EUHT系統在首都機場線綜合承載的工程應用

杜小亮

摘 要：本文首先介紹了首都機場線既有車地無線通信系統的傳輸模式和設備運行現狀，然后闡述EUHT系統的技術特點和網絡制式的要求，再結合EUHT系統在首都機場線的建設應用，綜合分析選用合理設備方案，最后通過實際測試數據證明EUHT系統數據傳輸吞吐量等各項指標均能夠滿足承載多業務需求。最后得出結論：EUHT系統能夠滿足地鐵運營的安全和穩定性需求，具備推廣使用的條件。

關鍵詞：EUHT;地鐵;綜合承載;應用

0 引言

地鐵是市民出行的服務窗口、是城市建設的重要基礎設施。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系統可以為乘客提供多元性乘坐體驗，并不斷優化，實現綜合承載信號、視頻、乘客信息（電視直播和航班信息發布）、廣播、乘客緊急對講等多種業務。EUHT系統既能改變首都機場線車地通信系統設備設施現狀，提高信號系統的安全性、穩定性、可維護性，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水平。

1 首都機場線既有車地無線通信系統

首都機場線既有車地無線通信系統采用的是波導管無線傳輸系統，全線波導管貫通。信號系統采用基于波導管通信傳輸技術的移動閉塞列車自動控制信號系統，無線系統運行在ISM頻段（2.4 GHz～2.483 5 GHz），并使用IEEE802.11g標準的無線調制解調器，紅藍網承載CBTC業務，綠網承載乘客信息及視頻業務。受建設年代設備技術水平制約，系統未實現視頻回傳、視頻直播、乘客WiFi上網等功能。

移動閉塞列車自動控制信號系統子系統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射網絡的獨立無線網絡（紅網，藍網和綠網）組成;公共發射網絡由若干連接到無源耦合器件的漏隙波導管組成;

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

2 EUHT系統技術特點

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

系統技術特點和優勢如下：

（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，可以有效降低系統成本;

（2）可提供高速下的大帶寬傳輸：EUHT系統采用適應高速的子載波間隔、時頻二維自適應導頻、信道估計算法和時頻同步算法，實現了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系統采用先進的鏈路自適應技術、ARQ技術、先進的BCC和LDPC調制編碼技術、MIMO分集和復用技術、MIMO非線性K-Best檢測算法，通過可靠的時頻同步機制和優化的切換流程、切換機制，達到了高可靠的數據傳輸;

（4）超低時延方面：靈活可變的物理幀結構設計、快速幀確認技術，使EUHT系統的端到端數據傳輸時延控制在5 ms以下;

（5）芯片及設備產權方面：均是完全自主的技術，擁有完全自主知識產權，可結合城市軌道交通的需求做適應性的開發和升級，不受制于國外;

（6）切換時延小：EUHT系統控制切換延遲在50 ms以內。

3 EUHT系統承載業務

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

城市軌道交通綜合承載的業務需求如下表所示：

列車控制業務、調度業務以及列車中心廣播業務關乎行車安全，對低時延、高可靠的需求更加苛刻。列車緊急文本業務、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。

4 EUHT系統網絡架構及網絡頻段

根據《城市軌道交通CBTC信號系統-DCS子系統規范》、《城市軌道交通車地通信系統（LTE-M）總體規范》以及《城市軌道交通車地通信系統（LTE-M）接口規范》要求，列車控制業務的承載網絡采用雙網冗余架構。

目前城市軌道交通承載業務的無線通信系統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的業務。

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，可用于單一業務的承載。

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，可用于多個業務的綜合承載。

因此，結合軌道交通信號系統安全穩定性要求及乘客多元化服務需求，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業務的綜合承載需要采用冗余物理結構，其他非安全相關業務的綜合承載無需采用冗余物理結構，即1.8 GHz的綜合承載網承載運營安全相關業務，5.8 GHz的綜合承載網同時承載運營安全和非安全業務。

5 工程建設方案

首都機場線共有4座車站，1個設備集中站，1個車輛基地。EUHT系統由中心、車站、區間和車載網絡四部分設備組成。

5.1 中心級設備

本工程在車輛基地通信、信號機房內設置EUHT系統中心設備，中心設備包括網管服務器、鑒權加密服務器、中心EDU和接口EDU。考慮到承載信號CBTC業務和其他綜合業務的安全性，分別設置紅網（信號CBTC業務）EUHT中心設備、藍網（綜合承載業務）EUHT中心設備;紅、藍網中心設備組成見下圖。其中每個EUHT中心EDU作為匯聚交換機設備，采用2臺主備冗余配置方案。

