EUHT系統(tǒng)在首都機場線綜合承載的工程應(yīng)用

杜小亮

摘 要：本文首先介紹了首都機場線既有車地?zé)o線通信系統(tǒng)的傳輸模式和設(shè)備運行現(xiàn)狀，然后闡述EUHT系統(tǒng)的技術(shù)特點和網(wǎng)絡(luò)制式的要求，再結(jié)合EUHT系統(tǒng)在首都機場線的建設(shè)應(yīng)用，綜合分析選用合理設(shè)備方案，最后通過實際測試數(shù)據(jù)證明EUHT系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸吞吐量等各項指標(biāo)均能夠滿足承載多業(yè)務(wù)需求。最后得出結(jié)論：EUHT系統(tǒng)能夠滿足地鐵運營的安全和穩(wěn)定性需求，具備推廣使用的條件。

關(guān)鍵詞：EUHT;地鐵;綜合承載;應(yīng)用

0 引言

地鐵是市民出行的服務(wù)窗口、是城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在城市化加速的時代，更安全、更便捷、更智慧的軌道交通出行方式，多元性乘坐體驗成為乘客所需。EUHT系統(tǒng)可以為乘客提供多元性乘坐體驗，并不斷優(yōu)化，實現(xiàn)綜合承載信號、視頻、乘客信息（電視直播和航班信息發(fā)布）、廣播、乘客緊急對講等多種業(yè)務(wù)。EUHT系統(tǒng)既能改變首都機場線車地通信系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施現(xiàn)狀，提高信號系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性，又能提升乘坐首都機場線乘客的出行感受，滿足乘客服務(wù)智能化、舒適性和人性化等需求，提升首都機場線作為“國門第一線”的整體形象，提高首都機場線運營服務(wù)水平。

1 首都機場線既有車地?zé)o線通信系統(tǒng)

首都機場線既有車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用的是波導(dǎo)管無線傳輸系統(tǒng)，全線波導(dǎo)管貫通。信號系統(tǒng)采用基于波導(dǎo)管通信傳輸技術(shù)的移動閉塞列車自動控制信號系統(tǒng)，無線系統(tǒng)運行在ISM頻段（2.4 GHz～2.483 5 GHz），并使用IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無線調(diào)制解調(diào)器，紅藍(lán)網(wǎng)承載CBTC業(yè)務(wù)，綠網(wǎng)承載乘客信息及視頻業(yè)務(wù)。受建設(shè)年代設(shè)備技術(shù)水平制約，系統(tǒng)未實現(xiàn)視頻回傳、視頻直播、乘客WiFi上網(wǎng)等功能。

移動閉塞列車自動控制信號系統(tǒng)子系統(tǒng)由軌旁和車載兩部分組成：

（1）軌旁部分：由三個共享一個公共發(fā)射網(wǎng)絡(luò)的獨立無線網(wǎng)絡(luò)（紅網(wǎng)，藍(lán)網(wǎng)和綠網(wǎng)）組成;公共發(fā)射網(wǎng)絡(luò)由若干連接到無源耦合器件的漏隙波導(dǎo)管組成;

（2）車載部分：由一個紅色無線調(diào)制解調(diào)器和一個藍(lán)色無線調(diào)制解調(diào)器，連接到對應(yīng)的用于漏泄波導(dǎo)的天線上;兩個綠色無線調(diào)制解調(diào)器，分別連接到兩個用于漏泄波導(dǎo)的天線上。

2 EUHT系統(tǒng)技術(shù)特點

EUHT（Enhanced Ultra-High Throughput， 增強型超高吞吐）是一種創(chuàng)新無線通信技術(shù)。系統(tǒng)和設(shè)備可工作在U波段（600 MHz～800 MHz）、1.8 GHz、3.4 GHz、5 GHz～6 GHz。

