基于EUHT技术的首都机场线车地通信综合承载方案研究

葛淑云，谢衡元，李晓喻，梅子然，申钰蓉

(中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100166)

1 概述

随着无线宽带技术的普及和支撑城市轨道交通安全运营生产的车地业务不断增加，现有基于2.4 G WLAN技术和LTE-M的通信技术面临着干扰或大带宽的挑战。

2019年7月19日至9月25日，EUHT系统通过了泰尔实验室、中国计量科学研究院实验室等第三方机构测试，并于2019年9月7日至11日，由中国铁道科学院实验室在地铁15号线马泉营—孙河上行区段（3.3 km）开展了现场测试。测试报告表明，EUHT系统满足经专家评审的测试大纲中相关指标要求；通过EUHT 1.8 GHz+5.8 GHz双频网络可以实现基于通信的列车自动控制系统（以下简称CBTC）、30路车载视频监视系统（以下简称VMS）、1路乘客信息系统（以下简称PIS）视频及列车中心广播和乘客紧急对讲业务的综合承载。

2019年10月，北京地铁将首都机场线作为EUHT系统综合承载研发试验线，开展相关建设工作，利用EUHT系统承载城市轨道交通CBTC、PIS、VMS、PA等生产系统的车地业务信息。

2 承载业务及其优先级

基于EUHT技术的城市轨道交通车地通信综合承载平台，需在列车运行状态下满足实时、宽带、稳定、具有服务质量（QoS）保障的生产业务需求。利用EUHT具有不同QoS等级的优点，将轨道交通生产业务的优先级进行划分。

首都机场线生产业务主要有CBTC业务信息、PIS业务信息（含电视直播、航班信息发布、紧急文本下发）、车载VMS监控图像信息、中心广播业务信息及乘客紧急对讲信息。信号CBTC业务信息通过红、蓝网承载，其他综合业务信息由蓝网独立承载。

单列车的生产业务带宽需求和业务优先级要求如表1所示。

表1 生产业务带宽需求Tab.1 Bandwidth requirements of production business

无线接入网容量按单小区同时2列车设计。蓝网每小区业务带宽需求为上行56 Mbit/s，下行20 Mbit/s。机场线改造列车暂不提供单独的车辆状态信息到地面，预留厂修后列车的车辆状态信息通道需求。

3 EUHT系统技术方案

3.1 频率选择

首都机场线EUHT车地无线系统由红网和蓝网两张互相独立的网络构成，EUHT红网采用1.8 GHz+5.8 GHz组网方式，承载信号CBTC业务。首都机场线正线K0+000至K16+220采用1.8 GHz系统，使用1 785～1 795 MHz频段；因机场航站楼附近区域已经使用了1.8 G频段，所以在机场附近（K15+900至车辆段）采用5.8 GHz系统，使用5 725～5 745 MHz（20 MHz）频段。

蓝网全线采用5.8 GHz系统，使用5 770～5 850（80 MHz）频段，综合承载车地业务。

3.2 EUHT系统方案

EUHT车地无线系统由地面和车载网络两部分组成。EUHT系统构成如图1所示。

3.2.1 EUHT地面设备

EUHT地面设备由中心、车站及区间设备组成。

1）EUHT中心设备

在天竺车辆基地通信信号机房内设置红网、蓝网的EUHT中心设备，中心设备包括网管服务器、鉴权加密服务器、监测服务器、中心EDU（中心数据交换机）、接口EDU（接口数据交换机）和防火墙等设备。

