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摘 要：本文首先介绍了首都机场线既有车地无线通信系统的传输模式和设备运行现状，然后阐述EUHT系统的技术特点和网络制式的要求，再结合EUHT系统在首都机场线的建设应用，综合分析选用合理设备方案，最后通过实际测试数据证明EUHT系统数据传输吞吐量等各项指标均能够满足承载多业务需求。最后得出结论：EUHT系统能够满足地铁运营的安全和稳定性需求，具备推广使用的条件。
关键词：EUHT;地铁;综合承载;应用
0 引言
地铁是市民出行的服务窗口、是城市建设的重要基础设施。在城市化加速的时代，更安全、更便捷、更智慧的轨道交通出行方式，多元性乘坐体验成为乘客所需。EUHT系统可以为乘客提供多元性乘坐体验，并不断优化，实现综合承载信号、视频、乘客信息（电视直播和航班信息发布）、广播、乘客紧急对讲等多种业务。EUHT系统既能改变首都机场线车地通信系统设备设施现状，提高信号系统的安全性、稳定性、可维护性，又能提升乘坐首都机场线乘客的出行感受，满足乘客服务智能化、舒适性和人性化等需求，提升首都机场线作为“国门第一线”的整体形象，提高首都机场线运营服务水平。
1 首都机场线既有车地无线通信系统
首都机场线既有车地无线通信系统采用的是波导管无线传输系统，全线波导管贯通。信号系统采用基于波导管通信传输技术的移动闭塞列车自动控制信号系统，无线系统运行在ISM频段（2.4 GHz～2.483 5 GHz），并使用IEEE802.11g标准的无线调制解调器，红蓝网承载CBTC业务，绿网承载乘客信息及视频业务。受建设年代设备技术水平制约，系统未实现视频回传、视频直播、乘客WiFi上网等功能。
移动闭塞列车自动控制信号系统子系统由轨旁和车载两部分组成：
（1）轨旁部分：由三个共享一个公共发射网络的独立无线网络（红网，蓝网和绿网）组成;公共发射网络由若干连接到无源耦合器件的漏隙波导管组成;
（2）车载部分：由一个红色无线调制解调器和一个蓝色无线调制解调器，连接到对应的用于漏泄波导的天线上;两个绿色无线调制解调器，分别连接到两个用于漏泄波导的天线上。
2 EUHT系统技术特点
EUHT（Enhanced Ultra-High Throughput， 增强型超高吞吐）是一种创新无线通信技术。系统和设备可工作在U波段（600 MHz～800 MHz）、1.8 GHz、3.4 GHz、5 GHz～6 GHz。
系统技术特点和优势如下：
（1）单载频带宽：支持5/10/20/40/80 MHz;不需要载波聚合，使用单路射频通道就可以支持大带宽，可以有效降低系统成本;
（2）可提供高速下的大带宽传输：EUHT系统采用适应高速的子载波间隔、时频二维自适应导频、信道估计算法和时频同步算法，实现了300 km/h高速移动条件下，多路高清视频1080P的实时传输;
（3）高可靠性方面：EUHT系统采用先进的链路自适应技术、ARQ技术、先进的BCC和LDPC调制编码技术、MIMO分集和复用技术、MIMO非线性K-Best检测算法，通过可靠的时频同步机制和优化的切换流程、切换机制，达到了高可靠的数据传输;
（4）超低时延方面：灵活可变的物理帧结构设计、快速帧确认技术，使EUHT系统的端到端数据传输时延控制在5 ms以下;
（5）芯片及设备产权方面：均是完全自主的技术，拥有完全自主知识产权，可结合城市轨道交通的需求做适应性的开发和升级，不受制于国外;
（6）切换时延小：EUHT系统控制切换延迟在50 ms以内。
3 EUHT系统承载业务
EUHT系统大带宽、低时延、高可靠的技术特性可以同时满足城市轨道交通车地通信多项已有业务和未来拓展业务不同需求的综合承载。
城市轨道交通综合承载的业务需求如下表所示：
列车控制业务、调度业务以及列车中心广播业务关乎行车安全，对低时延、高可靠的需求更加苛刻。列车紧急文本业务、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。
4 EUHT系统网络架构及网络频段
根据《城市轨道交通CBTC信号系统-DCS子系统规范》、《城市轨道交通车地通信系统（LTE-M）总体规范》以及《城市轨道交通车地通信系统（LTE-M）接口规范》要求，列车控制业务的承载网络采用双网冗余架构。
