鐵路新一代移動通信的挑戰(zhàn)與思考

鐘章隊 官科 陳為 艾渤

摘要：鐵路新一代移動通信將面向鐵路全場景、全業(yè)務(wù)、全鏈接、強(qiáng)安全，不僅有望完全取代既有系統(tǒng)，還能為列車自動駕駛、列車安全視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)提供高速信息傳輸服務(wù)，是鐵路物聯(lián)網(wǎng)的信息承載平臺和高速鐵路運(yùn)行安全保障的基礎(chǔ)。感知-通信-計算一體化、數(shù)智融合、新型陣列理論、新材料物理電磁特性為鐵路新一代移動通信發(fā)展提供前沿應(yīng)用基礎(chǔ)理論支撐；“大智移云物”技術(shù)群、區(qū)塊鏈技術(shù)、高精度無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化、建筑信息模型（BIM）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）融合技術(shù)以及數(shù)字孿生將為鐵路新一代移動通信發(fā)展提供技術(shù)保障。在當(dāng)前和未來的落地應(yīng)用中，鐵路新一代移動通信系統(tǒng)需要樹立“可管、可控、可信、可視、可靠、可測”的六大設(shè)計理念，需要解決頻率資源有限和新需求不斷涌現(xiàn)之間的矛盾，高速移動性與可靠性問題，以及綜合軌道交通樞紐集群與場景獨(dú)特性帶來的挑戰(zhàn)，需要厘清在技術(shù)體制、公專共存、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等方面存在的開放性問題。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；5G；新一代信息通信技術(shù)

Abstract： The new generation of railway mobile communications will be oriented to all railway scenarios， all services， all links， and strong security. It is expected to completely replace the existing system， and can provide high-data rate mobile channels enabling automatic train driving， train safety video monitoring， etc. Moreover， the new generation of railway mobile communications will be the information platform of the railway Internet of Things and the basis for the safety of high-speed railway operations. The integrated sensing， communication and computing， the digital intelligence fusion， the new array theory， and physical electromagnetic properties of new materials provide frontier applied basic theoretical support for the development of new generation of railway mobile communications； the technical group of “big data， artificial intelligence， mobile communication， and cloud computing”， the blockchain technology， the high-precision wireless network planning and optimization， as well as the fusion of building information model （BIM） and augmented reality （AR） will provide technical support for the development of the new generation of railway mobile communications. In the current and future implementation of the new generation of railway mobile communication systems， it is necessary to establish six design concepts of “manageability， controllability， credibility， visibility， reliability， and measurability”， and to address the challenges resulting from the contradiction between limited frequency resources and the continuous emergence of new demands， the high-speed mobility and reliability， as well as the comprehensive rail transit hub clusters and the uniqueness of scenarios. Last but not least， it is of importance to explore the open questions such as selection of technical systems， co-existence of public and dedicated networks， and heterogeneous network collaboration.

Keywords： high-speed railway； 5G； new generation of information and communication technology

1 發(fā)展鐵路新一代移動通信的背景及意義

從2016年開始，中國鐵路進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段。截至2020年底，中國高鐵運(yùn)營里程達(dá)3.79×104 km，穩(wěn)居世界第一。城市軌道交通也成為國家大力發(fā)展的“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”的重要領(lǐng)域。2019年國務(wù)院發(fā)布《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，要求到2035年基本形成現(xiàn)代化綜合交通體系；2020年中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布《新時代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，提出到2035年形成7×104 km的現(xiàn)代化高速鐵路網(wǎng)，率先建成智能高鐵，加快實(shí)現(xiàn)智慧鐵路。與此同時，世界各國也紛紛提出鐵路數(shù)字化與智能化發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。通過采用新一代信息通信技術(shù)來大幅提升鐵路運(yùn)輸組織效率效益，優(yōu)化客貨運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)，提高鐵路運(yùn)輸安全水平，已成為各國鐵路發(fā)展的必由之路。鐵路智能化已經(jīng)成為世界鐵路未來發(fā)展的重要方向。

移動通信系統(tǒng)是列車行車安全、運(yùn)營維護(hù)和旅客信息服務(wù)的中樞神經(jīng)。目前，列車調(diào)度指揮、中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)第3級（CTCS-3）列車運(yùn)行控制信息、列車調(diào)度命令、無線車次號校核信息、信號設(shè)備動態(tài)監(jiān)測信息等應(yīng)用業(yè)務(wù)，都是由鐵路窄帶移動通信系統(tǒng)（GSM-R）來承載的。然而，GSM-R存在承載能力不足、頻段干擾嚴(yán)重、生命周期正走向終結(jié)等問題；鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)（LTE-R）在京沈高速鐵路的實(shí)測顯示，在450 MHz頻段、5 MHz帶寬和350 km/h的速度運(yùn)行狀態(tài)下小區(qū)邊緣的傳輸速率僅為10 Mbit/s，無法滿足未來智能高鐵所需的全面態(tài)勢感知、泛在互聯(lián)以及智能快速決策的需求。智能高鐵的行車和運(yùn)營維護(hù)應(yīng)用中的鐵路多媒體調(diào)度通信、車載及軌旁高清視頻監(jiān)控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）遠(yuǎn)程檢測及診斷、大規(guī)模傳感器應(yīng)用等，催生了新的列車運(yùn)行控制及鐵路安全相關(guān)業(yè)務(wù)、大帶寬業(yè)務(wù)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，對鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的可靠性、頻譜利用率、能量效率、帶寬等均提出更高的要求[1]。

