基于EUHT的城市轨道交通综合业务承载简析

2022-07-25邸士萍

铁路通信信号工程技术 2022年7期

邸士萍，雷俊

（1．中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100166；2．新岸线（北京）科技集团有限公司，北京 100085）

随着城市轨道交通智慧化、信息化发展，需要通过车地无线通信系统承载的业务也越来越多，例如列车运行控制（CBTC）、集群调度、列车中心广播、列车乘客信息系统（PIS）紧急文本、列车PIS视频、车厢视频实时回传（VMS）、列车乘客紧急对讲、列车运行状态监测（TCMS）等数据业务以及集群通信业务。目前大多既有线路均采用无线局域网（WLAN）、地面数字视频广播（DVB-T）、集群通信（TETRA）、LTE-M 等技术，独立建设多张网络实现各类业务承载。在可用频率资源受限的情况下，迫切需要一种无线通信技术，可以满足多项现有业务和未来拓展业务（智能运维、乘客上网、定位导航等）的综合承载，有效降低建设成本，提高网络效率。

首先分析城市轨道交通综合业务承载的需求，从技术角度论述EUHT 如何满足这些需求，最后通过首都机场线实际工程应用效果，验证EUHT 可以实现城市轨道交通综合业务承载。

1 城市轨道交通综合业务承载需求分析

1.1 适应列车高速移动需求

国内已开通运营及在建的城市轨道交通线路设计速度80 ～200 km/h 不等，近几年郊区线、城际线还有进一步提升的需求。车地无线通信系统需适应列车高速移动的需求，提供在高速情况下稳定可靠的系统性能。

1.2 各类业务承载需求多样化

城市轨道交通车地无线业务多种多样，每类业务因使用性质的不同也呈现出多样化的需求。根据相关标准规范，目前在用的各类业务对车地无线系统性能要求如表1 所示。

从表1 可见，列车控制业务、集群调度业务、PIS 紧急文本参与控车，关乎运营及乘客安全，强调系统的可靠性和低时延。其中，列车控制业务还要求无线传输系统采用双网冗余，且两个网分别采用不同的频率，实现双频冗余覆盖，以满足系统可靠性的要求，克服单网无线干扰的影响。列车中心广播、列车PIS 视频业务、CCTV 视频监控业务、列车乘客紧急对话业务以及列车运行状态监测业务等与列车行车安全无关，但依然需要有工业级的可靠性和低时延性能；而PIS 视频、车厢视频业务对系统传输带宽的要求又比较高。

表1 城轨车地无线业务性能指标要求Tab.1 Requirements of performance indices of train-trackside wireless services of urban rail transit

这些业务中有的是上行业务，如车厢视频传输、列车运行状态监测；有的是下行业务，如列车中心广播、PIS 视频和紧急文本；有的上、下行兼有，如列车运行控制和集群语音通信。不同的线路承载的业务不尽相同，为了有效利用系统资源，要求车地无线系统应能根据承载的业务进行灵活的时隙配比。

1.3 业务优先级要求

多种业务综合承载情况下，不可避免地会出现系统资源不足的情况，这时要求系统能够根据业务的重要程度，优先满足高优先级的业务需求，例如列车运行控制业务、集群通信业务等，不影响列车正常运行。车地无线通信系统应能识别、处理8 类以上的业务优先级。

2 EUHT技术及综合业务承载可行性分析

EUHT 是一种专为行业应用设计的创新无线通信技术，系统灵活高效，支持超高移动速度，满足超高可靠、超低延时及大带宽车地无线通信需求，也可以提供多业务优先级，可以适配城市轨道交通多业务综合承载的需求。

2.1 EUHT技术概述

EUHT 系统的参数配置灵活高效，可以在超高移动速度下实现超高可靠、超低延时的无线传输，因此非常适合实现车地无线通信。

EUHT 系统主要参数如表2 所示，系统可以工作在6 GHz 以下的所有频段，包括授权频段和非授权频段。系统支持5 ～100 MHz 的多种工作带宽，与不同的多天线配置以及编码调制方式相结合，EUHT 系统可以提供2 Mbit/s ～2 Gbit/s 的有效吞吐。

表 2 EUHT系统主要参数Tab.2 Main parameters of EUHT system

除系统参数配置外，EUHT 系统的灵活性还体现在其物理帧结构中。

如图 1 所示，EUHT 设计了一种自包含的、高度灵活的物理帧结构，由前导、控制信道、业务信道组成。

图1 EUHT的物理帧结构Fig.1 Structure of EUHT physical frame

前导部分包含在时域多次重复的短前导，用于进行快速的时域和频域粗同步。短前导之后是在时域重复两次的长前导，用于对符号和频偏进行更加精确的估计，以及对无线信道进行估计。在控制信道部分，系统信息信道（SICH）中包含帧长、上行/下行业务传输信道分别占用的OFDM 符号数目等信息，控制信道（CCH）则对多个用户在业务信道中所占时频资源、使用的空间流数目以及采用的调制编码方式（MCS）等信息进行指示。

