基于EUHT的城市軌道交通綜合業務承載簡析

邸士萍，雷 俊

（1．中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院，北京 100166；2．新岸線（北京）科技集團有限公司，北京 100085）

隨著城市軌道交通智慧化、信息化發展，需要通過車地無線通信系統承載的業務也越來越多，例如列車運行控制（CBTC）、集群調度、列車中心廣播、列車乘客信息系統（PIS）緊急文本、列車PIS視頻、車廂視頻實時回傳（VMS）、列車乘客緊急對講、列車運行狀態監測（TCMS）等數據業務以及集群通信業務。目前大多既有線路均采用無線局域網（WLAN）、地面數字視頻廣播（DVB-T）、集群通信（TETRA）、LTE-M 等技術，獨立建設多張網絡實現各類業務承載。在可用頻率資源受限的情況下，迫切需要一種無線通信技術，可以滿足多項現有業務和未來拓展業務（智能運維、乘客上網、定位導航等）的綜合承載，有效降低建設成本，提高網絡效率。

首先分析城市軌道交通綜合業務承載的需求，從技術角度論述EUHT 如何滿足這些需求，最后通過首都機場線實際工程應用效果，驗證EUHT 可以實現城市軌道交通綜合業務承載。

1 城市軌道交通綜合業務承載需求分析

1.1 適應列車高速移動需求

國內已開通運營及在建的城市軌道交通線路設計速度80 ～200 km/h 不等，近幾年郊區線、城際線還有進一步提升的需求。車地無線通信系統需適應列車高速移動的需求，提供在高速情況下穩定可靠的系統性能。

1.2 各類業務承載需求多樣化

城市軌道交通車地無線業務多種多樣，每類業務因使用性質的不同也呈現出多樣化的需求。根據相關標準規范，目前在用的各類業務對車地無線系統性能要求如表1 所示。

從表1 可見，列車控制業務、集群調度業務、PIS 緊急文本參與控車，關乎運營及乘客安全，強調系統的可靠性和低時延。其中，列車控制業務還要求無線傳輸系統采用雙網冗余，且兩個網分別采用不同的頻率，實現雙頻冗余覆蓋，以滿足系統可靠性的要求，克服單網無線干擾的影響。列車中心廣播、列車PIS 視頻業務、CCTV 視頻監控業務、列車乘客緊急對話業務以及列車運行狀態監測業務等與列車行車安全無關，但依然需要有工業級的可靠性和低時延性能；而PIS 視頻、車廂視頻業務對系統傳輸帶寬的要求又比較高。

表1 城軌車地無線業務性能指標要求Tab.1 Requirements of performance indices of train-trackside wireless services of urban rail transit

這些業務中有的是上行業務，如車廂視頻傳輸、列車運行狀態監測；有的是下行業務，如列車中心廣播、PIS 視頻和緊急文本；有的上、下行兼有，如列車運行控制和集群語音通信。不同的線路承載的業務不盡相同，為了有效利用系統資源，要求車地無線系統應能根據承載的業務進行靈活的時隙配比。

1.3 業務優先級要求

多種業務綜合承載情況下，不可避免地會出現系統資源不足的情況，這時要求系統能夠根據業務的重要程度，優先滿足高優先級的業務需求，例如列車運行控制業務、集群通信業務等，不影響列車正常運行。車地無線通信系統應能識別、處理8 類以上的業務優先級。

2 EUHT技術及綜合業務承載可行性分析

EUHT 是一種專為行業應用設計的創新無線通信技術，系統靈活高效，支持超高移動速度，滿足超高可靠、超低延時及大帶寬車地無線通信需求，也可以提供多業務優先級，可以適配城市軌道交通多業務綜合承載的需求。

2.1 EUHT技術概述

EUHT 系統的參數配置靈活高效，可以在超高移動速度下實現超高可靠、超低延時的無線傳輸，因此非常適合實現車地無線通信。

EUHT 系統主要參數如表2 所示，系統可以工作在6 GHz 以下的所有頻段，包括授權頻段和非授權頻段。系統支持5 ～100 MHz 的多種工作帶寬，與不同的多天線配置以及編碼調制方式相結合，EUHT 系統可以提供2 Mbit/s ～2 Gbit/s 的有效吞吐。

表 2 EUHT系統主要參數Tab.2 Main parameters of EUHT system

除系統參數配置外，EUHT 系統的靈活性還體現在其物理幀結構中。

如圖 1 所示，EUHT 設計了一種自包含的、高度靈活的物理幀結構，由前導、控制信道、業務信道組成。

圖1 EUHT的物理幀結構Fig.1 Structure of EUHT physical frame

前導部分包含在時域多次重復的短前導，用于進行快速的時域和頻域粗同步。短前導之后是在時域重復兩次的長前導，用于對符號和頻偏進行更加精確的估計，以及對無線信道進行估計。在控制信道部分，系統信息信道（SICH）中包含幀長、上行/下行業務傳輸信道分別占用的OFDM 符號數目等信息，控制信道（CCH）則對多個用戶在業務信道中所占時頻資源、使用的空間流數目以及采用的調制編碼方式（MCS）等信息進行指示。