1.1 國際相關(guān)情況

鐵路新一代移動通信技術(shù)得到業(yè)界的密切關(guān)注。國際鐵路聯(lián)盟（UIC）倡導(dǎo)鐵路數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提出創(chuàng)建未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS），并且明確了針對鐵路用戶的六大類應(yīng)用的通信需求，包括通信對象、帶寬、時延、可靠性、速度等。除中國外的其他國家相關(guān)鐵路實(shí)驗室對鐵路新一代移動通信保持開放的態(tài)度，雖未披露建設(shè)和發(fā)展規(guī)劃，但已開始理論研究、技術(shù)論證和工程試驗。

2019年9月，德國聯(lián)邦鐵路公司（DB）的5G列車移動實(shí)驗室首次使用基于5G技術(shù)的設(shè)備對無人駕駛的列車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制測試，并在同年11月，開始研究從GSM-R向FRMCS的演進(jìn)，并在漢堡市郊鐵路進(jìn)行5G鐵路運(yùn)營網(wǎng)試驗，包括承載列車控制信息傳輸和自動駕駛試驗；2019年11月，法國國家鐵路公司（SNCF）與諾基亞公司簽訂合作伙伴協(xié)議，旨在共同創(chuàng)建5G鐵路實(shí)驗室，在實(shí)驗室以及鐵路環(huán)境中對FRMCS的性能進(jìn)行全方位的評估，以便為鐵路通信系統(tǒng)向更新、更高性能的無線通信標(biāo)準(zhǔn)過渡做準(zhǔn)備；2020年3月，瑞士聯(lián)邦鐵路（SBB）在智能鐵路4.0項目框架下，建立FRMCS的頻段試點(diǎn)，旨在定義FRMCS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并計劃在2025年用FRMCS取代當(dāng)前的GSM-R，以大幅提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、可用性和生產(chǎn)效率；2019年，在西班牙巴塞羅那5G實(shí)驗室（5G Barcelona）、加泰隆尼亞鐵路（FGC）、加泰羅尼亞政府、巴塞羅那世界移動通信基金會（MWCapital）和沃達(dá)豐公司的共同合作下，西班牙建立5G鐵路實(shí)驗室，對鐵路5G關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行研究和挖掘；2020年11月，由歐盟“地平線2020計劃”資助的5GRAIL項目正式啟動，旨在通過開發(fā)和測試用于軌旁基礎(chǔ)設(shè)施和車載設(shè)備的FRMCS原型，驗證首個 FRMCS規(guī)范；2020年12月，日本移動通信公司（NTT Docomo）和JR東日本鐵路公司，利用新干線ALFA-X試驗車，成功實(shí)施360 km/h高速移動條件下的5G通信試驗；2020年1月，韓國鐵路研究所（KRRI）與SK電信（SK Telecom）簽署技術(shù)合作協(xié)議以開發(fā)全球首個使用5G通信的智能列車控制系統(tǒng)，并在2020年底宣布基于5G列車自動控制技術(shù)的測試取得成功。

