EUHT在城市地铁车地无线通信系统中的应用

邓紫阳

（广州地铁设计研究院有限公司，广州 510000）

城市地铁的大规模化建设，设计列车运行速度越来越高，车地无线通信系统频繁处于高速移动、高速切换状态，系统丢包率、传输时延、传输速率以及抗多普勒效应等要求都对现有通信技术提出挑战。

同时，在高密度、大客流运营情况下，车载多路视频监控信息同时上传到地面控制中心、地面公安的需求越来越强烈，尤其突发紧急情况时，地面指挥人员需要及时掌握车内和车头车尾等多路视频图像的现场情况，指挥应急措施处理车内突发紧急情况。

1 乘客信息显示系统车地无线通信技术现状

目前，基于IEEE802.11系列的无线通信系统是轨道交通乘客信息显示系统（以下简称PIS）的主流车地无线技术， 802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac等是无线局域网(WLAN)的技术标准，其中802.11n工作在2.4 GHz或5.8 GHz频段，静态下理论速率可达600 Mbit/s；802.11ac工作在5.8 GHz频段，静态下理论速率可达1 Gbit/s。

可是，WLAN技术在140 km/h以上高速移动下的应用于PIS车地无线传输尚属罕见，且随着列车速度提高，上下行带宽吞吐量远远不能满足预期。

长期演进（Long Term Evolution，LTE）专门针对移动高带宽应用设计的无线通信标准，是我国拥有核心自主知识产权的国际通信标准技术，在20 MHz频宽下能够提供下行峰值速率100 Mbit/s与上行峰值速率50 Mbit/s，能够为350 km/h高速移动用户提供不小于50 Mbit/s的接入服务。

可是，工业和信息化部《关于重新发布1785-1805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》要求，系统频率资源在轨道交通的应用，实现大带宽、高容量、高速率，满足高清、超高清列车视频图像上传需求，也不容乐观。

2 EUHT技术简介

超高速移动通信技术（EUHT）是我国自主研发的能够解决“移动宽带一体化”的通信技术系统，工信部“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项于2010年设立《超高速无线局域网无线接口关键技术研究与验证》课题，超前部署了高性能要求的基础性战略核心技术研发，之后又设立相关的芯片研发、组网技术试验等课题，开发更高性能的移动通信系统。2011年市场已开发全套核心芯片，2013年研制基站、终端等关键设备，并在轨道交通、高铁、农村等领域开展测试验证和产业化应用。

2016年8月，住建部正式批准颁布基于EUHT技术的《城市轨道交通车地实时视频传输系统》行业标准，标准号：CJ/T 500-2016，具有更好高速移动适应性、更大数据传输带宽、更低空口接入时延和更稳定网络漫游切换性能的EUHT可以广泛应用于智慧城市、物联网、车联网、智能交通和军事等领域。

2015年12月，在广州地铁6号线（浔峰岗—坦尾）开展现场试验，基本验证EUHT技术能够适应轨道交通车地无线通信传输的需求；2017年8月4日， EUHT技术首次在京津城际高铁上进行演示，在300 km/h速度的高铁上，获得非常流畅的实时视频，积累了宝贵的高速列车运行下的场景。

3 EUHT技术在广州地铁知识城线的应用情况

3.1 EUHT技术网络总体架构

EUHT控制中心（ECC）、数据中心（EDC）与PIS控制中心分线中心交换机互联，以实现控制中心PIS信息在车地无线系统的传输，其接口类型为2个互备冗余的1000 Mbit/s以太网接口，如图1所示。

图1 广州地铁知识城线EUHT系统网络架构图Fig.1 EUHT system network framework for Knowledge City Line of Guangzhou subway

区间车地无线系统在各车站布置有线节点设备（EDU），在区间隧道、高架区段、出入段线设置区间无线基站单元（EBU）设备，实现与列车车载设备的无线数据交互，如图2所示。各区间EBU设备通过光缆与车站EDU连接，车站EDU通过线路骨干光缆资源与ECC、EDC连接。

图2 广州地铁知识城线EUHT车载设备网络架构图Fig.2 EUHT onboard equipment network framework for Knowledge City Line of Guangzhou subway

3.2 无线覆盖方案

1）频点规划

无线系统覆盖时选择5.8 GHz频点（5725～5850 MHz频段），共计125 MHz，划分5个信道，每个信道20 MHz，如图3所示，EUHT组网选择80 MHz频率资源组网，使用149、153、157、161、165信道用于车-地无线系统（EUHT）组网通信。