因此，EUHT 系統可與應用場景的要求進行靈活適配。例如在靜止或者慢速移動場景下，可以使用較長的物理幀以便提高效率，在高速移動場景下，可以使用較短的物理幀來更快速地跟蹤信道變化。另外根據具體業務的不同，也可以OFDM 符號為單位對上/下行傳輸資源占比進行調整。在高清視頻回傳等以上行為主的應用場景中，EUHT 可以把所有時頻資源都分配給上行傳輸；反之，也可以在數據高速下載等應用場景中，為下行傳輸分配更多地空口資源。

2.2 EUHT滿足200 km/h以上列車運行要求

2.2.1 多普勒頻移的克服

列車高速移動會帶來兩個問題：較大的多普勒頻偏和無線信道的快速變化。

多普勒頻偏的取值與移動速度、載波頻率成正比。在OFDM 系統中，真正對性能有影響的是用子載波間隔歸一化后的多普勒頻偏，歸一化多普勒頻偏越大，系統性能越差，一般認為歸一化多普勒頻偏需要小于0.1。EUHT 系統的子載波間隔是78.125 kHz，即便考慮最惡劣的情況：使用6 GHz 作為工作頻段，200 km/h 的移動速度會帶來3.3 kHz 的多普勒頻偏，相應的歸一化多普勒頻偏為0.04，遠小于0.1，因此EUHT 可以有效抵抗高速移動帶來的多普勒頻偏。

2.2.2 自適應導頻周期調整信道估計

除多普勒頻偏之外，高速移動還會帶來無線信道的快速變化，信道的變化程度可以用相干時間來衡量，相干時間約為多普勒頻偏的倒數，可以認為在相干時間內信道的變化比較小。考慮最惡劣的情況，使用6 GHz 頻段，在600 km/h 情況下相干時間約為150 μs。

為解決信道快速變化的問題，EUHT 設計了靈活的自適應導頻結構，在物理幀中可以周期性插入專用導頻符號進行信道估計和跟蹤，導頻周期可以通過自適應調整，使兩個導頻之間的間隔要小于相干時間。舉例來說，EUHT 中OFDM 符號長度為14.4 μs，即每隔10 個OFDM 符號插入1 個導頻符號就可以估計600 km/h 的無線信道變化，且帶來的導頻開銷小于10%。另外，使用信道參數化預測后，可以根據過去和當前的信道估計來預測未來的信道變化，從而進一步降低導頻開銷和處理延時。

2.2.3 350 km/h工程驗證

在京津城際高鐵的EUHT 實際布網和列車改造完成后，進行系統性能指標及業務承載的相關測試。

系統性能測試表明，在300 km/h 移動速度下，EUHT 系統采用80 MHz 工作頻寬組網時上行最小吞吐量34 Mbit/s，平均吞吐量48 Mbit/s，下行最小吞吐量29 Mbit/s，平均吞吐量95 Mbit/s；上、下行切換成功率均為100%；上、下行丟包率分別為0.31%和0.41%；端到端數據傳輸時延小于150 ms 的概率為99.37%。滿足表1 各類業務性能指標的要求。

CCTV 和PIS 業務實際承載測試表明：EUHT系統在300 km/h 列車移動速度下，可同時承載12路且每路2 Mbit/s 速率的CCTV 業務（無緩存）和2 路且每路8 Mbit/s 速率的PIS 視頻業務（緩存為15 s），視頻流暢無卡頓。

2.3 高可靠、低時延技術實現

EUHT 的主要技術特點之一是對超高可靠、超低時延通信（URLLC）的支持。URLLC 作為IMT-2020(5G)提出的三大應用場景之一，是使用無線通信技術實現智能交通、工業互聯的重要支撐。

EUHT 系統設計從提高信道估計性能、高可靠的糾錯編碼機制、提高分集度等角度來滿足高可靠的傳輸需求；支持超高移動性能的自適應多維動態導頻設計到信道估計算法，能有效地提升系統的接收性能；EUHT 系統采用自主設計的LDPC 編碼，誤碼率達到10-8，遠低于其他系統。EUHT 通過設計多種碼塊長度來適配不同的業務類型，還針對MIMO 多天線系統設計采用比特級別的流映射方案，該方案將信息比特映射到不同碼字和空間流中，充分獲取頻率和空間分集，從而提高系統的可靠性。

EUHT 通過高度靈活的自包含幀結構實現了幀內符號級的調度控制、幀內快速反饋和確認，結合流水線式發射接收信號處理等多項技術，使空口時延控制在1 ms 以下，實現了超低的系統延遲以及低時延抖動。通過與快速調度算法、快速鏈路自適應機制和快速重傳機制結合，也進一步提高了系統的可靠性。

2.4 QoS業務分級

EUHT 系統采用超低開銷的MAC 層設計，降低數據傳輸延遲的同時提高了系統效率。基于服務質量（QoS）的優先級自適應資源分配，也進一步增強了高優先級業務的低延遲和抖動特性。

