近几年，TD-LTE，LTE-U，LTE-M 等 4G 主流技术得到了广泛应用，为城市轨道交通工程安全运营做出了重要贡献，各地也积累了很多经验，并在此基础上开始思考向 5G 技术平滑过渡方案，我们在“TD-LTE专题”中选登了来自《都市快轨交通》的 5 篇相关论文供读者参考，期望无线传输新技术在轨道交通中发挥更大的作用。
LTE在轨道交通中的应用专题
朱云冲
广州地铁设计研究院有限公司
1 超高速无线通信系统（EUHT）
超高速移动通信系统（enhanced ultra-high throu-ghput，EUHT）是我国自主研发的全球首个能够解决“移动宽带一体化”的通信技术系统，具备完全自主知识产权的核心芯片和整套技术应用标准。相比于目前第四代无线通信技术（4G LTE）和美国电气与电子工程师协会（IEEE）主导的下一代 Wi-Fi 技术（802.11ac），EUHT技术具有更好的高速移动适应性、更大的数据传输带宽、更低的空口接入时延和更稳定的网络漫游切换性能，成为当前全球唯一能在铁路高速（250～360 km/h）移动环境下方便可靠的互联网宽带通信技术。
EUHT 拥有超高速无线局域网等两项中国通信行业标准（YD/T 2394.2—2012）。其中《合作式智能运输系统专用短程通信第 1 部分与第 2 部分》已正式颁布成为国家标准。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（CJ/T 500—2016）。使 EUHT 能够广泛应用于智慧城市、物联网、车联网、智能交通、军事等领域。
2 知识城支线概况
知识城支线（新和—镇龙）线路总长 21.9 km，地下线长 19.9 km，地上线长 2.0 km；高架区间线路起点（YDK41+381）至洞口（YDK43+024）距离为1.643 km。隧道区间起点（YDK43+024）至线路终点（YDK63+302）长 20.278 km。列车最高运行速度120 km/h；供电电压为 DC 1 500 V；采用 6 辆 B 型车编组；车站长度 120 m（见图 1）。
3 系统架构
知识城支线EUHT系统用于构建乘客信息系统车地无线网络，包括上、下行两个方向的数据流。下行方向的数据信息包括 OCC 控制中心下发至各列车的数字图像资讯信息、列车的紧急疏散信息及列车的预告信息等；上行方向的数据信息包括列车车厢内的视频监视图像信息及列车运行状态监测信息等。EUHT系统主要由 EUHT 中心、有线网络、无线网络和车载网络 4 个部分构成（见图 2）。
EUHT 中心由 EDC、ECC 和 EDU 设备构成。EDC设备实现数据和业务管理，通过接口 EDU 与 PIDS 分线交换机相连接，进行双向数据传输。ECC 接收来自网内各设备的状态信息，对全线所有设备进行状态监控，根据网管终端的查询和操作命令，显示线路上的设备状态，对全线网络设备进行诊断、维护和升级。ECC 与中心 EDU 之间的物理接口采用标准千兆以太网接口，接口协议采用基于 IP 的寻址和传输协议，传输内容包括设备（EAU、EBU、EDU）的位置数据、状态数据、软件版本数据、日志数据、设备状态查询命令、设备通信参数配置命令、设备系统配置命令、设备的固件和软件更新数据。
有线网络由主干网络和区间网络构成。主干网络由各车站（场）EDU 通过光纤与中心 EDU 组成星形联接构成，区间网络由车站 EDU 与所属 EBU 之间组成星形联接构成。有线网络实现所在区域无线系统的接入、传输、管理、认证和控制等功能。
无线网络由区间 EBU 和 EAT 组成，实现线路范围内 EUHT 无线信号覆盖，完成车地之间双向数据流传输功能。每个 EBU 通过 2 芯光纤与车站 EDU 组成星形区间网络，相邻 EBU 之间通过单芯光纤组成链式同步网络。
车载设备包括 EAU、EAT 及 ESU。EAU 为无线接入单元，与无线单元 EAT 及车载服务单元 ESU 相连，实现无线信号与数据信号的接收及转换。车头车尾两端 ESU 与 PIDS 车载交换机相连接入车载网络（见图 3）。
4 频点使用
知识城支线 EUHT 系统在覆盖范围内使用 5 725～5 850 MHz 频段，使用 149、153、157、161、165 信道用于车-地 EUHT 无线通信。在停车场、出入段线根据场地环境增加使用 5 150～5 350 MHz 频段组网（见图 4）。
5 技术要求
满足列车最高车速为 120 km/h 下的切换，切换时间应少于 30 ms；丢包率应控制在 1%以下；单列车双向传输的有效带宽不低于 150 Mb/s（列车 120 km/h 行驶速度下）；端到端时延不大于 20 ms；切换成功率不低于 99.99%；具备断点续传功能；每个基站的覆盖范围应有重叠区，在个别基站和其他设备出现故障时，系统应能正常工作。
6 EBU 布点
6.1 链路计算模型