目前城市轨道交通承载业务的无线通信系统所工作的频段主要是1.8 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz。
1.8 GHz是轨道交通专用频段，受干扰概率较小，但可用带宽较窄，地上10 MHz地下20 MHz，可用于承载安全相关的业务。
2.4 GHz是开放频段，受干扰概率大，可用频段为80 MHz，相互独立的信道有3个，可用于单一业务的承载。
5.8 GHz频段是开放频段，可用频率范围125 MHz，频率资源较丰富，干扰概率较大，可用于多个业务的综合承载。
因此，结合轨道交通信号系统安全稳定性要求及乘客多元化服务需求，1.8 GHz和5.8 GHz是首选的两个频段。城市轨道交通运营安全相关业务的综合承載需要采用冗余物理结构，其他非安全相关业务的综合承载无需采用冗余物理结构，即1.8 GHz的综合承载网承载运营安全相关业务，5.8 GHz的综合承载网同时承载运营安全和非安全业务。
5 工程建设方案
首都机场线共有4座车站，1个设备集中站，1个车辆基地。EUHT系统由中心、车站、区间和车载网络四部分设备组成。 5.1 中心级设备
本工程在车辆基地通信、信号机房内设置EUHT系统中心设备，中心设备包括网管服务器、鉴权加密服务器、中心EDU和接口EDU。考虑到承载信号CBTC业务和其他综合业务的安全性，分别设置红网（信号CBTC业务）EUHT中心设备、蓝网（综合承载业务）EUHT中心设备;红、蓝网中心设备组成见下图。其中每个EUHT中心EDU作为汇聚交换机设备，采用2台主备冗余配置方案。
5.2 车站级设备
本工程在东直门站、三元桥站、大山子（设备集中站）、T3航站楼站、T2航站楼站各设置2套EDU，其中1台接入红网信号CBTC的EBU，1台接入蓝网综合承载业务的EBU。在车辆基地设置4套EDU，其中2套连接运营正线红、蓝网EBU，另外2套连接车辆基地内红、蓝网EBU。
本工程车辆基地中心级EDU与车站EDU及车辆基地内EDU的连接方式采用网络延迟时间较小的星型连接方式，可满足信息高速传输的技术需求。
5.3 区间设备
区间设备设置数量及设置间距，需要结合地铁场强环境测试结果与链路计算数据，综合确定。
5.3.1 高架或路基环境路径损耗
5 GHz无线通信设备在开阔环境实际测试的路损结果介于COST231-hata模型（乡村）和WINNER模型（乡村NLOS）之间，高架环境链路中路损可以按照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=30.16lg（d[km]）+122.255（dB）
5.3.2 隧道环境链路损耗
由于隧道环境对无线信号传输有波导效应，基站小区的中、远区信号衰减规律近似线性衰减。根据5 GHz无线通信设备在隧道环境实际测试的路损结果，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）
EUHT基站布置在列车运行沿线，实现轨旁EBU与车载EAU之间的无线场强覆盖，链路分析如下：
根据已知EUHT系统设备发射机EIRP，接收机最小接收电平信号、发射天线增益、接收天线增益及其他增益、损耗并考虑余量，计算得出系统允许最大路损为113。
5.3.3 EBU设置间距分析
通过对照表格数据，EBU间距控制在500 m左右可以达到系统覆盖电平要求。为确保系统信号覆盖，考虑地铁运行线路附近无线场强对信号传播的影响，区间设备设定距离按照如下原则确定：
表
根据上述表格EBU设置原则及首都机场线目前已知线路情况，高架段采用单点单站覆盖，隧道段采用双洞双站覆盖，首都机场线正线蓝网设置EBU119套，正线红网设置121套，车辆基地及红网和蓝网各设置EBU6套，共计252套。
5.4 车载设备
EUHT系统车载设备包括天馈线、EAU、ESU和贯通网线。
在A1车设置3套EAU及天馈线（1.8 GHz，5.8 GHz 20 M，5.8 GHz 80 M）、2套ESU（1.8 GHz、5.8 GHz 20 M，5.8 GHz80 M）;A2车设置2套EAU（5.8 GHz）和2套ESU（5.8 GHz）进行无线信号的收发和控制完成与地面的无线通信。同时，在每节车厢分别设置1台车厢交换机，与A1、A2车5.8G ESU之间通过车载贯通线构成EUHT车载网络（图8）。