2）EUHT车站设备

在东直门站、三元桥站、大山子设备站、T3站、T2站设置2套EDU，其中1台接入红网信号CBTC的EBU（基站设备），1台接入蓝网综合承载的EBU。

在天竺车辆基地分别设置红、蓝网EDU设备，连接正线和车辆基地内红、蓝网EBU。

a.中心与车站的连接

天竺车辆基地中心EDU与车站EDU及车辆基地内EDU的连接方式有以下两种方案。

方案一：星型连接

东直门站、三元桥站、大山子站、T3航站楼、T2航站、天竺车辆基地设备与天竺车辆基地中心设备采用点对点连接方式进行组网。如图2所示。

图1 EUHT系统构成图Fig.1 Diagram for the composition of EUHT system

该方案的特点：网络延迟时间较小，车站与中心直接通信，无需通过车站进行转接；光缆纤芯数需求大，每个EDU需要4芯光纤（2芯主，2芯备），因机场线是Y字型线路，所以干线光缆总需求为12芯；每个车站EDU与中心EDU的带宽，只需考虑单一车站EDU接入能力即可，设置1个GE接口满足车站与中心传输信息的带宽需求。

图2 星型连接示意图Fig.2 Schematic diagram of star connection

方案二：环型连接

东直门站、三元桥站、大山子站、T3航站楼、T2航站楼、天竺车辆基地设备至天竺车辆基地中心设备采用环型连接方式进行组网。如图3所示。

图3 环型连接示意图Fig.3 Schematic diagram of ring connection

该方案的特点：网络延迟时间较大，除车辆段基地的EDU外，其他车站与中心直接通信需通过车站进行转接；光缆纤芯数需求小，每个EDU需要8芯光纤（4芯主，4芯备），干线光缆总需求为8芯；EDU带宽需求较大，需考虑全线车站接入能力才能满足车站与中心传输信息的带宽需求，设置2个GE接口满足车站与中心传输信息的带宽需求。

综上所述，考虑全线车辆的信息传输需求，首都机场线采用方案一：星型连接进行组网。

b.主干光缆敷设方案

从应用需求和红、蓝网隔离方面考虑，EUHT系统主干光缆可采用以下3个方案。

方案一：敷设2根光缆，红、蓝网分别采用独立光缆组网。

沿机场线区间的既有光缆敷设支架或槽道敷设主干光缆，并引入东直门、三元桥、大山子、T2、T3、天竺车辆段通信机房，敷设2根24芯GYTZA-24B1光缆构成主干网，每根光缆约33 km，总共约67 km。

光缆在各车站通过弱电间进入通信机房并全部终端在ODF机柜端子上，通过尾纤分别跳接至车站各网络交换机，为东直门、三元桥、大山子、T2、T3以及天竺车辆段形成星型连接网络提供组网光纤。东直门、三元桥、大山子、T2、T3以及天竺车辆段分别需要设置不少于2条24芯光缆引入终端ODF设备。

方案二：敷设1根光缆，红、蓝网采用同1根光缆组网。

沿机场线区间的既有光缆敷设支架或槽道敷设主干光缆，并引入东直门、三元桥、大山子、T2、T3、天竺车辆段通信机房，敷设1根48芯GYTZA-96B1光缆构成主干网。在东直门、三元桥、大山子、T2、T3以及天竺车辆段分别需要设置不少于1条48芯光缆引入终端ODF设备。

方案三：不敷设光缆，利用既有100G PTN传输网为红、蓝网提供通道。

不再敷设主干光缆，对既有100G PTN传输网扩容GE业务接口板。

方案比选：方案三建设投资比方案一少，但是需要对既有网络进行扩容，而且占用既有传输网的通道资源，不利于未来机场线通信业务发展需求；方案二与方案一建设投资相差不大，但是方案二不能实现信号CBTC业务与地铁综合业务完全物理隔离。考虑到列车运行安全和地铁运营安全，实现CBTC业务与地铁综合业务交换机设备和光缆全物理隔离，同时本着对既有通信设备影响最小进行研发试验的原则，首都机场线采用方案一：敷设2根光缆，红、蓝网分别采用独立光缆组网。

c.车站与基站的连接

车站EDU与区间的EBU基站设备组成星型网络，实现沿线EBU设备的接入及与EUHT中心的连接。

3）EUHT区间设备

区间设备主要由EBU基站、ETU设备（时间同步单元）、EBU基站天馈线、防护箱组成。

EBU基站：红网、蓝网的EBU设备、EBU基站天馈线、防护箱采用同站址设置，即在同一个点位设置1套红网的EBU设备、EBU基站天馈线、防护箱，同时设置1套蓝网的EBU设备、EBU基站天馈线、防护箱。