5 GHz 无线通信设备高架或路基环境路径损耗可以按照 COST231-hata 模型（乡村）和 WINNER 模型（乡村 NLOS）的平均值进行理论计算，即：L = 30.16 lg（d[km]）+122.255（dB）。隧道环境直线段的路径损耗可以参考如下经验公式计算：
L = 37.5 lg（d[km]）+ 86.625（dB）
6.2 链路计算
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=33–（–76）+13+6–9–3–3=113 dB
通过链路计算模型得出EBU布点控制在500 m左右可以达到系统覆盖电平要求。链路预算如表 1 所示。
6.3 EBU 布点原则
根据链路模型计算和实测数据，EBU 布点原则如下：
高架上直道覆盖距离 400 m，最大 450 m；
隧道内直道覆盖距离 450 m，最大 500 m；
隧道、高架遇到站台，覆盖距离修正值为：减少50 m；
隧道内曲率半径R≥500 m时，覆盖距离减少100 m；
隧道内曲率半径R<500 m时，覆盖距离减少200 m；
在过渡区段覆盖半径适当减小 50 m。
7 切换机制
在车头、车尾司机室天线舱内分别安装一套车载天线和 EAU 设备。车头天线接收前方的 EBU 信号，车尾天线接收后方的 EBU 信号。在正常工作时，车头EAU 连接行车前方的 EBU，车尾 EAU 连接行车后方的 EBU。列车在行进过程中，车头和车尾的 EAU 在EBU 基站附近完成小区间切换（见图 5）。
车头、车尾的 EAU 不会同时处于信号覆盖的弱场区，车头、车尾的 EAU 可以协同工作，保障列车数据传输的带宽需求。为了使车站停靠的列车 EAU不处于切换区，EBU 设置在区间。
8 EBU 网络同步
EUHT 为时分系统，需要严格的时钟同步。EBU设备内置时钟同步模块，通过接收 ETU 发送的信号实现时钟同步功能，具体原理如下：
ETU 将 GPS 信号转换为光同步信号，通过光端口传输至相连的 EBU，EBU 接收到光同步信号后，获得同步时钟，并将同步信号再次转化为光同步信号传输至下一相邻 EBU。通过 EBU 设备的级联实现 EBU 设备时钟同步，连接方式如图 6 所示。
9 设施安装情况
知识城支线 EUHT 系统，在镇龙 OCC 设置 EUHT中心设备 1 套；在各车站设置车站设备 11 套，在线路区间设置EUHT无线基站设备127套，其中正线109套，联络线及折返段 8 套，停车场 10 套。正线平均基站间距 400～500 m。在 8 列运营列车上配置车载终端，头部、尾部各一套。地面网络冗余覆盖，车载终端冗余备份，提升了系统的可靠性。EUHT 设备安装见图 7。
10 业务承载测试及成果
10.1 业务承载测试
以编播中心大屏视频效果为参考，综合调试 PIDS下行信息、上行视频实时回传业务。业务测试分为2 部分内容：
1
PIS 视频测试。在中心分别播放组播和单播的视频流数据，在车厢的 LCD 屏幕观看视频效果。
2
CCTV 业务测试。分别调取前 3 个车厢的视频，后 3 个车厢视频，整车视频的 CCTV 数据。在分别调看 3 列车，每列车 10 个摄像头的监控视频，在地面编播室大屏观察视频效果。
在业务测试中发现视频有卡顿的点或段，通过网管实时观测列车位置及入网基站，通过实时调取 log 信息，以及编播室大屏观察列车卡顿点，与无线调试人员共同调整系统参数，进行网络优化，保证视频流畅。
10.2 测试结果
在列车 120 km/h 行驶速度下，实现了 PIS 信息实时下传、单列车 30 路高清视频监控信息实时上传业务，测试结果如下（见图 8）：
1
单列车静态带宽可达 400 Mb/s。
2
列车动态情况下（时速 80～115 km）平均上传吞吐率约为 200 Mb/s，下载吞吐率约 100Mb/s，合计约 300 Mb/s。
3
实现单列车全车 30 路 1080p 高清视频全程无卡顿实时监控。
4
实现按全线 6 列运行车辆共 96 路 1080p 视频图像实时传输（见图 9）
11 结语
广州地铁知识城支线已于 2017 年 12 月 28 号开通，EUHT 系统已通过测试和验收，实现全球首次全车30 路 1080p 高清视频监控上传，双向实时动态带宽达到 300 Mb/s。目前国内地铁建设已陆续开展 160 km/h以上的高速轨道交通项目（广州地铁 18、22 号线），EUHT系统可为120 km/h以上的地铁车地宽带无线移动网络提供重要的选型参考。
为了进一步推广EUHT技术和设备在城市轨道交通领域高效便捷的部署和应用，应完善 EUHT 设备和工程相关的标准和规范（综合承载信息分类与要求规范、设备编码规范、系统设备测试规范），拓展业务承载能力（如承载 CBTC、支持集群调度通信），持续改进技术能力，保持技术领先性。
（文章内容来源《都市快轨交通》2018年第5期）
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