5.2 車站級設備

本工程在東直門站、三元橋站、大山子（設備集中站）、T3航站樓站、T2航站樓站各設置2套EDU，其中1臺接入紅網信號CBTC的EBU，1臺接入藍網綜合承載業務的EBU。在車輛基地設置4套EDU，其中2套連接運營正線紅、藍網EBU，另外2套連接車輛基地內紅、藍網EBU。

本工程車輛基地中心級EDU與車站EDU及車輛基地內EDU的連接方式采用網絡延遲時間較小的星型連接方式，可滿足信息高速傳輸的技術需求。

5.3 區間設備

區間設備設置數量及設置間距，需要結合地鐵場強環境測試結果與鏈路計算數據，綜合確定。

5.3.1 高架或路基環境路徑損耗

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

L=30.16lg（d[km]）+122.255（dB）

5.3.2 隧道環境鏈路損耗

由于隧道環境對無線信號傳輸有波導效應，基站小區的中、遠區信號衰減規律近似線性衰減。根據5 GHz無線通信設備在隧道環境實際測試的路損結果，隧道環境直線段的路徑損耗可以參考如下經驗公式計算：

L=37.5×lg（d[km]）+86.625（dB）

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

根據已知EUHT系統設備發射機EIRP，接收機最小接收電平信號、發射天線增益、接收天線增益及其他增益、損耗并考慮余量，計算得出系統允許最大路損為113。

5.3.3 EBU設置間距分析

通過對照表格數據，EBU間距控制在500 m左右可以達到系統覆蓋電平要求。為確保系統信號覆蓋，考慮地鐵運行線路附近無線場強對信號傳播的影響，區間設備設定距離按照如下原則確定：

表

根據上述表格EBU設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，首都機場線正線藍網設置EBU119套，正線紅網設置121套，車輛基地及紅網和藍網各設置EBU6套，共計252套。

5.4 車載設備

EUHT系統車載設備包括天饋線、EAU、ESU和貫通網線。

在A1車設置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車設置2套EAU（5.8 GHz）和2套ESU（5.8 GHz）進行無線信號的收發和控制完成與地面的無線通信。同時，在每節車廂分別設置1臺車廂交換機，與A1、A2車5.8G ESU之間通過車載貫通線構成EUHT車載網絡（圖8）。

6 建設效果評價

首都機場線EUHT系統建成后，首先多次利用夜間停運時間，1組列車切換到EUHT系統承載綜合業務空載運行，使用IxChariot測試軟件同時進行無線端對端測試，測試結果為紅網單終端上行吞吐量平均28.552 Mbps，紅網單終端下行吞吐量平均13.249 Mbps，藍網多終端上行吞吐量平均值146.687 Mbps，藍網多終端下行吞吐量平均值98.498 Mbps。后續在夜間停運后多次7組列車接入EUHT系統承載CBTC業務，模擬白天運營環境，測試EUHT系統承載CBTC業務的丟包率和傳輸時延，驗證EUHT系統承載CBTC業務的穩定性，信號系統車地通信業務通道紅、藍網的丟包率均小于0.1%，紅、藍網的傳輸時延不超過150 ms概率大于99.9%，無因車地無線通信中斷導致緊急制動，各項評價指標均滿足設計要求。在各項指標均滿足設計要求后，首都機場線投入一組列車切換到EUHT系統承載多業務進入載客試運營，EUHT系統承載CBTC業務后，列車載客試運營工作正常，信號系統車地通信業務通道的丟包率及傳輸時延滿足要求且無因EUHT系統通信中斷造成的車輛緊急制動。載客試運營期間，北京市發生了大范圍降雪，EUHT系統未發生任何故障，所有設備運行正常，沒有因降雪導致的網絡性能下降現象，各項指標均滿足承載多業務的指標要求。

7 結束語

首都機場線EUHT系統的建成，提升了信號系統數據傳輸的穩定性，多業務承載提升了首都機場線的運營服務水平，強化了首都機場線作為國門第一線的外在形象。而且EUHT系統設備總量較傳統波導管系統設備數量少，降低了投資成本和運維成本。

EUHT系統多業務承載在首都機場線的建成，為在城市軌道交通領域推廣使用提供了可借鑒的經驗，為下一步推行智慧軌道交通提供基礎支持。

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