因此，EUHT 系统可与应用场景的要求进行灵活适配。例如在静止或者慢速移动场景下，可以使用较长的物理帧以便提高效率，在高速移动场景下，可以使用较短的物理帧来更快速地跟踪信道变化。另外根据具体业务的不同，也可以OFDM 符号为单位对上/下行传输资源占比进行调整。在高清视频回传等以上行为主的应用场景中，EUHT 可以把所有时频资源都分配给上行传输；反之，也可以在数据高速下载等应用场景中，为下行传输分配更多地空口资源。

2.2 EUHT满足200 km/h以上列车运行要求

2.2.1 多普勒频移的克服

列车高速移动会带来两个问题：较大的多普勒频偏和无线信道的快速变化。

多普勒频偏的取值与移动速度、载波频率成正比。在OFDM 系统中，真正对性能有影响的是用子载波间隔归一化后的多普勒频偏，归一化多普勒频偏越大，系统性能越差，一般认为归一化多普勒频偏需要小于0.1。EUHT 系统的子载波间隔是78.125 kHz，即便考虑最恶劣的情况：使用6 GHz 作为工作频段，200 km/h 的移动速度会带来3.3 kHz 的多普勒频偏，相应的归一化多普勒频偏为0.04，远小于0.1，因此EUHT 可以有效抵抗高速移动带来的多普勒频偏。

2.2.2 自适应导频周期调整信道估计

除多普勒频偏之外，高速移动还会带来无线信道的快速变化，信道的变化程度可以用相干时间来衡量，相干时间约为多普勒频偏的倒数，可以认为在相干时间内信道的变化比较小。考虑最恶劣的情况，使用6 GHz 频段，在600 km/h 情况下相干时间约为150 μs。

为解决信道快速变化的问题，EUHT 设计了灵活的自适应导频结构，在物理帧中可以周期性插入专用导频符号进行信道估计和跟踪，导频周期可以通过自适应调整，使两个导频之间的间隔要小于相干时间。举例来说，EUHT 中OFDM 符号长度为14.4 μs，即每隔10 个OFDM 符号插入1 个导频符号就可以估计600 km/h 的无线信道变化，且带来的导频开销小于10%。另外，使用信道参数化预测后，可以根据过去和当前的信道估计来预测未来的信道变化，从而进一步降低导频开销和处理延时。

2.2.3 350 km/h工程验证

在京津城际高铁的EUHT 实际布网和列车改造完成后，进行系统性能指标及业务承载的相关测试。

系统性能测试表明，在300 km/h 移动速度下，EUHT 系统采用80 MHz 工作频宽组网时上行最小吞吐量34 Mbit/s，平均吞吐量48 Mbit/s，下行最小吞吐量29 Mbit/s，平均吞吐量95 Mbit/s；上、下行切换成功率均为100%；上、下行丢包率分别为0.31%和0.41%；端到端数据传输时延小于150 ms 的概率为99.37%。满足表1 各类业务性能指标的要求。

CCTV 和PIS 业务实际承载测试表明：EUHT系统在300 km/h 列车移动速度下，可同时承载12路且每路2 Mbit/s 速率的CCTV 业务（无缓存）和2 路且每路8 Mbit/s 速率的PIS 视频业务（缓存为15 s），视频流畅无卡顿。

2.3 高可靠、低时延技术实现

EUHT 的主要技术特点之一是对超高可靠、超低时延通信（URLLC）的支持。URLLC 作为IMT-2020(5G)提出的三大应用场景之一，是使用无线通信技术实现智能交通、工业互联的重要支撑。

EUHT 系统设计从提高信道估计性能、高可靠的纠错编码机制、提高分集度等角度来满足高可靠的传输需求；支持超高移动性能的自适应多维动态导频设计到信道估计算法，能有效地提升系统的接收性能；EUHT 系统采用自主设计的LDPC 编码，误码率达到10-8，远低于其他系统。EUHT 通过设计多种码块长度来适配不同的业务类型，还针对MIMO 多天线系统设计采用比特级别的流映射方案，该方案将信息比特映射到不同码字和空间流中，充分获取频率和空间分集，从而提高系统的可靠性。

EUHT 通过高度灵活的自包含帧结构实现了帧内符号级的调度控制、帧内快速反馈和确认，结合流水线式发射接收信号处理等多项技术，使空口时延控制在1 ms 以下，实现了超低的系统延迟以及低时延抖动。通过与快速调度算法、快速链路自适应机制和快速重传机制结合，也进一步提高了系统的可靠性。