6 建设效果评价
首都机场线EUHT系统建成后，首先多次利用夜间停运时间，1组列车切换到EUHT系统承载综合业务空载运行，使用IxChariot测试软件同时进行无线端对端测试，测试结果为红网单终端上行吞吐量平均28.552 Mbps，红网单终端下行吞吐量平均13.249 Mbps，蓝网多终端上行吞吐量平均值146.687 Mbps，蓝网多终端下行吞吐量平均值98.498 Mbps。后续在夜间停运后多次7组列车接入EUHT系统承载CBTC业务，模拟白天运营环境，测试EUHT系统承载CBTC业务的丟包率和传输时延，验证EUHT系统承载CBTC业务的稳定性，信号系统车地通信业务通道红、蓝网的丢包率均小于0.1%，红、蓝网的传输时延不超过150 ms概率大于99.9%，无因车地无线通信中断导致紧急制动，各项评价指标均满足设计要求。在各项指标均满足设计要求后，首都机场线投入一组列车切换到EUHT系统承载多业务进入载客试运营，EUHT系统承载CBTC业务后，列车载客试运营工作正常，信号系统车地通信业务通道的丢包率及传输时延满足要求且无因EUHT系统通信中断造成的车辆紧急制动。载客试运营期间，北京市发生了大范围降雪，EUHT系统未发生任何故障，所有设备运行正常，没有因降雪导致的网络性能下降现象，各项指标均满足承载多业务的指标要求。
7 结束语
首都机场线EUHT系统的建成，提升了信号系统数据传输的稳定性，多业务承载提升了首都机场线的运营服务水平，强化了首都机场线作为国门第一线的外在形象。而且EUHT系统设备总量较传统波导管系统设备数量少，降低了投资成本和运维成本。
EUHT系统多业务承载在首都机场线的建成，为在城市轨道交通领域推广使用提供了可借鉴的经验，为下一步推行智慧轨道交通提供基础支持。
参考文献：
[1]中铁电气化局集团有限公司设计研究院.首都机场线EUHT综合承载研发试验线工程可行性研究报告[R].北京：中铁电气化局集团有限公司设计研究院，2019：9-19.
[2]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT综合承载研发试验线工程技术规格书.北京：京投新岸线技术有限公司，2020：14-22.
[3]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT研发试验线测试报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：10-16.
[4]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT系统承载CBTC业务多车压力测试报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：5-6.
[5]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT研发试验线工程空载试运行测试报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：4-10.
[6]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT研发试验线工程载客试运营报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：7-8.
[7]中华人民共和国住房城乡建设部.GB50157-2013，地铁设计规范[S].
[8]中华人民共和国工业和信息化部.关于使用5.8 GHz频段频率事宜的通知.信部无[2002]277号.
[9]中华人民共和国工业和信息化部.高频谱利用率和高数据吞吐的无线局域网技术要求第2部分：增强型超高速无线局域网媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）.YD/T 2394.2.
[10]中国国家标准化管理委员会.GBT 31024.2-2014，合作式智能运输系统专用短程通信第2部分媒体访问控制层和物理层规范[S].
