基于EUHT技術(shù)的首都機(jī)場(chǎng)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(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，北京 100166)

1 概述

隨著無(wú)線寬帶技術(shù)的普及和支撐城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)的車地業(yè)務(wù)不斷增加，現(xiàn)有基于2.4 G WLAN技術(shù)和LTE-M的通信技術(shù)面臨著干擾或大帶寬的挑戰(zhàn)。

2019年7月19日至9月25日，EUHT系統(tǒng)通過(guò)了泰爾實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室等第三方機(jī)構(gòu)測(cè)試，并于2019年9月7日至11日，由中國(guó)鐵道科學(xué)院實(shí)驗(yàn)室在地鐵15號(hào)線馬泉營(yíng)—孫河上行區(qū)段（3.3 km）開展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試報(bào)告表明，EUHT系統(tǒng)滿足經(jīng)專家評(píng)審的測(cè)試大綱中相關(guān)指標(biāo)要求；通過(guò)EUHT 1.8 GHz+5.8 GHz雙頻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱CBTC）、30路車載視頻監(jiān)視系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱VMS）、1路乘客信息系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱PIS）視頻及列車中心廣播和乘客緊急對(duì)講業(yè)務(wù)的綜合承載。

2019年10月，北京地鐵將首都機(jī)場(chǎng)線作為EUHT系統(tǒng)綜合承載研發(fā)試驗(yàn)線，開展相關(guān)建設(shè)工作，利用EUHT系統(tǒng)承載城市軌道交通CBTC、PIS、VMS、PA等生產(chǎn)系統(tǒng)的車地業(yè)務(wù)信息。

2 承載業(yè)務(wù)及其優(yōu)先級(jí)

基于EUHT技術(shù)的城市軌道交通車地通信綜合承載平臺(tái)，需在列車運(yùn)行狀態(tài)下滿足實(shí)時(shí)、寬帶、穩(wěn)定、具有服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障的生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求。利用EUHT具有不同QoS等級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，將軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分。

首都機(jī)場(chǎng)線生產(chǎn)業(yè)務(wù)主要有CBTC業(yè)務(wù)信息、PIS業(yè)務(wù)信息（含電視直播、航班信息發(fā)布、緊急文本下發(fā)）、車載VMS監(jiān)控圖像信息、中心廣播業(yè)務(wù)信息及乘客緊急對(duì)講信息。信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)信息通過(guò)紅、藍(lán)網(wǎng)承載，其他綜合業(yè)務(wù)信息由藍(lán)網(wǎng)獨(dú)立承載。

單列車的生產(chǎn)業(yè)務(wù)帶寬需求和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)要求如表1所示。

表1 生產(chǎn)業(yè)務(wù)帶寬需求Tab.1 Bandwidth requirements of production business

無(wú)線接入網(wǎng)容量按單小區(qū)同時(shí)2列車設(shè)計(jì)。藍(lán)網(wǎng)每小區(qū)業(yè)務(wù)帶寬需求為上行56 Mbit/s，下行20 Mbit/s。機(jī)場(chǎng)線改造列車暫不提供單獨(dú)的車輛狀態(tài)信息到地面，預(yù)留廠修后列車的車輛狀態(tài)信息通道需求。

3 EUHT系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 頻率選擇

首都機(jī)場(chǎng)線EUHT車地?zé)o線系統(tǒng)由紅網(wǎng)和藍(lán)網(wǎng)兩張互相獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，EUHT紅網(wǎng)采用1.8 GHz+5.8 GHz組網(wǎng)方式，承載信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)。首都機(jī)場(chǎng)線正線K0+000至K16+220采用1.8 GHz系統(tǒng)，使用1 785～1 795 MHz頻段；因機(jī)場(chǎng)航站樓附近區(qū)域已經(jīng)使用了1.8 G頻段，所以在機(jī)場(chǎng)附近（K15+900至車輛段）采用5.8 GHz系統(tǒng)，使用5 725～5 745 MHz（20 MHz）頻段。

藍(lán)網(wǎng)全線采用5.8 GHz系統(tǒng)，使用5 770～5 850（80 MHz）頻段，綜合承載車地業(yè)務(wù)。

3.2 EUHT系統(tǒng)方案

EUHT車地?zé)o線系統(tǒng)由地面和車載網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。EUHT系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

3.2.1 EUHT地面設(shè)備

EUHT地面設(shè)備由中心、車站及區(qū)間設(shè)備組成。

1）EUHT中心設(shè)備

在天竺車輛基地通信信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置紅網(wǎng)、藍(lán)網(wǎng)的EUHT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、監(jiān)測(cè)服務(wù)器、中心EDU（中心數(shù)據(jù)交換機(jī)）、接口EDU（接口數(shù)據(jù)交換機(jī)）和防火墻等設(shè)備。

2）EUHT車站設(shè)備

在東直門站、三元橋站、大山子設(shè)備站、T3站、T2站設(shè)置2套EDU，其中1臺(tái)接入紅網(wǎng)信號(hào)CBTC的EBU（基站設(shè)備），1臺(tái)接入藍(lán)網(wǎng)綜合承載的EBU。