2.4 QoS业务分级

EUHT 系统采用超低开销的MAC 层设计，降低数据传输延迟的同时提高了系统效率。基于服务质量（QoS）的优先级自适应资源分配，也进一步增强了高优先级业务的低延迟和抖动特性。

EUHT 还通过物理层与MAC 层的跨层设计，使用统一的空口技术传输不同QoS 的多种业务。EUHT 系统在 MAC 层定义了8 种具有不同优先级的业务类型，每种业务都有各自对速率、丢包率、延迟等指标的要求。对应地，EUHT 系统中可以生成多个业务流，每个业务流可指定不同的业务类型，系统将为每个业务流分配独立的资源。EUHT 定义了MAC 的适配子层来对上层业务的QoS 信息进行提取，EUHT 基站将根据业务需求、物理层反馈的无线链路质量等信息，为这些业务动态分配传输资源。

EUHT 中定义的8 种业务类型从资源分配方式上可归为预留资源和非预留资源两大类。其中预留资源类业务无需用户单独申请资源，系统根据业务的速率和延迟需求周期性给对应业务分配资源，而且需要保证业务的丢包率和延迟需求。对于非预留资源类业务，系统会综合考虑该业务的优先级，申请的资源数量，当前信道状况，该业务当前的延迟时间，该业务最低保证速率以及该业务的能够容忍的最大延迟时间等因素来分配资源。

3 北京首都机场线综合业务承载系统

3.1 线路概况及工程实施目标

首都机场线全长28.1 km，线路呈“Y”型，涵盖路基、高架、隧道、车辆段开阔区域及高架段试车线等不同应用场景，列车运行速度100 km/h，改造目标为实现列车运行控制（CBTC）、PIS 紧急文本及视频、VMS、列车中心广播、乘客紧急对讲、列车运行状态监测，航班信息实时传输业务的综合承载。

3.2 方案设计

3.2.1 工作频率选取

首都机场线采用1.8 GHz 和5.8 GHz 两个频段建设双频网络。采用1 785 ～1 795 MHz 地铁专用授权频段建设A 网，系统工作频宽10 MHz，主要承载CBTC 业务；采用5 725 ～5 850 MHz开放频段建设B 网，系统工作频宽80 MHz，用于实现全部业务的综合承载，包括CBTC 业务、PIS紧急文本及视频、VMS、列车中心广播、乘客紧急对讲及航班信息实时传输。此方案是国内首次在轨道交通领域实现无线通信频率授权频段和开放频段综合运用，为地铁无线通信系统探索了一条新路径，实现频率资源的高效利用。

3.2.2 QoS分级设计

根据相关标准，首都机场线EUHT 系统承载的业务按优先级从高到低依次为：

1）CBTC 业务；2）列车中心广播、乘客紧急对讲；3）PIS 紧急文本、TCMS；4）VMS；5）PIS视频；6）航班信息实时传输业务；7）其他业务。

对于高优先级的CBTC 业务，EUHT 系统在提取其业务特征后，使用预留资源的调度策略为其分配无线传输资源，并为该类业务生成最高优先级的业务流。

对于处于次高优先级的列车中心广播、乘客紧急对讲、PIS 紧急文本、TCMS 业务，可以分别建立较高优先级的业务流进行传输，根据不同业务所需的带宽、误码率和时延需求定制上、下行资源，实现业务的优先调度。

对于较低优先级的VMS 和PIS 视频业务，也采用预留资源的调度策略来保障业务带宽，但这类业务将映射到中等优先级的业务流。

对于航班信息传输及乘客上网等其他业务，则采用非预留资源的调度策略，利用MAC 适配子层使该类业务流占用非预留资源通道，并映射到优先级最低的业务流。

当空口带宽不能满足所有业务的传送要求时，EUHT 系统优先保证高级别业务高可靠低时延地成功传送，满足业务应用要求。

3.2.3 应用效果

系统投入载客试运营阶段以来，EUHT 承载CBTC 业务效果良好，无EUHT 系统车地无线通信中断造成的紧急制动，双网最大丢包率为0.012%；传输时延不超过150 ms，概率均≥99.99%，满足指标要求。天竺和小营中心均能实现中心广播各项业务下发至列车，车载设备接收播放正常。车载单列车12 路VMS 视频均能通过EUHT 车载网络实时传输，完成OCC 大屏播放。车载乘客对讲能流畅拨通天竺和小营中心实现语音通话，摄像头能捕捉乘客图像实时同步清晰播放。首都机场实时航班信息完成接入，在车载显示屏实时播放。乘客信息系统能实现中心电视直播在列车上流畅播放，紧急文本清晰显示。

系统开通以来经历了强降雨、强降雪的勘验，EUHT 系统运行稳定，CBTC 等业务均未受到影响。