1.2 中國相關(guān)情況

當(dāng)前，隨著京張智能高鐵、京雄智能高鐵的開通，中國鐵路正快速邁入智能化、智慧化階段。在國家“交通強(qiáng)國”和“新基建”戰(zhàn)略下，鐵路信息通信技術(shù)融合發(fā)展成為趨勢。2019年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，提出到2035年，基本建成交通強(qiáng)國，到21世紀(jì)中葉，全面建成人民滿意、保障有力、世界前列的交通強(qiáng)國。作為《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》的細(xì)化和實(shí)化，2021年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，提出到2035年基本建成規(guī)模約為70×104 km的現(xiàn)代化高質(zhì)量國家綜合立體交通網(wǎng)，其中，鐵路約為2×105 km，是國家綜合立體交通網(wǎng)的主干。交通運(yùn)輸部發(fā)布《關(guān)于推動交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》（2020年8月，交規(guī)劃發(fā)〔2020〕75號），提出到2035年，交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得顯著成效，泛在感知設(shè)施、先進(jìn)傳輸網(wǎng)絡(luò)、北斗時空信息服務(wù)在交通運(yùn)輸行業(yè)深度覆蓋，行業(yè)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)安全體系基本建立，智能列車、自動駕駛汽車、智能船舶等逐步應(yīng)用。國鐵集團(tuán)發(fā)布《新時代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》（2020年8月，國鐵集團(tuán)〔2020〕129號），提出到2035年，中國將率先建成服務(wù)安全優(yōu)質(zhì)、保障堅強(qiáng)有力、實(shí)力國際領(lǐng)先的現(xiàn)代化鐵路強(qiáng)國；發(fā)布《國鐵集團(tuán)關(guān)于加快推進(jìn)5G技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實(shí)施意見》（2020年8月，國鐵集團(tuán) 鐵發(fā)改〔2020〕144號），以推進(jìn)鐵路5G-R專網(wǎng)建設(shè)和5G公網(wǎng)應(yīng)用；發(fā)布《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》（2020年9月，國鐵集團(tuán) 鐵科信〔2020〕159號），從頂層設(shè)計出發(fā)制定智能高速鐵路體系架構(gòu)；發(fā)布《鐵路5G技術(shù)應(yīng)用科技攻關(guān)三年行動計劃》（2020年12月，國鐵集團(tuán) 鐵科信〔2020〕222號），提出到2023年完成鐵路5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和主要專用設(shè)備研制，開展安全保障、出行服務(wù)等領(lǐng)域急需業(yè)務(wù)試驗驗證和試用考核，完成5G專網(wǎng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，為開展鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

在國家各項政策引領(lǐng)下，新一代鐵路信息通信系統(tǒng)的各類新應(yīng)用對移動通信系統(tǒng)的帶寬、時延、可靠性、安全性提出更高要求，大量應(yīng)用對彼此之間的信息共享、專業(yè)互動提出新的要求，對建設(shè)統(tǒng)一信息通信平臺提出新的需求。此外，鐵路專用移動通信系統(tǒng)在承載業(yè)務(wù)、性能指標(biāo)方面對可靠性和安全性要求較高，不同的業(yè)務(wù)需要靈活、動態(tài)的定制化設(shè)計和協(xié)同優(yōu)化。針對有限的鐵路專網(wǎng)頻率資源，以及高速移動性對頻譜效率與可靠性的影響，需要加快通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的躍遷，開展面向鐵路全場景、全業(yè)務(wù)、全鏈接、強(qiáng)安全的鐵路新一代移動通信技術(shù)研究。

2 鐵路新一代移動通信技術(shù)

國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）在2017年6月發(fā)布的技術(shù)報告中，梳理了目前全球針對鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的研究工作。未來，如果要解決鐵路高清晰度視頻監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施安全隱患識別、運(yùn)營控制系統(tǒng)的智能化等鐵路安全運(yùn)營的核心問題，鐵路新一代移動通信系統(tǒng)不僅要滿足傳統(tǒng)的增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）需求，還要滿足海量機(jī)器類通信（mMTC）和超可靠低時延通信（URLLC）需求。按照當(dāng)前的發(fā)展趨勢來看，以5G為代表的新興無線通信技術(shù)無疑為鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了全新動力。以5G為依托，鐵路新一代移動通信系統(tǒng)可以在移動通信質(zhì)量、接入設(shè)備數(shù)目、高數(shù)據(jù)速率可靠傳輸方面得到進(jìn)一步改進(jìn)。除此之外，5G的出現(xiàn)與應(yīng)用，可以幫助鐵路新一代移動通信系統(tǒng)在獲取衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)測列車運(yùn)行狀態(tài)等方面取得進(jìn)一步提升。鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的建設(shè)可實(shí)現(xiàn)高速移動場景下信息高效可靠傳輸，創(chuàng)建新型網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同計算與信息分發(fā)體系，構(gòu)建融合鐵路物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的全鏈接鐵路信息通信網(wǎng)絡(luò)，支持大容量數(shù)據(jù)傳輸及海量鐵路設(shè)備接入，全面提升鐵路信息通信系統(tǒng)的性能。

接下來，我們將從應(yīng)用基礎(chǔ)理論前沿、技術(shù)應(yīng)用前沿、工程前沿3個層面介紹鐵路新一代移動通信系統(tǒng)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

2.1 應(yīng)用基礎(chǔ)理論前沿

（1）感知-通信-計算一體化

在信息傳遞過程中，感知-通信-計算一體化打破終端進(jìn)行信息采集、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞和云邊進(jìn)行計算的煙囪式信息服務(wù)框架，可以同步構(gòu)建信息采集與信息計算的端到端信息處理技術(shù)框架，有望支撐無人化、浸入式和數(shù)字孿生等感知通信計算高度耦合的智慧鐵路業(yè)務(wù)。未來的智能高鐵列車，有望建成感知（北斗、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭）、通信（5G、Wi-Fi 6、毫米波、物聯(lián)網(wǎng)、可見光）、計算（列車大腦、多接入邊緣計算）的一體平臺，實(shí)現(xiàn)高鐵移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施以及內(nèi)外部環(huán)境間信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)、科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)全生命周期一體化管理的智能系統(tǒng)。

