EUHT 技術(shù)在輕軌 PIS 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

余昕芳

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

0 引言

車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)作為乘客信息系統(tǒng)（PIS）有線網(wǎng)絡(luò)信息傳送的延伸，提供地面與列車間信息的雙向傳輸，保證對(duì)運(yùn)行過程中列車車廂內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障車輛火災(zāi)報(bào)警信息的回傳，同時(shí)為車廂內(nèi)的乘客提供直播視頻信息等。

1 輕軌PIS車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的建設(shè)需求

1.1 輕軌的特點(diǎn)

輕軌是城市軌道交通的一種重要形式，一般由城市向郊區(qū)行駛，帶動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)及人口的發(fā)展。目前在建的輕軌多為全高架橋線路，早期或一些線路條件較差的輕軌為全地面線路或地面線路與高架橋、隧道穿插運(yùn)行。輕軌一般線路較長(zhǎng)，站間距較大，這就使列車在線路區(qū)間的最高設(shè)計(jì)速度可達(dá)到?120??km/h?及以上。

1.2 PIS車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的基本業(yè)務(wù)需求

PIS?車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)需要提供穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的車載?PIS?數(shù)據(jù)下發(fā)（下行）、車載視頻監(jiān)控圖像回傳（上行）、車輛狀態(tài)信息（上行）的業(yè)務(wù)承載。按照業(yè)務(wù)需求，車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)至少要承載?1?路?PIS?和?2路高清電視監(jiān)視圖像（CCTV）。

1.2.1 PIS視頻數(shù)據(jù)下發(fā)

（1）業(yè)務(wù)?1：列車運(yùn)營(yíng)期間直播視頻下發(fā)。PIS?系統(tǒng)需將控制中心下發(fā)的播放節(jié)目，如新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告等便民信息通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅熊?，并在車廂?PIS?顯示屏上實(shí)時(shí)顯示?？刂浦行?PIS?設(shè)備通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)高清視頻傳到車載?PIS?系統(tǒng)，帶寬需求為?4??Mb/s。

（2）業(yè)務(wù)?2：車輛段下發(fā)視頻數(shù)據(jù)。列車在車輛段內(nèi)時(shí)，車載播控器需及時(shí)更新本地預(yù)存的視頻等數(shù)據(jù)，用于直播內(nèi)容源異常、通信網(wǎng)絡(luò)故障等降級(jí)模式的錄制視頻播放。在車場(chǎng)內(nèi)?PIS?系統(tǒng)根據(jù)無線資源使用現(xiàn)狀，將錄制視頻等內(nèi)容數(shù)據(jù)推送給列車車載播控器。

1.2.2 車載CCTV監(jiān)控圖像回傳

車載?CCTV?視頻監(jiān)控圖像回傳是車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)最大的上行傳輸業(yè)務(wù)需求，用于實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)車廂內(nèi)狀況的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。全線將實(shí)現(xiàn)至少?2?路高清視頻（按照每路?4??Mbps?帶寬考慮）車輛監(jiān)控圖像信息實(shí)時(shí)上傳至控制中心的功能。

1.2.3 車輛火災(zāi)報(bào)警信息回傳

列車上設(shè)置的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通過?PIS?車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，將列車上發(fā)生火災(zāi)的部位信息發(fā)送給控制中心消防控制室（按照?1??Mbps?帶寬考慮）。

經(jīng)上述分析，再加上?25%?的冗余計(jì)算，上行帶寬至少為?10??Mbps，下行帶寬至少為?5??Mbps。

2 PIS 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的方案比選

2.1 PIS 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)技術(shù)概述

目前，車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)方案主要有基于?IEEE?802.11?標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)、基于?IEEE?802.16?標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)、基于長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）設(shè)備的方案及?RAILVIEW?車地?zé)o線通信技術(shù)。

2.1.1 方案?1：基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）

基于?IEEE?802.11?標(biāo)準(zhǔn)的無線通信系統(tǒng)為各類用戶提供高速的無線接入能力，以滿足用戶對(duì)語(yǔ)音、圖像通信的需求，已得到廣泛使用。該技術(shù)主要由無線交換機(jī)、無線接入點(diǎn)（AP）和車載天線等設(shè)備構(gòu)成。