[11]中华人民共和国住房城乡建设部.CJT500-2016，城市轨道交通车地实时视频传输系统[S].
关键词：EUHT;地铁;综合承载;应用
0 引言
地铁是市民出行的服务窗口、是城市建设的重要基础设施。在城市化加速的时代，更安全、更便捷、更智慧的轨道交通出行方式，多元性乘坐体验成为乘客所需。EUHT系统可以为乘客提供多元性乘坐体验，并不断优化，实现综合承载信号、视频、乘客信息（电视直播和航班信息发布）、广播、乘客紧急对讲等多种业务。EUHT系统既能改变首都机场线车地通信系统设备设施现状，提高信号系统的安全性、稳定性、可维护性，又能提升乘坐首都机场线乘客的出行感受，满足乘客服务智能化、舒适性和人性化等需求，提升首都机场线作为“国门第一线”的整体形象，提高首都机场线运营服务水平。
1 首都机场线既有车地无线通信系统
首都机场线既有车地无线通信系统采用的是波导管无线传输系统，全线波导管贯通。信号系统采用基于波导管通信传输技术的移动闭塞列车自动控制信号系统，无线系统运行在ISM频段（2.4 GHz～2.483 5 GHz），并使用IEEE802.11g标准的无线调制解调器，红蓝网承载CBTC业务，绿网承载乘客信息及视频业务。受建设年代设备技术水平制约，系统未实现视频回传、视频直播、乘客WiFi上网等功能。
移动闭塞列车自动控制信号系统子系统由轨旁和车载两部分组成：
（1）轨旁部分：由三个共享一个公共发射网络的独立无线网络（红网，蓝网和绿网）组成;公共发射网络由若干连接到无源耦合器件的漏隙波导管组成;
（2）车载部分：由一个红色无线调制解调器和一个蓝色无线调制解调器，连接到对应的用于漏泄波导的天线上;两个绿色无线调制解调器，分别连接到两个用于漏泄波导的天线上。
2 EUHT系统技术特点
EUHT（Enhanced Ultra-High Throughput， 增强型超高吞吐）是一种创新无线通信技术。系统和设备可工作在U波段（600 MHz～800 MHz）、1.8 GHz、3.4 GHz、5 GHz～6 GHz。
系统技术特点和优势如下：
（1）单载频带宽：支持5/10/20/40/80 MHz;不需要载波聚合，使用单路射频通道就可以支持大带宽，可以有效降低系统成本;
（2）可提供高速下的大带宽传输：EUHT系统采用适应高速的子载波间隔、时频二维自适应导频、信道估计算法和时频同步算法，实现了300 km/h高速移动条件下，多路高清视频1080P的实时传输;
（3）高可靠性方面：EUHT系统采用先进的链路自适应技术、ARQ技术、先进的BCC和LDPC调制编码技术、MIMO分集和复用技术、MIMO非线性K-Best检测算法，通过可靠的时频同步机制和优化的切换流程、切换机制，达到了高可靠的数据传输;
（4）超低时延方面：灵活可变的物理帧结构设计、快速帧确认技术，使EUHT系统的端到端数据传输时延控制在5 ms以下;
（5）芯片及设备产权方面：均是完全自主的技术，拥有完全自主知识产权，可结合城市轨道交通的需求做适应性的开发和升级，不受制于国外;
（6）切换时延小：EUHT系统控制切换延迟在50 ms以内。
3 EUHT系统承载业务
EUHT系统大带宽、低时延、高可靠的技术特性可以同时满足城市轨道交通车地通信多项已有业务和未来拓展业务不同需求的综合承载。
城市轨道交通综合承载的业务需求如下表所示：
列车控制业务、调度业务以及列车中心广播业务关乎行车安全，对低时延、高可靠的需求更加苛刻。列车紧急文本业务、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。
4 EUHT系统网络架构及网络频段
根据《城市轨道交通CBTC信号系统-DCS子系统规范》、《城市轨道交通车地通信系统（LTE-M）总体规范》以及《城市轨道交通车地通信系统（LTE-M）接口规范》要求，列车控制业务的承载网络采用双网冗余架构。
目前城市轨道交通承载业务的无线通信系统所工作的频段主要是1.8 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz。