（2）數(shù)智融合

數(shù)智融合是基于大數(shù)據(jù)與人工智能的融合，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知、理解、推理、預(yù)測等能力。以鐵路新一代移動通信系統(tǒng)為例，數(shù)智融合可以實(shí)時采集不同網(wǎng)元設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理、建模分析和預(yù)測，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元設(shè)備的優(yōu)化配置，形成一整套閉環(huán)操作過程，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能管控和優(yōu)化。此外，數(shù)智融合還可以實(shí)現(xiàn)多專業(yè)智能運(yùn)維數(shù)據(jù)融合與統(tǒng)一分析，為智能高鐵和智慧鐵路搭建全方位運(yùn)維智慧系統(tǒng)架構(gòu)，為鐵路行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)智化轉(zhuǎn)型，提供重要支撐。

（3）新型陣列理論

新型陣列理論通過引入更多的自由度來進(jìn)一步提升鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的性能。例如，高速移動的列車會導(dǎo)致用戶在較短時間內(nèi)頻繁切換小區(qū)，造成信號接收質(zhì)量下降。引入大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO）技術(shù)[2]后，鐵路沿線小區(qū)峰值吞吐率和平均吞吐率將得到提高。在此基礎(chǔ)上，分布式Massive MIMO系統(tǒng)通過在鐵路沿線多個分布式節(jié)點(diǎn)之間引入智能協(xié)作，實(shí)現(xiàn)資源的聯(lián)合調(diào)度和數(shù)據(jù)的聯(lián)合發(fā)送，有效消除干擾，增強(qiáng)接收信號質(zhì)量，為列車上的用戶提供穩(wěn)定、可靠的服務(wù)。作為Massive MIMO系統(tǒng)的延伸，智能超表面（RIS），又被稱為大型智能表面（LIS），可通過大規(guī)模的無源超表面陣列對電磁波進(jìn)行控制。如果可以針對鐵路場景的特點(diǎn)，形成利用RIS或LIS對不同電波傳播機(jī)理進(jìn)行調(diào)控的系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù)，則鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的頻譜效率和覆蓋將得到提高，系統(tǒng)功耗將大幅降低。

（4）新材料物理電磁特性

當(dāng)前，列車車體主要由合金構(gòu)成，對電磁波有較強(qiáng)的屏蔽作用，使車廂內(nèi)無線覆蓋面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2018年9月，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術(shù)展（InnoTrans2018）上，中國中車股份有限公司正式發(fā)布新一代碳纖維地鐵車輛CETROVO。與采用鋼、鋁合金等傳統(tǒng)材料的列車相比，CETROVO整車重量降低了13%。由此可見，未來以碳纖維、玻璃纖維等為代表的新型復(fù)合材料在列車上的占比會不斷提升。如果在列車新材料的設(shè)計過程中，充分考慮材料的物理特性與電磁特性（如相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率、散射系數(shù)、散射指數(shù)、透射損耗等）之間的作用機(jī)理與規(guī)律，則可在安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)列車顯示、交互、通信、感知等能力，加強(qiáng)列車新材料在軌道交通智能化與智慧化發(fā)展中的作用。

2.2 技術(shù)應(yīng)用前沿

如圖1所示，本節(jié)將介紹由大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、5G移動通信、云計算、物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的“大智移云物”技術(shù)群，以及區(qū)塊鏈技術(shù)如何賦能鐵路新一代移動通信系統(tǒng)，為列車運(yùn)行安全、運(yùn)營維護(hù)安全、施工建設(shè)安全等提供高質(zhì)量的服務(wù)與保障。

（1）大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)主要是指針對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理以及應(yīng)用的技術(shù)。在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支撐下，運(yùn)用AI技術(shù)，可以對軌道、路基等檢測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，對關(guān)鍵指標(biāo)的進(jìn)行監(jiān)測控制和動態(tài)預(yù)測，進(jìn)而推動高鐵智能化發(fā)展。

（2）AI

將AI引入無線通信系統(tǒng)的各個層面，有助于解決無線通信系統(tǒng)中存在的問題，能大幅度提升無線通信系統(tǒng)的性能[3]。例如，基于視覺的智能檢測需要多路高清視頻傳輸支撐，然而目前鐵路帶寬較低，傳統(tǒng)系統(tǒng)傳輸多為低清視頻，無法滿足智能檢測的需求。引入AI技術(shù)，能夠使低分辨率圖像在占用相同的帶寬資源下，提高無線智能通信系統(tǒng)接收圖像分辨率，實(shí)現(xiàn)低帶寬高清視頻傳輸，極大提升檢測精度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度的鐵路入侵檢測。

