信號CBTC業務與地鐵綜合業務完全物理隔離?？紤]到列車運行安全和地鐵運營安全，實現CBTC業務與地鐵綜合業務交換機設備和光纜全物理隔離，同時本著對既有通信設備影響最小進行研發試驗的原則，首都機場線采用方案一：敷設2根光纜，紅、藍網分別采用獨立光纜組網。

c.車站與基站的連接

車站EDU與區間的EBU基站設備組成星型網絡，實現沿線EBU設備的接入及與EUHT中心的連接。

3）EUHT區間設備

區間設備主要由EBU基站、ETU設備（時間同步單元）、EBU基站天饋線、防護箱組成。

EBU基站：紅網、藍網的EBU設備、EBU基站天饋線、防護箱采用同站址設置，即在同一個點位設置1套紅網的EBU設備、EBU基站天饋線、防護箱，同時設置1套藍網的EBU設備、EBU基站天饋線、防護箱。

紅網在1.8 GHz和5.8 GHz（20 M）的過渡區段（機場附近K15+900至車輛段區間）的2個站址同時設置1.8 GHz設備和5.8 GHz（20 MHz）設備，保證紅網內部網絡平滑切換。

首都機場線高架段采用單點單站覆蓋，隧道段采用雙洞雙站覆蓋?；静键c需要考慮彎道、坡度的影響，同時考慮地上地下過渡區段，在這些區域覆蓋距離應適當減小。全線基站平均站間距約為335 m。

ETU設備：EBU設備內置時鐘同步模塊，采用ETU時鐘設備為EBU設備提供時鐘同步信號源。

EBU設備具備1路時鐘同步信號輸入接口和1路輸出接口，區間EBU設備通過串接級聯的方式實現時鐘同步；ETU設備可提供2路時鐘源，每路時鐘源可串接不大于25臺EBU。首都機場線共設置10臺ETU設備。

高架、路基區段的EBU外接GPS天線，在ETU故障時，可通過GPS的PPS信號實現同步。

基站天饋線：基站天線采用高增益定向天線。每臺EBU設備在高架區間連接2副設備天線和1副GPS天線，隧道區間連接2副設備天線。高架區段采用立桿安裝天線方式覆蓋，隧道區段采用隧道壁安裝天線方式覆蓋。車輛段內采用立桿或者在庫外側墻上安裝天線方式覆蓋。

防護箱：每臺EBU、ETU配置1臺防護箱。防護箱包含光纜引入終端及熔纖盤、220 V供電接線端子、防雷模塊和空開等設備。

4）EUHT車載設備

在車頭設置1.8 G（10M）EAU（車載終端）、5.8 G（20 M）EAU及 5.8 G（80 M）EAU分別與ESU（車載交換機）連接，在車尾設置5.8G（20 M）EAU及5.8 G（80 M）EAU分別與ESU（車載交換機）連接?？紤]到信號業務的獨立性，在車載設置信號獨立使用的藍網ESU和EAU設備。每列車安裝EAU 5套，ESU 4套。

4 測試情況

2020年4月，在首都機場線進行了EUHT系統網絡調試，包括地面網絡靜態調試、車載網絡調試；進行了EUHT系統綜合承載測試，包括CBTC、PIS、VMS、PA等業務系統的綜合承載；進行了EUHT系統無線性能測試，測試EUHT系統承載CBTC業務后，業務通道的丟包率、傳輸時延及連續最大丟包數，以及機場區域EUHT系統1.8 G、5.8 G網絡切換邊界性能；進行了兩列車混跑（一列車CBTC運行在EUHT系統，一列車CBTC運行在2.4 G WLAN系統）追蹤及安全區域測試，驗證列車混跑時，列車之間的追蹤安全以及安全區域的列車安全情況；進行了多車混跑測試。測試結果如表2所示。

表2 EUHT系統測試結果Tab.2 Test results of EUHT system

試驗結果基本滿足預期，驗證了EUHT在1.8 GHz+5.8 GHz雙頻通信網絡下，實現一張網絡對信號CBTC、VMS、PIS、PA等多種業務的綜合承載；在保證CBTC業務高可靠傳輸的同時，能夠實現PIS緊急文本下發、電視直播、航班信息顯示、中心對列車廣播、中心與乘客實時清晰可視對講、12路視頻實時回傳等多種業務的綜合承載。EUHT系統大容量、低時延的特點能夠滿足軌道交通業務需求。

5 結束語

2020年5月，按照以上組網方案在首都機場線搭建的EUHT系統，進行了階段驗收，順利通過了專家評審。首都機場線實現了EUHT綜合承載軌道交通生產業務且效果良好，為EUHT在城市軌道交通的示范應用奠定了技術基礎，可供軌道交通車地通信系統建設參考。同時，利用EUHT系統“大帶寬”的優勢，未來可進一步承載更多的車地業務，為乘客帶來更好的乘車體驗，與5G技術一起引導智慧地鐵新發展。