1.8 GHz是轨道交通专用频段，受干扰概率较小，但可用带宽较窄，地上10 MHz地下20 MHz，可用于承载安全相关的业务。
2.4 GHz是开放频段，受干扰概率大，可用频段为80 MHz，相互独立的信道有3个，可用于单一业务的承载。
5.8 GHz频段是开放频段，可用频率范围125 MHz，频率资源较丰富，干扰概率较大，可用于多个业务的综合承载。
因此，结合轨道交通信号系统安全稳定性要求及乘客多元化服务需求，1.8 GHz和5.8 GHz是首选的两个频段。城市轨道交通运营安全相关业务的综合承載需要采用冗余物理结构，其他非安全相关业务的综合承载无需采用冗余物理结构，即1.8 GHz的综合承载网承载运营安全相关业务，5.8 GHz的综合承载网同时承载运营安全和非安全业务。
5 工程建设方案
首都机场线共有4座车站，1个设备集中站，1个车辆基地。EUHT系统由中心、车站、区间和车载网络四部分设备组成。 5.1 中心级设备
本工程在车辆基地通信、信号机房内设置EUHT系统中心设备，中心设备包括网管服务器、鉴权加密服务器、中心EDU和接口EDU。考虑到承载信号CBTC业务和其他综合业务的安全性，分别设置红网（信号CBTC业务）EUHT中心设备、蓝网（综合承载业务）EUHT中心设备;红、蓝网中心设备组成见下图。其中每个EUHT中心EDU作为汇聚交换机设备，采用2台主备冗余配置方案。
5.2 车站级设备
本工程在东直门站、三元桥站、大山子（设备集中站）、T3航站楼站、T2航站楼站各设置2套EDU，其中1台接入红网信号CBTC的EBU，1台接入蓝网综合承载业务的EBU。在车辆基地设置4套EDU，其中2套连接运营正线红、蓝网EBU，另外2套连接车辆基地内红、蓝网EBU。
本工程车辆基地中心级EDU与车站EDU及车辆基地内EDU的连接方式采用网络延迟时间较小的星型连接方式，可满足信息高速传输的技术需求。
5.3 区间设备
区间设备设置数量及设置间距，需要结合地铁场强环境测试结果与链路计算数据，综合确定。
5.3.1 高架或路基环境路径损耗
5 GHz无线通信设备在开阔环境实际测试的路损结果介于COST231-hata模型（乡村）和WINNER模型（乡村NLOS）之间，高架环境链路中路损可以按照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=30.16lg（d[km]）+122.255（dB）
5.3.2 隧道环境链路损耗
由于隧道环境对无线信号传输有波导效应，基站小区的中、远区信号衰减规律近似线性衰减。根据5 GHz无线通信设备在隧道环境实际测试的路损结果，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）
EUHT基站布置在列车运行沿线，实现轨旁EBU与车载EAU之间的无线场强覆盖，链路分析如下：
根据已知EUHT系统设备发射机EIRP，接收机最小接收电平信号、发射天线增益、接收天线增益及其他增益、损耗并考虑余量，计算得出系统允许最大路损为113。
5.3.3 EBU设置间距分析
通过对照表格数据，EBU间距控制在500 m左右可以达到系统覆盖电平要求。为确保系统信号覆盖，考虑地铁运行线路附近无线场强对信号传播的影响，区间设备设定距离按照如下原则确定：
表
根据上述表格EBU设置原则及首都机场线目前已知线路情况，高架段采用单点单站覆盖，隧道段采用双洞双站覆盖，首都机场线正线蓝网设置EBU119套，正线红网设置121套，车辆基地及红网和蓝网各设置EBU6套，共计252套。
5.4 车载设备
EUHT系统车载设备包括天馈线、EAU、ESU和贯通网线。
在A1车设置3套EAU及天馈线（1.8 GHz，5.8 GHz 20 M，5.8 GHz 80 M）、2套ESU（1.8 GHz、5.8 GHz 20 M，5.8 GHz80 M）;A2车设置2套EAU（5.8 GHz）和2套ESU（5.8 GHz）进行无线信号的收发和控制完成与地面的无线通信。同时，在每节车厢分别设置1台车厢交换机，与A1、A2车5.8G ESU之间通过车载贯通线构成EUHT车载网络（图8）。