（3）5G移動通信

5G移動通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高帶寬、低時延和海量物聯(lián)，能夠改善現(xiàn)有高鐵通信中存在的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、網(wǎng)速慢、信號差等問題，為乘客提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。5G引入的毫米波技術(shù)[4]因其有較多的帶寬資源，能夠很好地解決當(dāng)前6 GHz以下頻段擁堵的問題，提高傳輸速率，減少時延。

（4）云計算

云計算超強(qiáng)的計算能力可以集中式地解決計算和儲存問題，提高通信效率[5]。云計算技術(shù)與針對高鐵的移動通信系統(tǒng)的融合，能夠更快地處理數(shù)據(jù)，掌握列車的運(yùn)營狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并迅速處理，對智能高鐵起到重要的支撐作用。

（5）物聯(lián)網(wǎng)

在高鐵場景中，需要維護(hù)的設(shè)施多、任務(wù)重，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則可以采集各類設(shè)備狀態(tài)信息，并將信息回傳至操作平臺進(jìn)行處理，以達(dá)到軌道交通能夠智能監(jiān)管各類設(shè)備的目的，滿足智慧高鐵運(yùn)維實(shí)時監(jiān)測控制和遠(yuǎn)程維修維護(hù)等需求[6]。

（6）區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈的去中心化和不可篡改等特性可為鐵路新一代移動通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)安全提供保障。例如，智慧高鐵通信中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和處理，龐大的數(shù)據(jù)量和頻繁的交互會導(dǎo)致在此過程中極易出現(xiàn)信息泄漏或篡改等問題。而將數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上，能夠保證這些數(shù)據(jù)信息的完整性、保密性和真實(shí)性。

2.3 工程前沿

（1）工程設(shè)計的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）與核心理念

與5G類似，鐵路新一代移動通信系統(tǒng)設(shè)計的KPI包括：終端平均速率為10～100 Mbit/s（考慮10 MHz專網(wǎng)帶寬），終端峰值速率達(dá)到200 Mbit/s（考慮10 MHz專網(wǎng)帶寬），無線連接密度達(dá)到每千米1×104條無線連接，端到端時延達(dá)毫秒級，網(wǎng)絡(luò)能量效率較4G有10倍的提升，支持500 km/h的高鐵速度。鐵路新一代移動通信系統(tǒng)的設(shè)計將以智能調(diào)度指揮與列車控制為核心，從工程設(shè)計源頭樹立“可管、可控、可信、可視、可靠、可測”六大理念，支撐智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營、智慧出行、智慧物流等智能高鐵/智慧鐵路應(yīng)用，兼顧與其他通信網(wǎng)絡(luò)的智能協(xié)同，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)、全場景、全鏈接、強(qiáng)安全一體化設(shè)計。

（2）高精度無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化

準(zhǔn)確、高效的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化是移動通信系統(tǒng)高質(zhì)量建設(shè)與發(fā)展的重要保障。現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃依靠人工判斷與傳播損耗經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化依靠反復(fù)路測以及人工調(diào)試，兩者都存在精度差、效率低、時間長、開銷大等問題，而且規(guī)劃與優(yōu)化彼此孤立，系統(tǒng)割裂，無法協(xié)同迭代，成為鐵路移動通信建設(shè)和運(yùn)維中的共性關(guān)鍵難題。此外，隨著5G標(biāo)準(zhǔn)確定和更高頻段無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的到來，鐵路新一代移動通信系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方面會面臨來自新頻譜、新空口、新場景等多個方面的新要求與挑戰(zhàn)。因此，自主知識產(chǎn)權(quán)、完全代碼可控的高性能射線跟蹤技術(shù)[7]、規(guī)劃優(yōu)化一體化技術(shù)、智能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)亟待攻克，以便為鐵路新一代移動通信系統(tǒng)高質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化提供重要支撐。

（3）面向鐵路智能建造的建筑信息模型（BIM）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）融合技術(shù)

相比于傳統(tǒng)建筑，面向鐵路“四電”（電力、電氣化、信號和通信）的智能建造更加復(fù)雜。BIM是建筑三維模型和信息的數(shù)字化表達(dá)技術(shù)，而AR最突出的特點(diǎn)是具有虛實(shí)融合與人機(jī)交互功能。BIM與AR的融合技術(shù)，使工程師在面對鐵路新一代移動通信系統(tǒng)時從設(shè)計、施工到運(yùn)維管理都能擁有高質(zhì)高效的體驗感，有助于壓縮項目時間，保障全生命周期的可靠運(yùn)行。未來BIM與AR融合技術(shù)必會隨著移動端性能的提高和鐵路新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)普及而逐步走向成熟，將會對鐵路智能建造產(chǎn)生深刻的影響。而關(guān)于BIM模型輕量化處理問題、AR室內(nèi)外的定位精度問題、多人協(xié)同管理等問題也將會是不小的挑戰(zhàn)。