EUHT 還通過物理層與MAC 層的跨層設計，使用統一的空口技術傳輸不同QoS 的多種業務。EUHT 系統在 MAC 層定義了8 種具有不同優先級的業務類型，每種業務都有各自對速率、丟包率、延遲等指標的要求。對應地，EUHT 系統中可以生成多個業務流，每個業務流可指定不同的業務類型，系統將為每個業務流分配獨立的資源。EUHT 定義了MAC 的適配子層來對上層業務的QoS 信息進行提取，EUHT 基站將根據業務需求、物理層反饋的無線鏈路質量等信息，為這些業務動態分配傳輸資源。

EUHT 中定義的8 種業務類型從資源分配方式上可歸為預留資源和非預留資源兩大類。其中預留資源類業務無需用戶單獨申請資源，系統根據業務的速率和延遲需求周期性給對應業務分配資源，而且需要保證業務的丟包率和延遲需求。對于非預留資源類業務，系統會綜合考慮該業務的優先級，申請的資源數量，當前信道狀況，該業務當前的延遲時間，該業務最低保證速率以及該業務的能夠容忍的最大延遲時間等因素來分配資源。

3 北京首都機場線綜合業務承載系統

3.1 線路概況及工程實施目標

首都機場線全長28.1 km，線路呈“Y”型，涵蓋路基、高架、隧道、車輛段開闊區域及高架段試車線等不同應用場景，列車運行速度100 km/h，改造目標為實現列車運行控制（CBTC）、PIS 緊急文本及視頻、VMS、列車中心廣播、乘客緊急對講、列車運行狀態監測，航班信息實時傳輸業務的綜合承載。

3.2 方案設計

3.2.1 工作頻率選取

首都機場線采用1.8 GHz 和5.8 GHz 兩個頻段建設雙頻網絡。采用1 785 ～1 795 MHz 地鐵專用授權頻段建設A 網，系統工作頻寬10 MHz，主要承載CBTC 業務；采用5 725 ～5 850 MHz開放頻段建設B 網，系統工作頻寬80 MHz，用于實現全部業務的綜合承載，包括CBTC 業務、PIS緊急文本及視頻、VMS、列車中心廣播、乘客緊急對講及航班信息實時傳輸。此方案是國內首次在軌道交通領域實現無線通信頻率授權頻段和開放頻段綜合運用，為地鐵無線通信系統探索了一條新路徑，實現頻率資源的高效利用。

3.2.2 QoS分級設計

根據相關標準，首都機場線EUHT 系統承載的業務按優先級從高到低依次為：

1）CBTC 業務；2）列車中心廣播、乘客緊急對講；3）PIS 緊急文本、TCMS；4）VMS；5）PIS視頻；6）航班信息實時傳輸業務；7）其他業務。

對于高優先級的CBTC 業務，EUHT 系統在提取其業務特征后，使用預留資源的調度策略為其分配無線傳輸資源，并為該類業務生成最高優先級的業務流。

對于處于次高優先級的列車中心廣播、乘客緊急對講、PIS 緊急文本、TCMS 業務，可以分別建立較高優先級的業務流進行傳輸，根據不同業務所需的帶寬、誤碼率和時延需求定制上、下行資源，實現業務的優先調度。

對于較低優先級的VMS 和PIS 視頻業務，也采用預留資源的調度策略來保障業務帶寬，但這類業務將映射到中等優先級的業務流。

對于航班信息傳輸及乘客上網等其他業務，則采用非預留資源的調度策略，利用MAC 適配子層使該類業務流占用非預留資源通道，并映射到優先級最低的業務流。

當空口帶寬不能滿足所有業務的傳送要求時，EUHT 系統優先保證高級別業務高可靠低時延地成功傳送，滿足業務應用要求。

3.2.3 應用效果

系統投入載客試運營階段以來，EUHT 承載CBTC 業務效果良好，無EUHT 系統車地無線通信中斷造成的緊急制動，雙網最大丟包率為0.012%；傳輸時延不超過150 ms，概率均≥99.99%，滿足指標要求。天竺和小營中心均能實現中心廣播各項業務下發至列車，車載設備接收播放正常。車載單列車12 路VMS 視頻均能通過EUHT 車載網絡實時傳輸，完成OCC 大屏播放。車載乘客對講能流暢撥通天竺和小營中心實現語音通話，攝像頭能捕捉乘客圖像實時同步清晰播放。首都機場實時航班信息完成接入，在車載顯示屏實時播放。乘客信息系統能實現中心電視直播在列車上流暢播放，緊急文本清晰顯示。

系統開通以來經歷了強降雨、強降雪的勘驗，EUHT 系統運行穩定，CBTC 等業務均未受到影響。

4 結束語

EUHT 技術在首都機場線利用雙頻網絡實現了城市軌道交通多種車地無線通信業務的綜合承載，為城市軌道交通無線通信系統的發展開創一條新路。目前，集群語音及多媒體等業務的承載正在其他線路實施，效果待進一步驗證。