系統(tǒng)技術(shù)特點和優(yōu)勢如下：

（1）單載頻帶寬：支持5/10/20/40/80 MHz;不需要載波聚合，使用單路射頻通道就可以支持大帶寬，可以有效降低系統(tǒng)成本;

（2）可提供高速下的大帶寬傳輸：EUHT系統(tǒng)采用適應(yīng)高速的子載波間隔、時頻二維自適應(yīng)導(dǎo)頻、信道估計算法和時頻同步算法，實現(xiàn)了300 km/h高速移動條件下，多路高清視頻1080P的實時傳輸;

（3）高可靠性方面：EUHT系統(tǒng)采用先進(jìn)的鏈路自適應(yīng)技術(shù)、ARQ技術(shù)、先進(jìn)的BCC和LDPC調(diào)制編碼技術(shù)、MIMO分集和復(fù)用技術(shù)、MIMO非線性K-Best檢測算法，通過可靠的時頻同步機制和優(yōu)化的切換流程、切換機制，達(dá)到了高可靠的數(shù)據(jù)傳輸;

（4）超低時延方面：靈活可變的物理幀結(jié)構(gòu)設(shè)計、快速幀確認(rèn)技術(shù)，使EUHT系統(tǒng)的端到端數(shù)據(jù)傳輸時延控制在5 ms以下;

（5）芯片及設(shè)備產(chǎn)權(quán)方面：均是完全自主的技術(shù)，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，可結(jié)合城市軌道交通的需求做適應(yīng)性的開發(fā)和升級，不受制于國外;

（6）切換時延?。篍UHT系統(tǒng)控制切換延遲在50 ms以內(nèi)。

3 EUHT系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)

EUHT系統(tǒng)大帶寬、低時延、高可靠的技術(shù)特性可以同時滿足城市軌道交通車地通信多項已有業(yè)務(wù)和未來拓展業(yè)務(wù)不同需求的綜合承載。

城市軌道交通綜合承載的業(yè)務(wù)需求如下表所示：

列車控制業(yè)務(wù)、調(diào)度業(yè)務(wù)以及列車中心廣播業(yè)務(wù)關(guān)乎行車安全，對低時延、高可靠的需求更加苛刻。列車緊急文本業(yè)務(wù)、列車PIS視頻業(yè)務(wù)、CCTV視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、列車乘客緊急對話業(yè)務(wù)以及列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)等與列車行車安全無關(guān)。

4 EUHT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)頻段

根據(jù)《城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)-DCS子系統(tǒng)規(guī)范》、《城市軌道交通車地通信系統(tǒng)（LTE-M）總體規(guī)范》以及《城市軌道交通車地通信系統(tǒng)（LTE-M）接口規(guī)范》要求，列車控制業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余架構(gòu)。

目前城市軌道交通承載業(yè)務(wù)的無線通信系統(tǒng)所工作的頻段主要是1.8 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz。

1.8 GHz是軌道交通專用頻段，受干擾概率較小，但可用帶寬較窄，地上10 MHz地下20 MHz，可用于承載安全相關(guān)的業(yè)務(wù)。

2.4 GHz是開放頻段，受干擾概率大，可用頻段為80 MHz，相互獨立的信道有3個，可用于單一業(yè)務(wù)的承載。

5.8 GHz頻段是開放頻段，可用頻率范圍125 MHz，頻率資源較豐富，干擾概率較大，可用于多個業(yè)務(wù)的綜合承載。

因此，結(jié)合軌道交通信號系統(tǒng)安全穩(wěn)定性要求及乘客多元化服務(wù)需求，1.8 GHz和5.8 GHz是首選的兩個頻段。城市軌道交通運營安全相關(guān)業(yè)務(wù)的綜合承載需要采用冗余物理結(jié)構(gòu)，其他非安全相關(guān)業(yè)務(wù)的綜合承載無需采用冗余物理結(jié)構(gòu)，即1.8 GHz的綜合承載網(wǎng)承載運營安全相關(guān)業(yè)務(wù)，5.8 GHz的綜合承載網(wǎng)同時承載運營安全和非安全業(yè)務(wù)。