（4）數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，用于模擬、分析、驗證、預(yù)測和控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)方法。在新鐵路的整體規(guī)劃、設(shè)計方案和工程施工期內(nèi)或重大升級時，工程項目數(shù)字孿生模型能夠根據(jù)經(jīng)營需求優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)仿真模擬來降低施工期延誤或管理不合規(guī)的風(fēng)險。此外，工程項目數(shù)字孿生模型還可以優(yōu)化供應(yīng)鏈管理中的貨運(yùn)物流和溝通交流，進(jìn)而保持施工進(jìn)度和控制費(fèi)用預(yù)算。例如，京雄城際鐵路在施工過程中就大量采用了數(shù)字孿生技術(shù)。此外，基于數(shù)字孿生技術(shù)可以打造智能高速鐵路車站大腦系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集層，通過高清視頻監(jiān)控或物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)信息的感知，并在融合處理層，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對車站運(yùn)營場景進(jìn)行建模、優(yōu)化、決策等，最終實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度和智能管理等核心功能，提高車站的感知、分析、管理能力，加快推進(jìn)鐵路智能化發(fā)展。

3 鐵路新一代移動通信技術(shù)的應(yīng)用

本節(jié)將介紹鐵路新一代移動通信技術(shù)在當(dāng)前和未來應(yīng)用中面臨的難點(diǎn)與開放性問題，以及值得開展的研究工作。

3.1 難點(diǎn)

（1）頻率資源有限和新需求不斷涌現(xiàn)之間的矛盾

一方面，隨著越來越多的旅客選擇鐵路出行，大量移動高清視頻、VR/ AR/混合現(xiàn)實(shí)（MR）業(yè)務(wù)密集并發(fā)，使鐵路場景成為典型的高密度、大容量熱點(diǎn)區(qū)域；另一方面，隨著自動駕駛、虛擬聯(lián)接以及全天候（風(fēng)、霜、雪、雨、霧、沙、霾、黑、光）環(huán)境（凈空）感知等鐵路智能裝備關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，車載傳感器（激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視覺傳感器等）的數(shù)量正在飛速增長，海量的感知數(shù)據(jù)也需要實(shí)現(xiàn)高效可靠傳輸。由此可見，發(fā)展智能高鐵與智慧鐵路將催生大量帶寬密集型應(yīng)用，需要更多的頻率資源以支持海量數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。而這與鐵路移動通信非常有限的專網(wǎng)頻率資源形成了尖銳的矛盾。因此，我們需要對未來鐵路移動通信業(yè)務(wù)需求、系統(tǒng)需求進(jìn)行梳理和預(yù)測，科學(xué)規(guī)劃專網(wǎng)用頻，增加頻率資源；同時，注重厘清鐵路業(yè)務(wù)需求的特征，對于不涉及鐵路核心關(guān)鍵業(yè)務(wù)的需求，應(yīng)考慮利用公網(wǎng)資源來增強(qiáng)鐵路移動裝備、基礎(chǔ)設(shè)施和人員的泛在互聯(lián)能力。

（2）高速移動性與可靠性問題

高速移動性是高鐵通信最鮮明的特征與挑戰(zhàn)[8]。由于高鐵列車的移動速度快，產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會給高鐵通信系統(tǒng)帶來頻偏，使接收信號不穩(wěn)定，無線性能惡化；列車時速較高，用戶在短時間內(nèi)頻繁進(jìn)行小區(qū)切換與重選，會導(dǎo)致掉話率升高；高鐵旅客較多且較為集中，也會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的升高，造成用戶的信號質(zhì)量下降；高鐵的全封閉式結(jié)構(gòu)也會造成嚴(yán)重的穿透損耗[9]。這些由于高速移動性和車體屏蔽性造成的影響，會對列車控制信號在車地之間的安全可靠傳輸造成威脅。因此，如何在高速移動條件下保證移動通信的有效性、可靠性，是鐵路新一代通信系統(tǒng)亟須解決的痛點(diǎn)問題。對此，我們需要研究準(zhǔn)確、高效、低復(fù)雜度的多普勒頻偏估計方法，使用糾偏、補(bǔ)償技術(shù)降低頻偏帶來的影響；需要設(shè)計低時延、高成功率的小區(qū)切換技術(shù)和切換策略，為高速移動中的用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、高可靠的無線信號接入；需要設(shè)計低介電常數(shù)的新型復(fù)合材料，以減少金屬車體對移動通信信號的屏蔽性。

（3）綜合軌道交通樞紐集群與場景獨(dú)特性帶來的挑戰(zhàn)

