EUHT 技术在轻轨 PIS 车地无线传输系统中的应用研究

余昕芳

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

0 引言

车地无线传输系统作为乘客信息系统（PIS）有线网络信息传送的延伸，提供地面与列车间信息的双向传输，保证对运行过程中列车车厢内的情况进行实时监控，保障车辆火灾报警信息的回传，同时为车厢内的乘客提供直播视频信息等。

1 轻轨PIS车地无线传输系统的建设需求

1.1 轻轨的特点

轻轨是城市轨道交通的一种重要形式，一般由城市向郊区行驶，带动沿线经济及人口的发展。目前在建的轻轨多为全高架桥线路，早期或一些线路条件较差的轻轨为全地面线路或地面线路与高架桥、隧道穿插运行。轻轨一般线路较长，站间距较大，这就使列车在线路区间的最高设计速度可达到 120  km/h 及以上。

1.2 PIS车地无线传输系统的基本业务需求

PIS 车地无线传输系统需要提供稳定、实时的车载 PIS 数据下发（下行）、车载视频监控图像回传（上行）、车辆状态信息（上行）的业务承载。按照业务需求，车地无线传输系统至少要承载 1 路 PIS 和 2路高清电视监视图像（CCTV）。

1.2.1 PIS视频数据下发

（1）业务 1：列车运营期间直播视频下发。PIS 系统需将控制中心下发的播放节目，如新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告等便民信息通过车地无线通信网络传输到列车，并在车厢的 PIS 显示屏上实时显示。控制中心 PIS 设备通过车地无线通信网络将实时高清视频传到车载 PIS 系统，带宽需求为 4  Mb/s。

（2）业务 2：车辆段下发视频数据。列车在车辆段内时，车载播控器需及时更新本地预存的视频等数据，用于直播内容源异常、通信网络故障等降级模式的录制视频播放。在车场内 PIS 系统根据无线资源使用现状，将录制视频等内容数据推送给列车车载播控器。

1.2.2 车载CCTV监控图像回传

车载 CCTV 视频监控图像回传是车地无线通信网络最大的上行传输业务需求，用于实现列车运营时对车厢内状况的实时安全监控。全线将实现至少 2 路高清视频（按照每路 4  Mbps 带宽考虑）车辆监控图像信息实时上传至控制中心的功能。

1.2.3 车辆火灾报警信息回传

列车上设置的火灾自动报警系统通过 PIS 车地无线通信网络，将列车上发生火灾的部位信息发送给控制中心消防控制室（按照 1  Mbps 带宽考虑）。

经上述分析，再加上 25% 的冗余计算，上行带宽至少为 10  Mbps，下行带宽至少为 5  Mbps。

2 PIS 车地无线传输系统的方案比选

2.1 PIS 车地无线传输系统技术概述

目前，车地无线传输系统方案主要有基于 IEEE 802.11 标准的无线局域网技术、基于 IEEE 802.16 标准的无线局域网技术、基于长期演进技术（LTE）设备的方案及 RAILVIEW 车地无线通信技术。

2.1.1 方案 1：基于IEEE802.11标准的无线局域网技术（WLAN）

基于 IEEE 802.11 标准的无线通信系统为各类用户提供高速的无线接入能力，以满足用户对语音、图像通信的需求，已得到广泛使用。该技术主要由无线交换机、无线接入点（AP）和车载天线等设备构成。

2.1.2 方案2：基于IEEE802.16标准的无线局域网技术（WiMAX）

WiMAX 是一种可用于城际网点对多点的无线宽带接入技术，是针对微波和毫米波段提出的一种新的空中接口标准。WiMAX 可实现最大峰值传输速度 70  Mbps，覆盖范围达 50  km，但由于该技术在国内尚未通过无线电委员会认证，且技术不够成熟、缺乏实际应用，故不予推荐。

2.1.3 方案3：基于LTE设备的方案

LTE 是 3G 的演进，采用正交频分复用（OFDM）和多输入多输出系统（MIMO）作为其无线网络演进的唯一标准。 LTE 基于 1.8  GHz 的频段，能在 20  MHz 频谱带宽条件下提供下行 100  Mbps、上行 50  Mbps 的峰值速率，支持 100  km 半径的小区覆盖，能够为 350  km/h 高速移动用户提供大于 100  kbps 的接入服务。基于 LTE 设备方案的车地无线传输系统由核心网设备、基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）组成。

2.1.4 方案4：RAILVIEW车地无线通信技术

RAILVIEW 是根据轨道交通特点和 PIS 系统车地无线传输专门研发的一种基于地面无线（DVB-T）的无线宽带传输技术。RAILVIEW 采用 COFDM 编码正交频分复用调制技术和分集接收技术，具有带宽大（每 1  MHZ 频率能提供 2  Mbps 的数据传输带宽）、覆盖距离广（单 AP 覆盖半径达到 1  km）的特点。