在天竺車輛基地分別設(shè)置紅、藍(lán)網(wǎng)EDU設(shè)備，連接正線和車輛基地內(nèi)紅、藍(lán)網(wǎng)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(nèi)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(shè)備與天竺車輛基地中心設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式進(jìn)行組網(wǎng)。如圖2所示。

圖1 EUHT系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Diagram for the composition of EUHT system

該方案的特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小，車站與中心直接通信，無(wú)需通過(guò)車站進(jìn)行轉(zhuǎn)接；光纜纖芯數(shù)需求大，每個(gè)EDU需要4芯光纖（2芯主，2芯備），因機(jī)場(chǎng)線是Y字型線路，所以干線光纜總需求為12芯；每個(gè)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(shè)置1個(gè)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(huán)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(shè)備至天竺車輛基地中心設(shè)備采用環(huán)型連接方式進(jìn)行組網(wǎng)。如圖3所示。

圖3 環(huán)型連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of ring connection

該方案的特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)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(guò)車站進(jìn)行轉(zhuǎn)接；光纜纖芯數(shù)需求小，每個(gè)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(shè)置2個(gè)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(jī)場(chǎng)線采用方案一：星型連接進(jìn)行組網(wǎng)。

b.主干光纜敷設(shè)方案

從應(yīng)用需求和紅、藍(lán)網(wǎng)隔離方面考慮，EUHT系統(tǒng)主干光纜可采用以下3個(gè)方案。

方案一：敷設(shè)2根光纜，紅、藍(lán)網(wǎng)分別采用獨(dú)立光纜組網(wǎng)。

沿機(jī)場(chǎng)線區(qū)間的既有光纜敷設(shè)支架或槽道敷設(shè)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(jī)房，敷設(shè)2根24芯GYTZA-24B1光纜構(gòu)成主干網(wǎng)，每根光纜約33 km，總共約67 km。

光纜在各車站通過(guò)弱電間進(jìn)入通信機(jī)房并全部終端在ODF機(jī)柜端子上，通過(guò)尾纖分別跳接至車站各網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，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(wǎng)絡(luò)提供組網(wǎng)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(shè)置不少于2條24芯光纜引入終端ODF設(shè)備。

方案二：敷設(shè)1根光纜，紅、藍(lán)網(wǎng)采用同1根光纜組網(wǎng)。

沿機(jī)場(chǎng)線區(qū)間的既有光纜敷設(shè)支架或槽道敷設(shè)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(jī)房，敷設(shè)1根48芯GYTZA-96B1光纜構(gòu)成主干網(wǎng)。在東直門、三元橋、大山子、T2、T3以及天竺車輛段分別需要設(shè)置不少于1條48芯光纜引入終端ODF設(shè)備。

方案三：不敷設(shè)光纜，利用既有100G PTN傳輸網(wǎng)為紅、藍(lán)網(wǎng)提供通道。

不再敷設(shè)主干光纜，對(duì)既有100G PTN傳輸網(wǎng)擴(kuò)容GE業(yè)務(wù)接口板。

方案比選：方案三建設(shè)投資比方案一少，但是需要對(duì)既有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容，而且占用既有傳輸網(wǎng)的通道資源，不利于未來(lái)機(jī)場(chǎng)線通信業(yè)務(wù)發(fā)展需求；方案二與方案一建設(shè)投資相差不大，但是方案二不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)與地鐵綜合業(yè)務(wù)完全物理隔離。考慮到列車運(yùn)行安全和地鐵運(yùn)營(yíng)安全，實(shí)現(xiàn)CBTC業(yè)務(wù)與地鐵綜合業(yè)務(wù)交換機(jī)設(shè)備和光纜全物理隔離，同時(shí)本著對(duì)既有通信設(shè)備影響最小進(jìn)行研發(fā)試驗(yàn)的原則，首都機(jī)場(chǎng)線采用方案一：敷設(shè)2根光纜，紅、藍(lán)網(wǎng)分別采用獨(dú)立光纜組網(wǎng)。

c.車站與基站的連接

車站EDU與區(qū)間的EBU基站設(shè)備組成星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)沿線EBU設(shè)備的接入及與EUHT中心的連接。

3）EUHT區(qū)間設(shè)備

區(qū)間設(shè)備主要由EBU基站、ETU設(shè)備（時(shí)間同步單元）、EBU基站天饋線、防護(hù)箱組成。

EBU基站：紅網(wǎng)、藍(lán)網(wǎng)的EBU設(shè)備、EBU基站天饋線、防護(hù)箱采用同站址設(shè)置，即在同一個(gè)點(diǎn)位設(shè)置1套紅網(wǎng)的EBU設(shè)備、EBU基站天饋線、防護(hù)箱，同時(shí)設(shè)置1套藍(lán)網(wǎng)的EBU設(shè)備、EBU基站天饋線、防護(hù)箱。

紅網(wǎng)在1.8 GHz和5.8 GHz（20 M）的過(guò)渡區(qū)段（機(jī)場(chǎng)附近K15+900至車輛段區(qū)間）的2個(gè)站址同時(shí)設(shè)置1.8 GHz設(shè)備和5.8 GHz（20 MHz）設(shè)備，保證紅網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)平滑切換。