為了支撐和引導(dǎo)都市圈發(fā)展，中國提出打造軌道上的都市圈，加快發(fā)展智能軌道交通系統(tǒng)，推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網(wǎng)融合”。綜合軌道交通樞紐集群是發(fā)展四網(wǎng)融合的關(guān)鍵點(diǎn)，將最大限度地實(shí)現(xiàn)綜合立體交通網(wǎng)絡(luò)人流、物流、資金流和信息流的高效換乘、無縫對接、便捷流通。這意味著綜合軌道交通樞紐集群將是多種交通方式、多種通信體制、多張無線網(wǎng)絡(luò)的密集匯聚場所，并成為海量業(yè)務(wù)并發(fā)的超級熱點(diǎn)區(qū)域。綜合軌道交通樞紐集群智能化發(fā)展的最大困難，將是如何應(yīng)對頻率資源不足造成的多種無線通信系統(tǒng)之間、無線通信系統(tǒng)內(nèi)不同用戶之間的嚴(yán)重干擾，以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性能下降、數(shù)據(jù)傳輸可靠性降低等問題。此外，鐵路場景復(fù)雜而特色鮮明，包含車站、隧道、電力牽引架、路塹、橫跨橋、明洞等特殊且不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體，加之在綜合軌道交通樞紐集群中的密集人流、物流、車流，使電波傳播呈現(xiàn)獨(dú)特的損耗與衰落特性，并具有高度的空間異質(zhì)性和頻率依賴性。這導(dǎo)致長期使用的電波傳播經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蚪馕瞿Ｐ?，難以準(zhǔn)確表征鐵路場景，尤其是綜合軌道交通樞紐集群中的電波傳播與信道特性。因此，鐵路新一代移動通信系統(tǒng)需要攻克高性能射線跟蹤技術(shù)[8]、規(guī)劃優(yōu)化一體化技術(shù)、智能干擾消除技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)，并將高質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化融入綜合軌道交通樞紐集群的設(shè)計、建造與運(yùn)維過程中，以應(yīng)對綜合軌道交通樞紐集群與場景獨(dú)特性帶來的挑戰(zhàn)。

3.2 開放性問題

（1）技術(shù)體制選擇

第3代合作伙伴計劃（3GPP）的R15標(biāo)準(zhǔn)僅有eMBB場景。URLLC與mMTC在R16中會得到完善，并在R17中獲得進(jìn)一步增強(qiáng)。而FRMCS需求在R16中才會有所體現(xiàn)，在R17中才能完善。因此，中國鐵路發(fā)展的鐵路新一代移動通信系統(tǒng)應(yīng)至少基于R16版本，并具備向R17平滑演進(jìn)的能力。

（2）公專共存路線

由于鐵路專網(wǎng)頻率資源受限，因此未來鐵路部分對安全性、可靠性等要求相對較低的業(yè)務(wù)可以考慮借助運(yùn)營商的5G公網(wǎng)進(jìn)行承載。關(guān)于公網(wǎng)與專網(wǎng)的共存，大致可分為3種路線。第1種路線是異構(gòu)技術(shù)的共存，即采用不同的架構(gòu)、不同的技術(shù)向同一個業(yè)務(wù)方向發(fā)展。第2種路線是同構(gòu)技術(shù)的共存，即公網(wǎng)與專網(wǎng)選用的基本技術(shù)體系是一樣的。鐵路研制的GSM-R、LTE-R技術(shù)體系，就是鐵路與全球移動通信系統(tǒng)（GSM）、長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)的同構(gòu)交融。在這一過程中，鐵路進(jìn)行了很多次改造和優(yōu)化，以打造適合自身特殊發(fā)展需求的體系。第3種路線是運(yùn)營層面、業(yè)務(wù)層面的共存，比如鐵路在某些領(lǐng)域會直接用公網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行服務(wù)。這3種形式都會存在，其中同構(gòu)共存或許會更受行業(yè)青睞，更能確保通信網(wǎng)絡(luò)的信息安全。

（3）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力

鐵路新一代移動通信系統(tǒng)要具備和其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的能力。Wi-Fi 6可以作為鐵路新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在低速場景下的有效補(bǔ)充，可應(yīng)用于VR/ AR、路局辦公、站段作業(yè)、教育培訓(xùn)、AI輔助等業(yè)務(wù)場景?；诒倍范ㄎ患夹g(shù)，結(jié)合鐵路新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)和室外定位功能，可以實(shí)現(xiàn)滿足開闊地帶、隧道和室內(nèi)等多種場景定位需求的鐵路全域定位。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可以作為鐵路新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的備份網(wǎng)絡(luò)，有助于打造空天地一體化的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對鐵路常規(guī)通信、應(yīng)急通信、臨時施工通信等全場景的覆蓋。打造基于60 GHz毫米波頻譜的鐵路車地傳輸專用網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)超高速率的車載數(shù)據(jù)上傳和下載，實(shí)現(xiàn)鐵路6A、6C等車載數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)儲，以及車載旅客信息服務(wù)（PIS）視頻數(shù)據(jù)的高速下發(fā)。第5代固網(wǎng)通信（F5G）是對鐵路新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的固網(wǎng)補(bǔ)充。結(jié)合F5G和鐵路新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的海量連接優(yōu)勢，有助于共同構(gòu)筑鐵路各專業(yè)的聯(lián)接基石，構(gòu)建鐵路萬物互聯(lián)的智能世界。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是對鐵路新一代移動通信物聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充，能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、移動裝備、關(guān)鍵部件、貨物、人員等的互聯(lián)和感知。