图3 5.8 GHz频段信道配置Fig.3 5.8GHz frequency channel configuration

2）无线设备安装

根据车载EUHT天线的安装高度，合理选择地面无线设备的安装位置，如图4、5所示，保证车地无线系统的无线信号能够在全线无缝覆盖，信号场强满足车地通信需求，地下区间EBU安装在隧道壁侧墙便于运营维护的位置，天线安装高度为3.1 m，高架区间EBU安装在疏散平台下缘，便于运营维护的位置，立杆安装在疏散平台中间，天线安装高度为3.1 m。

3）链路计算

a.高架或路基环境路径损耗

图4 地下区间EBU现场安装示意图Fig.4 On-site installation of EBU in underground section

图5 高架区间EBU现场安装示意图Fig.5 On-site installation of EBU in elevated section

在开阔环境中，5 GHz无线通信系统实际测试的路损结果介于COST231-hata模型（乡村）、WINNER模型（乡村NLOS）之间，因此，地铁高架区间链路中路损可以按照COST231-hata模型（乡村）、WINNER模型（乡村NLOS）的平均值进行理论计算。即：

b.隧道环境链路损耗

由于隧道环境对无线信号传输有波导效应，各基站（EBU）小区的中、远区信号衰减规律近似线性衰减。在地铁隧道环境中，5 GHz无线通信系统实际测试路径损耗可参考如下经验公式计算：

c.链路计算

根据EUHT系统设备发射机EIRP，接收机最小接收电平信号、发射天线增益、接收天线增益及其他增益、损耗并考虑余量，如链路预算参考表1所示，计算出系统允许最大路损。

MAX_PL（最大路损）=发端EIRP-最小接收信号电平+其他增益-其他损耗-其他余量=

表1 链路预算表Tab.1 Budget sheet of links

通过表2可知，EBU布点控制在500 m左右可以达到系统覆盖电平要求。

表2 传播模型预测的损耗值Tab.2 Loss values predicted by the propagation model

4）轨旁无线基站实施方案原则

根据理论计算结果和地铁工程中的实际环境，设定布点覆盖按照表3覆盖指标表执行。

表3 覆盖指标表Tab.3 List of coverage indexes

采用上述布点原则，在单个EBU和其他设备出现故障时，相邻两个EBU可以保证系统正常工作。

5）无线系统切换

EUHT系统使用的频段划分为2个频段，采用异频组网方式，相邻EBU为不同的频段，运行列车依次在各轨旁基站中进行链路切换，当列车驶离原小区，进入新小区时，地面轨旁基站与列车车载设备之间的链路将由新基站与列车车载设备之间的链路来取代。[2]

系统工作原理如图6所示。列车运行至EBU2时，首先是车头EAU完成从EBU2到EBU3的切换，随后车尾EAU完成EBU1到EBU2的切换。

图6 EUHT系统无线接入工作原理图Fig.6 Functional diagram of EUHT system wireless access

4 测试结果

1）无线场强测试

根据实际全线覆盖情况，全程上下行场强覆盖均优于-85 dBm，如图7所示，达到预期并满足覆盖要求。

图7 EUHT全线场强测试覆盖图Fig.7 EUHT field intensity coverage of whole line

2）实际带宽测试结果

根据实际工程的环境测试，工程设计取得如下成果。

a.单列车静态带宽可达400 Mbit/s。

b.列车动态情况（时速115 km）下平均上传吞吐率约为200 Mbit/s，下载吞吐率约100 Mbit/s，合计约300 Mbit/s。

本解决方案实现广州地铁知识城线PIS车地无线组网技术，达到在线运行每列车单边带宽至少100 Mbit/s的组网需求。

5 结论及展望

广州地铁知识城线基于EUHT技术的PIS车地无线网络，工程结果是满足预期的。EUHT技术良好的适应城市地铁新业务需求，增强地铁的管理手段，提升了城市地铁管理水平。

本文对EUHT技术应用于车地无线传输的方案进行详细论述，对车地无线方案进行庖丁解牛，为城市地铁在高速运行下大带宽、高容量、高速率的车地无线技术实施提供参考。

未来，EUHT技术的应用还将在提升带宽（优化编码算法）、提升系统可靠性（QoS）、拓展承载业务、增强工程适应性（验证波导管、漏缆等其他传输介质）等方面不断加强，期待EUHT技术持续保持技术先进性、环境适应性。