首都機(jī)場(chǎng)線高架段采用單點(diǎn)單站覆蓋，隧道段采用雙洞雙站覆蓋。基站布點(diǎn)需要考慮彎道、坡度的影響，同時(shí)考慮地上地下過(guò)渡區(qū)段，在這些區(qū)域覆蓋距離應(yīng)適當(dāng)減小。全線基站平均站間距約為335 m。

ETU設(shè)備：EBU設(shè)備內(nèi)置時(shí)鐘同步模塊，采用ETU時(shí)鐘設(shè)備為EBU設(shè)備提供時(shí)鐘同步信號(hào)源。

EBU設(shè)備具備1路時(shí)鐘同步信號(hào)輸入接口和1路輸出接口，區(qū)間EBU設(shè)備通過(guò)串接級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步；ETU設(shè)備可提供2路時(shí)鐘源，每路時(shí)鐘源可串接不大于25臺(tái)EBU。首都機(jī)場(chǎng)線共設(shè)置10臺(tái)ETU設(shè)備。

高架、路基區(qū)段的EBU外接GPS天線，在ETU故障時(shí)，可通過(guò)GPS的PPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步。

基站天饋線：基站天線采用高增益定向天線。每臺(tái)EBU設(shè)備在高架區(qū)間連接2副設(shè)備天線和1副GPS天線，隧道區(qū)間連接2副設(shè)備天線。高架區(qū)段采用立桿安裝天線方式覆蓋，隧道區(qū)段采用隧道壁安裝天線方式覆蓋。車輛段內(nèi)采用立桿或者在庫(kù)外側(cè)墻上安裝天線方式覆蓋。

防護(hù)箱：每臺(tái)EBU、ETU配置1臺(tái)防護(hù)箱。防護(hù)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(shè)備。

4）EUHT車載設(shè)備

在車頭設(shè)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(jī)）連接，在車尾設(shè)置5.8G（20 M）EAU及5.8 G（80 M）EAU分別與ESU（車載交換機(jī)）連接。考慮到信號(hào)業(yè)務(wù)的獨(dú)立性，在車載設(shè)置信號(hào)獨(dú)立使用的藍(lán)網(wǎng)ESU和EAU設(shè)備。每列車安裝EAU 5套，ESU 4套。

4 測(cè)試情況

2020年4月，在首都機(jī)場(chǎng)線進(jìn)行了EUHT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試，包括地面網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)調(diào)試、車載網(wǎng)絡(luò)調(diào)試；進(jìn)行了EUHT系統(tǒng)綜合承載測(cè)試，包括CBTC、PIS、VMS、PA等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合承載；進(jìn)行了EUHT系統(tǒng)無(wú)線性能測(cè)試，測(cè)試EUHT系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)后，業(yè)務(wù)通道的丟包率、傳輸時(shí)延及連續(xù)最大丟包數(shù)，以及機(jī)場(chǎng)區(qū)域EUHT系統(tǒng)1.8 G、5.8 G網(wǎng)絡(luò)切換邊界性能；進(jìn)行了兩列車混跑（一列車CBTC運(yùn)行在EUHT系統(tǒng)，一列車CBTC運(yùn)行在2.4 G WLAN系統(tǒng)）追蹤及安全區(qū)域測(cè)試，驗(yàn)證列車混跑時(shí)，列車之間的追蹤安全以及安全區(qū)域的列車安全情況；進(jìn)行了多車混跑測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 EUHT系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of EUHT system

試驗(yàn)結(jié)果基本滿足預(yù)期，驗(yàn)證了EUHT在1.8 GHz+5.8 GHz雙頻通信網(wǎng)絡(luò)下，實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)CBTC、VMS、PIS、PA等多種業(yè)務(wù)的綜合承載；在保證CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)PIS緊急文本下發(fā)、電視直播、航班信息顯示、中心對(duì)列車廣播、中心與乘客實(shí)時(shí)清晰可視對(duì)講、12路視頻實(shí)時(shí)回傳等多種業(yè)務(wù)的綜合承載。EUHT系統(tǒng)大容量、低時(shí)延的特點(diǎn)能夠滿足軌道交通業(yè)務(wù)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

2020年5月，按照以上組網(wǎng)方案在首都機(jī)場(chǎng)線搭建的EUHT系統(tǒng)，進(jìn)行了階段驗(yàn)收，順利通過(guò)了專家評(píng)審。首都機(jī)場(chǎng)線實(shí)現(xiàn)了EUHT綜合承載軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)且效果良好，為EUHT在城市軌道交通的示范應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，可供軌道交通車地通信系統(tǒng)建設(shè)參考。同時(shí)，利用EUHT系統(tǒng)“大帶寬”的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可進(jìn)一步承載更多的車地業(yè)務(wù)，為乘客帶來(lái)更好的乘車體驗(yàn)，與5G技術(shù)一起引導(dǎo)智慧地鐵新發(fā)展。