6 建设效果评价
首都机场线EUHT系统建成后，首先多次利用夜间停运时间，1组列车切换到EUHT系统承载综合业务空载运行，使用IxChariot测试软件同时进行无线端对端测试，测试结果为红网单终端上行吞吐量平均28.552 Mbps，红网单终端下行吞吐量平均13.249 Mbps，蓝网多终端上行吞吐量平均值146.687 Mbps，蓝网多终端下行吞吐量平均值98.498 Mbps。后续在夜间停运后多次7组列车接入EUHT系统承载CBTC业务，模拟白天运营环境，测试EUHT系统承载CBTC业务的丟包率和传输时延，验证EUHT系统承载CBTC业务的稳定性，信号系统车地通信业务通道红、蓝网的丢包率均小于0.1%，红、蓝网的传输时延不超过150 ms概率大于99.9%，无因车地无线通信中断导致紧急制动，各项评价指标均满足设计要求。在各项指标均满足设计要求后，首都机场线投入一组列车切换到EUHT系统承载多业务进入载客试运营，EUHT系统承载CBTC业务后，列车载客试运营工作正常，信号系统车地通信业务通道的丢包率及传输时延满足要求且无因EUHT系统通信中断造成的车辆紧急制动。载客试运营期间，北京市发生了大范围降雪，EUHT系统未发生任何故障，所有设备运行正常，没有因降雪导致的网络性能下降现象，各项指标均满足承载多业务的指标要求。
7 结束语
首都机场线EUHT系统的建成，提升了信号系统数据传输的稳定性，多业务承载提升了首都机场线的运营服务水平，强化了首都机场线作为国门第一线的外在形象。而且EUHT系统设备总量较传统波导管系统设备数量少，降低了投资成本和运维成本。
EUHT系统多业务承载在首都机场线的建成，为在城市轨道交通领域推广使用提供了可借鉴的经验，为下一步推行智慧轨道交通提供基础支持。
参考文献：
[1]中铁电气化局集团有限公司设计研究院.首都机场线EUHT综合承载研发试验线工程可行性研究报告[R].北京：中铁电气化局集团有限公司设计研究院，2019：9-19.
[2]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT综合承载研发试验线工程技术规格书.北京：京投新岸线技术有限公司，2020：14-22.
[3]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT研发试验线测试报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：10-16.
[4]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT系统承载CBTC业务多车压力测试报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：5-6.
[5]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT研发试验线工程空载试运行测试报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：4-10.
[6]京投新岸线技术有限公司.首都机场线EUHT研发试验线工程载客试运营报告[R].北京：京投新岸线技术有限公司，2020：7-8.
[7]中华人民共和国住房城乡建设部.GB50157-2013，地铁设计规范[S].
[8]中华人民共和国工业和信息化部.关于使用5.8 GHz频段频率事宜的通知.信部无[2002]277号.
[9]中华人民共和国工业和信息化部.高频谱利用率和高数据吞吐的无线局域网技术要求第2部分：增强型超高速无线局域网媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）.YD/T 2394.2.
[10]中国国家标准化管理委员会.GBT 31024.2-2014，合作式智能运输系统专用短程通信第2部分媒体访问控制层和物理层规范[S].
[11]中华人民共和国住房城乡建设部.CJT500-2016，城市轨道交通车地实时视频传输系统[S].