2.2 比选结果

2.2.1 高速移动状态下车地无线传输系统的稳定性、实时性

轻轨线路区间车辆最高速度达到 120  km/h 及以上，在高速移动状态下为避免 WLAN 数据传输带宽的急速下降，需在沿线安装大量的 AP 及附属设备。这使得列车在运行过程中越区切换频繁，不仅浪费带宽，还导致系统频繁的数据丢包，影响数据传输效果及系统的稳定性。LTE 专门针对移动通信开发，是支持列车在更高速度运行情况下获得更好的上、下行传输带宽的车地无线通信技术。

2.2.2 现场安装及后期运营维护维修的便捷性

由于轻轨多为地面线路、全高架桥线路或地面线路与高架桥、隧道穿插运行，无论设备安装在地面还是高架桥，因设备设置较多，不利于现场施工及后期运营、维护，如表1 所示。

表1 覆盖半径及设备数量比选表

2.2.3 频点申请的可行性及带宽的可用性

由于频率资源较为珍贵，需根据各车地无线传输系统的使用频段及要求向当地无线电委员会报备审批频点。从避免干扰的角度考虑，以地上信号覆盖为主的轻轨项目频段批复尤为困难，即使批复频点，其带宽资源也较为受限。因此，除 WLAN 技术外的其他技术能否使用，需等待其频点及带宽批复后才可进行下一步工作，如表2 所示。

综上所述，基于802.11标准的无线局域网（WLAN）不适合高速移动状态下的数据传输；RAILVIEW 车地无线通信技术实际应用案例较少，其与LTE 技术使用的频点及带宽需申报当地无线电管理委员会批准。基于以上比选分析，本文提出使用一种新技术系统——基于超高速无线通信（EUHT）技术的车地无线传输系统。

3 基于EUHT技术的PIS车地无线传输系统

3.1 EUHT技术概述

EUHT 是结合未来移动通信系统高可靠、低时延、高移动性等需求设计的无线通信系统。EUHT 在设计之初就考虑到应用场景的多样性，系统设计简洁、灵活、高效，具有高吞吐、高可靠性、高速移动性、低延时、低成本和低功耗等特点。

EUHT 的工作频段在 5～6  GHz，可在 300  km/h（已经测试）以上列车运行速度下工作，高速移动下的切换成功率超过 99.99%，基站间切换时间少于 50  ms，空口时延低于 1  ms，端到端双向延迟低于 10  ms。单网覆盖的基站平均间距 1  km，设备数量较少，维护工作量较低。每列车的无线传输带宽平均吞吐大于 150  Mbps，在满足车厢视频回传、PIS 视频数据下发、车辆火灾报警信息回传业务的基础上，还为乘客预留上网条件。

3.2 基于EUHT技术的PIS车地无线传输系统架构分析

如图 1 所示，在控制中心设置 EUHT 中心设备，包括 ECC（EUHT 控制中心）、EDC（EUHT 数据中心）和中心 EDU（EUHT 交换机）。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；接收来自中心终端的查询命令，显示线路上的状态，可对全线所有设备进行诊断、维护和升级。EDC 负责承载业务的监测、数据统计、数据分析及衍生业务的存储、计算、应用服务等，与 EUHT 系统承载业务的地面设备EDU 连接。中心 EDU 汇聚各车站 EDU 的数据信息。

图1 EUHT技术在轻轨PIS车地无线传输系统中的应用架构图

区间 EBU（EUHT 基站单元）通过区间光缆连接至车站及车辆段的 EDU，各节点 EDU 连接至控制中心的中心 EDU，构成 EUHT 有线网络并实现相关信息的传输。

EUHT 无线网络由区间 EBU 和 EAT（EUHT 天线单元）组成，每个 EBU 通过 2 芯光纤与 EDU 以星型方式连接，EBU 和 EAT 实现线路的无线覆盖，完成车地之间双向数据流的无线传输。

3.3 应用测试情况

2017 年初，EUHT 技术在京津城际铁路完成CCTV及 PIS 系统业务承载需求的测试，在 300  km/h 速度下实现了 12 路高清视频及旅客 WIFI 业务的传送。同年底，广州地铁 14 号线 PIS 车地无线传输系统采用 EUHT 技术，首次实现对全车 30 路高清视频的监控传送。

表2 使用频段及带宽分析表

4 结束语

EUHT 技术的出现不仅给轻轨及高速铁路的无线传输系统带来了新的生机，也为新一代宽带无线移动通信网的建设做好准备。随着 EUHT 技术的推广，该技术势必将在轻轨 PIS 车地无线传输系统及高速铁路无线通信网中得到成功应用。轻轨PIS车地无线传输系统将向着组网更加灵活、信息传送更加高效、业务生成更加多样的方向发展。

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