2.1.2 方案2：基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)（WiMAX）

WiMAX?是一種可用于城際網(wǎng)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線寬帶接入技術(shù)，是針對(duì)微波和毫米波段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX?可實(shí)現(xiàn)最大峰值傳輸速度?70??Mbps，覆蓋范圍達(dá)?50??km，但由于該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未通過無線電委員會(huì)認(rèn)證，且技術(shù)不夠成熟、缺乏實(shí)際應(yīng)用，故不予推薦。

2.1.3 方案3：基于LTE設(shè)備的方案

LTE?是?3G?的演進(jìn)，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。?LTE?基于?1.8??GHz?的頻段，能在?20??MHz?頻譜帶寬條件下提供下行?100??Mbps、上行?50??Mbps?的峰值速率，支持?100??km?半徑的小區(qū)覆蓋，能夠?yàn)?350??km/h?高速移動(dòng)用戶提供大于?100??kbps?的接入服務(wù)?；?LTE?設(shè)備方案的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)由核心網(wǎng)設(shè)備、基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）組成。

2.1.4 方案4：RAILVIEW車地?zé)o線通信技術(shù)

RAILVIEW?是根據(jù)軌道交通特點(diǎn)和?PIS?系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸專門研發(fā)的一種基于地面無線（DVB-T）的無線寬帶傳輸技術(shù)。RAILVIEW?采用?COFDM?編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)和分集接收技術(shù)，具有帶寬大（每?1??MHZ?頻率能提供?2??Mbps?的數(shù)據(jù)傳輸帶寬）、覆蓋距離廣（單?AP?覆蓋半徑達(dá)到?1??km）的特點(diǎn)。

2.2 比選結(jié)果

2.2.1 高速移動(dòng)狀態(tài)下車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性

輕軌線路區(qū)間車輛最高速度達(dá)到?120??km/h?及以上，在高速移動(dòng)狀態(tài)下為避免?WLAN?數(shù)據(jù)傳輸帶寬的急速下降，需在沿線安裝大量的?AP?及附屬設(shè)備。這使得列車在運(yùn)行過程中越區(qū)切換頻繁，不僅浪費(fèi)帶寬，還導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁的數(shù)據(jù)丟包，影響數(shù)據(jù)傳輸效果及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LTE?專門針對(duì)移動(dòng)通信開發(fā)，是支持列車在更高速度運(yùn)行情況下獲得更好的上、下行傳輸帶寬的車地?zé)o線通信技術(shù)。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)維修的便捷性

由于輕軌多為地面線路、全高架橋線路或地面線路與高架橋、隧道穿插運(yùn)行，無論設(shè)備安裝在地面還是高架橋，因設(shè)備設(shè)置較多，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工及后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)，如表1?所示。

表1 覆蓋半徑及設(shè)備數(shù)量比選表

2.2.3 頻點(diǎn)申請(qǐng)的可行性及帶寬的可用性

由于頻率資源較為珍貴，需根據(jù)各車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的使用頻段及要求向當(dāng)?shù)責(zé)o線電委員會(huì)報(bào)備審批頻點(diǎn)。從避免干擾的角度考慮，以地上信號(hào)覆蓋為主的輕軌項(xiàng)目頻段批復(fù)尤為困難，即使批復(fù)頻點(diǎn)，其帶寬資源也較為受限。因此，除?WLAN?技術(shù)外的其他技術(shù)能否使用，需等待其頻點(diǎn)及帶寬批復(fù)后才可進(jìn)行下一步工作，如表2?所示。

綜上所述，基于802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)（WLAN）不適合高速移動(dòng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸；RAILVIEW?車地?zé)o線通信技術(shù)實(shí)際應(yīng)用案例較少，其與LTE?技術(shù)使用的頻點(diǎn)及帶寬需申報(bào)當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理委員會(huì)批準(zhǔn)?；谝陨媳冗x分析，本文提出使用一種新技術(shù)系統(tǒng)——基于超高速無線通信（EUHT）技術(shù)的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)。