5 工程建設(shè)方案

首都機場線共有4座車站，1個設(shè)備集中站，1個車輛基地。EUHT系統(tǒng)由中心、車站、區(qū)間和車載網(wǎng)絡(luò)四部分設(shè)備組成。

5.1 中心級設(shè)備

本工程在車輛基地通信、信號機房內(nèi)設(shè)置EUHT系統(tǒng)中心設(shè)備，中心設(shè)備包括網(wǎng)管服務(wù)器、鑒權(quán)加密服務(wù)器、中心EDU和接口EDU?？紤]到承載信號CBTC業(yè)務(wù)和其他綜合業(yè)務(wù)的安全性，分別設(shè)置紅網(wǎng)（信號CBTC業(yè)務(wù)）EUHT中心設(shè)備、藍(lán)網(wǎng)（綜合承載業(yè)務(wù)）EUHT中心設(shè)備;紅、藍(lán)網(wǎng)中心設(shè)備組成見下圖。其中每個EUHT中心EDU作為匯聚交換機設(shè)備，采用2臺主備冗余配置方案。

5.2 車站級設(shè)備

本工程在東直門站、三元橋站、大山子（設(shè)備集中站）、T3航站樓站、T2航站樓站各設(shè)置2套EDU，其中1臺接入紅網(wǎng)信號CBTC的EBU，1臺接入藍(lán)網(wǎng)綜合承載業(yè)務(wù)的EBU。在車輛基地設(shè)置4套EDU，其中2套連接運營正線紅、藍(lán)網(wǎng)EBU，另外2套連接車輛基地內(nèi)紅、藍(lán)網(wǎng)EBU。

本工程車輛基地中心級EDU與車站EDU及車輛基地內(nèi)EDU的連接方式采用網(wǎng)絡(luò)延遲時間較小的星型連接方式，可滿足信息高速傳輸?shù)募夹g(shù)需求。

5.3 區(qū)間設(shè)備

區(qū)間設(shè)備設(shè)置數(shù)量及設(shè)置間距，需要結(jié)合地鐵場強環(huán)境測試結(jié)果與鏈路計算數(shù)據(jù)，綜合確定。

5.3.1 高架或路基環(huán)境路徑損耗

5 GHz無線通信設(shè)備在開闊環(huán)境實際測試的路損結(jié)果介于COST231-hata模型（鄉(xiāng)村）和WINNER模型（鄉(xiāng)村NLOS）之間，高架環(huán)境鏈路中路損可以按照COST231-hata模型（鄉(xiāng)村）和WINNER模型（鄉(xiāng)村NLOS）的平均值進(jìn)行理論計算。即：

L=30.16lg（d[km]）+122.255（dB）

5.3.2 隧道環(huán)境鏈路損耗

由于隧道環(huán)境對無線信號傳輸有波導(dǎo)效應(yīng)，基站小區(qū)的中、遠(yuǎn)區(qū)信號衰減規(guī)律近似線性衰減。根據(jù)5 GHz無線通信設(shè)備在隧道環(huán)境實際測試的路損結(jié)果，隧道環(huán)境直線段的路徑損耗可以參考如下經(jīng)驗公式計算：

L=37.5×lg（d[km]）+86.625（dB）

EUHT基站布置在列車運行沿線，實現(xiàn)軌旁EBU與車載EAU之間的無線場強覆蓋，鏈路分析如下：

根據(jù)已知EUHT系統(tǒng)設(shè)備發(fā)射機EIRP，接收機最小接收電平信號、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，計算得出系統(tǒng)允許最大路損為113。

5.3.3 EBU設(shè)置間距分析

通過對照表格數(shù)據(jù)，EBU間距控制在500 m左右可以達(dá)到系統(tǒng)覆蓋電平要求。為確保系統(tǒng)信號覆蓋，考慮地鐵運行線路附近無線場強對信號傳播的影響，區(qū)間設(shè)備設(shè)定距離按照如下原則確定：