红网在1.8 GHz和5.8 GHz（20 M）的过渡区段（机场附近K15+900至车辆段区间）的2个站址同时设置1.8 GHz设备和5.8 GHz（20 MHz）设备，保证红网内部网络平滑切换。

首都机场线高架段采用单点单站覆盖，隧道段采用双洞双站覆盖。基站布点需要考虑弯道、坡度的影响，同时考虑地上地下过渡区段，在这些区域覆盖距离应适当减小。全线基站平均站间距约为335 m。

ETU设备：EBU设备内置时钟同步模块，采用ETU时钟设备为EBU设备提供时钟同步信号源。

EBU设备具备1路时钟同步信号输入接口和1路输出接口，区间EBU设备通过串接级联的方式实现时钟同步；ETU设备可提供2路时钟源，每路时钟源可串接不大于25台EBU。首都机场线共设置10台ETU设备。

高架、路基区段的EBU外接GPS天线，在ETU故障时，可通过GPS的PPS信号实现同步。

基站天馈线：基站天线采用高增益定向天线。每台EBU设备在高架区间连接2副设备天线和1副GPS天线，隧道区间连接2副设备天线。高架区段采用立杆安装天线方式覆盖，隧道区段采用隧道壁安装天线方式覆盖。车辆段内采用立杆或者在库外侧墙上安装天线方式覆盖。

防护箱：每台EBU、ETU配置1台防护箱。防护箱包含光缆引入终端及熔纤盘、220 V供电接线端子、防雷模块和空开等设备。

4）EUHT车载设备

在车头设置1.8 G（10M）EAU（车载终端）、5.8 G（20 M）EAU及 5.8 G（80 M）EAU分别与ESU（车载交换机）连接，在车尾设置5.8G（20 M）EAU及5.8 G（80 M）EAU分别与ESU（车载交换机）连接。考虑到信号业务的独立性，在车载设置信号独立使用的蓝网ESU和EAU设备。每列车安装EAU 5套，ESU 4套。

4 测试情况

2020年4月，在首都机场线进行了EUHT系统网络调试，包括地面网络静态调试、车载网络调试；进行了EUHT系统综合承载测试，包括CBTC、PIS、VMS、PA等业务系统的综合承载；进行了EUHT系统无线性能测试，测试EUHT系统承载CBTC业务后，业务通道的丢包率、传输时延及连续最大丢包数，以及机场区域EUHT系统1.8 G、5.8 G网络切换边界性能；进行了两列车混跑（一列车CBTC运行在EUHT系统，一列车CBTC运行在2.4 G WLAN系统）追踪及安全区域测试，验证列车混跑时，列车之间的追踪安全以及安全区域的列车安全情况；进行了多车混跑测试。测试结果如表2所示。

表2 EUHT系统测试结果Tab.2 Test results of EUHT system

试验结果基本满足预期，验证了EUHT在1.8 GHz+5.8 GHz双频通信网络下，实现一张网络对信号CBTC、VMS、PIS、PA等多种业务的综合承载；在保证CBTC业务高可靠传输的同时，能够实现PIS紧急文本下发、电视直播、航班信息显示、中心对列车广播、中心与乘客实时清晰可视对讲、12路视频实时回传等多种业务的综合承载。EUHT系统大容量、低时延的特点能够满足轨道交通业务需求。

5 结束语

2020年5月，按照以上组网方案在首都机场线搭建的EUHT系统，进行了阶段验收，顺利通过了专家评审。首都机场线实现了EUHT综合承载轨道交通生产业务且效果良好，为EUHT在城市轨道交通的示范应用奠定了技术基础，可供轨道交通车地通信系统建设参考。同时，利用EUHT系统“大带宽”的优势，未来可进一步承载更多的车地业务，为乘客带来更好的乘车体验，与5G技术一起引导智慧地铁新发展。