3 基于EUHT技術(shù)的PIS車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)

3.1 EUHT技術(shù)概述

EUHT?是結(jié)合未來移動(dòng)通信系統(tǒng)高可靠、低時(shí)延、高移動(dòng)性等需求設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)。EUHT?在設(shè)計(jì)之初就考慮到應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、靈活、高效，具有高吞吐、高可靠性、高速移動(dòng)性、低延時(shí)、低成本和低功耗等特點(diǎn)。

EUHT?的工作頻段在?5～6??GHz，可在?300??km/h（已經(jīng)測(cè)試）以上列車運(yùn)行速度下工作，高速移動(dòng)下的切換成功率超過?99.99%，基站間切換時(shí)間少于?50??ms，空口時(shí)延低于?1??ms，端到端雙向延遲低于?10??ms。單網(wǎng)覆蓋的基站平均間距?1??km，設(shè)備數(shù)量較少，維護(hù)工作量較低。每列車的無線傳輸帶寬平均吞吐大于?150??Mbps，在滿足車廂視頻回傳、PIS?視頻數(shù)據(jù)下發(fā)、車輛火災(zāi)報(bào)警信息回傳業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，還為乘客預(yù)留上網(wǎng)條件。

3.2 基于EUHT技術(shù)的PIS車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)分析

如圖?1?所示，在控制中心設(shè)置?EUHT?中心設(shè)備，包括?ECC（EUHT?控制中心）、EDC（EUHT?數(shù)據(jù)中心）和中心?EDU（EUHT?交換機(jī)）。ECC?接收來自網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)信息，對(duì)全線所有設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控；接收來自中心終端的查詢命令，顯示線路上的狀態(tài)，可對(duì)全線所有設(shè)備進(jìn)行診斷、維護(hù)和升級(jí)。EDC?負(fù)責(zé)承載業(yè)務(wù)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析及衍生業(yè)務(wù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、應(yīng)用服務(wù)等，與?EUHT?系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的地面設(shè)備EDU?連接。中心?EDU?匯聚各車站?EDU?的數(shù)據(jù)信息。

圖1 EUHT技術(shù)在輕軌PIS車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)圖

區(qū)間?EBU（EUHT?基站單元）通過區(qū)間光纜連接至車站及車輛段的?EDU，各節(jié)點(diǎn)?EDU?連接至控制中心的中心?EDU，構(gòu)成?EUHT?有線網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的傳輸。

EUHT?無線網(wǎng)絡(luò)由區(qū)間?EBU?和?EAT（EUHT?天線單元）組成，每個(gè)?EBU?通過?2?芯光纖與?EDU?以星型方式連接，EBU?和?EAT?實(shí)現(xiàn)線路的無線覆蓋，完成車地之間雙向數(shù)據(jù)流的無線傳輸。

3.3 應(yīng)用測(cè)試情況

2017?年初，EUHT?技術(shù)在京津城際鐵路完成CCTV及?PIS?系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載需求的測(cè)試，在?300??km/h?速度下實(shí)現(xiàn)了?12?路高清視頻及旅客?WIFI?業(yè)務(wù)的傳送。同年底，廣州地鐵?14?號(hào)線?PIS?車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)采用?EUHT?技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)全車?30?路高清視頻的監(jiān)控傳送。

表2 使用頻段及帶寬分析表

4 結(jié)束語(yǔ)

EUHT?技術(shù)的出現(xiàn)不僅給輕軌及高速鐵路的無線傳輸系統(tǒng)帶來了新的生機(jī)，也為新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)的建設(shè)做好準(zhǔn)備。隨著?EUHT?技術(shù)的推廣，該技術(shù)勢(shì)必將在輕軌?PIS?車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)及高速鐵路無線通信網(wǎng)中得到成功應(yīng)用。輕軌PIS車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)將向著組網(wǎng)更加靈活、信息傳送更加高效、業(yè)務(wù)生成更加多樣的方向發(fā)展。

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