表

根據(jù)上述表格EBU設(shè)置原則及首都機場線目前已知線路情況，高架段采用單點單站覆蓋，隧道段采用雙洞雙站覆蓋，首都機場線正線藍(lán)網(wǎng)設(shè)置EBU119套，正線紅網(wǎng)設(shè)置121套，車輛基地及紅網(wǎng)和藍(lán)網(wǎng)各設(shè)置EBU6套，共計252套。

5.4 車載設(shè)備

EUHT系統(tǒng)車載設(shè)備包括天饋線、EAU、ESU和貫通網(wǎng)線。

在A1車設(shè)置3套EAU及天饋線（1.8 GHz，5.8 GHz 20 M，5.8 GHz 80 M）、2套ESU（1.8 GHz、5.8 GHz 20 M，5.8 GHz80 M）;A2車設(shè)置2套EAU（5.8 GHz）和2套ESU（5.8 GHz）進(jìn)行無線信號的收發(fā)和控制完成與地面的無線通信。同時，在每節(jié)車廂分別設(shè)置1臺車廂交換機，與A1、A2車5.8G ESU之間通過車載貫通線構(gòu)成EUHT車載網(wǎng)絡(luò)（圖8）。

6 建設(shè)效果評價

首都機場線EUHT系統(tǒng)建成后，首先多次利用夜間停運時間，1組列車切換到EUHT系統(tǒng)承載綜合業(yè)務(wù)空載運行，使用IxChariot測試軟件同時進(jìn)行無線端對端測試，測試結(jié)果為紅網(wǎng)單終端上行吞吐量平均28.552 Mbps，紅網(wǎng)單終端下行吞吐量平均13.249 Mbps，藍(lán)網(wǎng)多終端上行吞吐量平均值146.687 Mbps，藍(lán)網(wǎng)多終端下行吞吐量平均值98.498 Mbps。后續(xù)在夜間停運后多次7組列車接入EUHT系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)，模擬白天運營環(huán)境，測試EUHT系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)的丟包率和傳輸時延，驗證EUHT系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性，信號系統(tǒng)車地通信業(yè)務(wù)通道紅、藍(lán)網(wǎng)的丟包率均小于0.1%，紅、藍(lán)網(wǎng)的傳輸時延不超過150 ms概率大于99.9%，無因車地?zé)o線通信中斷導(dǎo)致緊急制動，各項評價指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。在各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求后，首都機場線投入一組列車切換到EUHT系統(tǒng)承載多業(yè)務(wù)進(jìn)入載客試運營，EUHT系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)后，列車載客試運營工作正常，信號系統(tǒng)車地通信業(yè)務(wù)通道的丟包率及傳輸時延滿足要求且無因EUHT系統(tǒng)通信中斷造成的車輛緊急制動。載客試運營期間，北京市發(fā)生了大范圍降雪，EUHT系統(tǒng)未發(fā)生任何故障，所有設(shè)備運行正常，沒有因降雪導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能下降現(xiàn)象，各項指標(biāo)均滿足承載多業(yè)務(wù)的指標(biāo)要求。

7 結(jié)束語

首都機場線EUHT系統(tǒng)的建成，提升了信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，多業(yè)務(wù)承載提升了首都機場線的運營服務(wù)水平，強化了首都機場線作為國門第一線的外在形象。而且EUHT系統(tǒng)設(shè)備總量較傳統(tǒng)波導(dǎo)管系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少，降低了投資成本和運維成本。

EUHT系統(tǒng)多業(yè)務(wù)承載在首都機場線的建成，為在城市軌道交通領(lǐng)域推廣使用提供了可借鑒的經(jīng)驗，為下一步推行智慧軌道交通提供基礎(chǔ)支持。

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