4 結(jié)束語

鐵路是國家戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性、關(guān)鍵性重大基礎(chǔ)設(shè)施，是國民經(jīng)濟(jì)大動脈、重大民生工程和綜合交通運(yùn)輸體系骨干，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。發(fā)展智能高鐵/智慧鐵路是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要圍繞智能感知層、智能傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、智能決策層、智能應(yīng)用層等組成的產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，有針對性地開展科學(xué)研究、科技攻關(guān)與人才培養(yǎng)，推動創(chuàng)新鏈高效服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈；與此同時，還要圍繞創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)新一代信息通信技術(shù)創(chuàng)新成果的快速轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，并推動鐵路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級。創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈互為支撐，形成促進(jìn)中國鐵路高質(zhì)量發(fā)展的新動能。最后，產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展需要一個和諧生態(tài)圈。就鐵路新一代移動通信發(fā)展而言，和諧生態(tài)圈應(yīng)指遵循開放、有序、合作、共贏的原則，為鐵路行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展創(chuàng)造更好的生態(tài)環(huán)境，讓身處其中的各個成員共存共榮，最終實(shí)現(xiàn)整個鏈條及系統(tǒng)的和諧發(fā)展。為打造好深度融合的創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈，推動新一代信息通信技術(shù)與鐵路深度融合，鐵路新一代移動通信技術(shù)的研究與發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

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作者簡介

鐘章隊，北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室首席教授、博士生導(dǎo)師，教育部“面向高速鐵路控制的無線移動通信系統(tǒng)研究”創(chuàng)新團(tuán)隊帶頭人，寬帶移動信息通信鐵路行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室主任；從事無線通信與寬帶移動通信、計算機(jī)通信與信息技術(shù)等研究與教學(xué)；1994年提出基于GSM-R技術(shù)建設(shè)中國鐵路數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)，奠定高速鐵路CTCS3級列控系統(tǒng)發(fā)展基礎(chǔ)；完成100多項科研項目，研究成果廣泛應(yīng)用于青藏鐵路、大秦重載運(yùn)輸鐵路、客運(yùn)專線、高速鐵路等工程建設(shè)；獲國家科技進(jìn)步一等獎1項，省部級科技特等獎1項、一等獎3項、二等獎5項，中國圖書優(yōu)秀學(xué)術(shù)著作一等獎1項，中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展1項，中國研究生教育成果獎二等獎1項，中國電子學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)導(dǎo)師獎，1998年獲鐵道部有突出貢獻(xiàn)的中青年科技專家稱號，1999年享受國務(wù)院政府特殊津貼，2004年獲茅以升科學(xué)技術(shù)獎（鐵道科技獎），2007年獲第八屆詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)貢獻(xiàn)獎，2010年獲得第十屆詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)成就獎。

官科，北京交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室信息通信研究室副主任，太赫茲通信標(biāo)準(zhǔn)《IEEE 802.15.3d-2017》的信道模型主創(chuàng)者，《IEEE Vehicular Technology Magazine》《電波科學(xué)學(xué)報》等期刊的編委；研究領(lǐng)域為5G、毫米波/太赫茲以及智能軌道交通電波傳播與無線信道；獲德國洪堡基金會外國科學(xué)家研究基金資助，獲國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI）青年科學(xué)家獎、教育部高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎。

陳為，北京交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室信息通信研究室副主任；長期從事無線通信、信號處理、人工智能技術(shù)研究，并圍繞高維信息感知和處理、5G海量機(jī)器類通信、物聯(lián)網(wǎng)智慧信息采集和傳輸、智慧交通開展研究工作；作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)省部級及以上項目10余項；在高水平國際期刊和國際會議上發(fā)表論文70余篇，包括期刊論文20篇。

艾渤，北京交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、電子信息工程學(xué)院副院長，軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室常務(wù)副主任，國家6G技術(shù)研發(fā)總體專家組專家，中國移動集團(tuán)軌道交通聯(lián)盟5G產(chǎn)業(yè)推進(jìn)委員會主任，IET Fellow，IEEE VTS杰出講師，中共中央組織部“萬人計劃”領(lǐng)軍人才，科技部中青年創(chuàng)新領(lǐng)軍人才；獲國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、優(yōu)秀青年基金，以及國家自然科學(xué)基金委-英國皇家學(xué)會牛頓高級學(xué)者基金資助；發(fā)表論文150余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利32項。