2021城市轨道交通5G应用技术白皮书

城市轨道交通5G应用技术白皮书目录前言 1城市轨交通5G络求分析 2概述 25G业务景及求分类 4运营及护类用 4车地无通信应用 7旅客服类应用 9城市轨交通的5G键技术 135G关技术城市交通需匹配析 135G网隧道盖方案 15城市轨交通5G网设方案 18城市轨交通5G络片方案 20信道测与建模 24波形与址技术 31时变信估计术 34切换技术 35大规模线技术 36面向轨交通超可时延技术 415G网系统扰分析 43信息安全 44城市轨交通车5G盖增强术 50城市轨交通5G用案例 525G地大数客流析 525G地智慧分定位 54基于5G络的清视监控 57基于5G络的清视直播 61基于5G的地通系统 645G载PIS66基于5G的车状数回传 67城轨列基于5G的AI能交互用 675G边缘MEC68地铁云联动挥系统 73基于5G网的VR-云戏 78总结与望 81城市轨道交通5G应用技术白皮书城市轨道交通5G应用技术白皮书PAGE65PAGE65前言人工智能、工业互联网等城市轨道交通5G网络需求分析概述随着地铁运营里程的增长，客运量的提升，地铁在运营、维护、安防、调度等各方面均面临更大挑战。构建智慧地铁运营平台，全面提升地铁运营服务水平，是城市轨道交通未来发展的重要方向。通过对全国多个地铁建设和运营公司的需求调研，地铁无线网络的需求痛点如下：1、目前地铁自建专网的无线带宽不足导致视频无法回传地铁车载视频主要分为两个部分：第一部分在司机驾驶室，安装多个摄像头需要对司机行为进行监控，确保安全运行。在列车自动驾驶阶段也需要安装4到6个高清摄像头，对列车运行情况进行远程监控。第二部分在车厢内，为确保乘客的安全，每节车厢分别安装了4个摄像头。在一些城市需要实现实时的视频监控，同时可以将获得的视频数据做进一步开发，判断车厢拥挤情况安排乘客出行，帮乘客及时寻找丢失物品等。目前地铁专网采用1800MHz的专网频谱，带宽最大只有20MHz，部分地铁采用WIFI5.8GHz公有频段实现部分隧道覆盖，较难实现全线连续覆盖，而且5.8GHz存在其他WIFI系统的干扰。因此，车载视频回传经常出现卡顿，链接不畅，针对车厢内的视频摄像头实时回传更是无法实现，只能通过人工拷贝的方式完成。2、无线带宽不足导致应急通讯难在应急状况下，车站需要临时搭建监控系统，部署无线视频摄像头，并且与站外安保人员实时通讯。就当前地铁的专网带宽以及通讯方式，其中1800MHz专网采用TDD系统，带宽最大20MHz，大部分地铁只使用10MHz，目前集群通讯系统采用的800M频段，带宽6MHz，是无法实现多终端的视频回传需求。当前应急状况保障手段有限，只能采用对讲机通过语音来保障。地铁基本都是采用低频集群通讯系统，目前400M/800M的集群通讯，地下喊不到地面，地面喊不到地下，不同线路制式不同无法互通，不同站台400M无法互通。3、智慧列车状态传感器上传需求随着列车智慧化的改造，列车的状态数据也需要实时上传到后台，以实现列车状态的在线监控，确保运行安全。当前列车编组8节车厢，大概有4000多个传感器，需要同步传输海量数据。由于局限于1800MHz带宽，目前TCMS的速率带宽要求在未来随着5G网络提供额外的带宽资源，TCMS的速率可以得到极大提升，将列车其他存储数据实时上传，如走行部，制动，弓网的波形文件数据等。对列车的智慧化运维带来帮助。4、地铁晚间隧道轨行区的安全巡检随着地铁线路的延长，地铁出行效率的提升，每晚的作业窗时间越来越短。为确保地铁全线都能安全正常运行，每晚都需要安排人员下轨行区进行巡查。如某城市地铁线每天晚上安排进入轨道的人员达3000名。为避免安全事故发生，人员巡检区域做了严格限制，由某站进则必须从该站出，因此需要大批人员同时作业。而在隧道内已经覆盖的5G网络此刻没有用户，网络呈空载状况。如果部署智慧巡检机器人替代部分人工对轨道引电弓巡检，视频利用空载的网络资源实现实时回传，会极大程度降低人员成本，也可以迅速完成全线的巡检。5、大客流期间乘客刷码进站需求地铁站厅的无线网络容量设计是有限的，一方面网络扇区规划已经到达极限，无法再分裂，另外一方面是5G频谱的引入困难。现在越来越多乘客选择手机扫码乘地铁，同时还会利用手机看视频、玩游戏。在大客流时期，同时使用数据流量将导致网络拥塞。若有乘客手机无法打开二维码，该乘客就会不断刷新产生重复的信令，进而对地铁公司的客流组织、票务清分产生影响，造成经济损失。除此之外，地铁大量设备机房也没有无线信号覆盖，无法通过无线网络来承载物联网应用。总结地铁应用带宽需求如下表：表2-1城市轨道交通各专业带宽需求（估算）部门应用单链接上行单站链接需求总量安监视频对讲终端2Mbps5（并发）10Mbps运营CCTV回传2Mbps16（并发）32Mbps通号应急视频摄像头5Mbps5（并发）25Mbps通号应急通讯终端2Mbps10（并发）20Mbps票务应急扫码保障50Mbps1单站下行50Mbps运维轨行视频8Mbps4（并发）32Mbps运维远程维修8Mbps4（并发）32Mbps商业IOT广告2Mbps10下行20Mbps5G业务场景及需求分类按照城市轨道交通应用场景，我们将地铁业务对于5G网络的需求按场景分为以下几类：运营维护类：包括安防、安检、票务、设备管理、能耗管理、应急处置等；列车运行类：包括列车运行控制（CBTC）系统、列车运行状态监测、车辆视频监控系统(CCTV)等；旅客服务类：包括轨道交通乘客信息系统（PIS）、车站室内导航与定位、大数据客流分析等。运营及维护类应用智慧安防应用地铁安防系统集成涉及系统面广、监控对象多、业务场景复杂，在安防系统建设过程中，充分利用5G高速无线网络，满足无线监控视频系统传输高清图像在车站的大规模安装和使用，突破有线网络无法达到或布线成本过高的限制，使无线视频监控成为有线监控的重要补充而广泛使用，提升生产现场移动监控和应急处置指挥可视化能力，加强车站应急指挥调度的高效便捷性。基于5G高清视频回传+AI视觉分析技术，实现车站智慧安防应用，通过在站厅、站台安装的高清视频监控前端设备，实时采集站厅、站台视频/图像信息并回传至AI视频智能分析云平台进行存储和分析处理。利用MEC边缘计算、AI人工智能及计算机视觉技术对视频信息进行处理、分析和理解，实现对站厅、站台的远程安防实时监控，借助人工智能和大数据技术，可以开展高准确性的人脸识别、表情识别、人体态势识别、物体识别等应用，有利于预防和及时处置突发事件。超清实时监控带宽要求为上行50Mbps、下行1Mbps，平均时延<100ms，可靠性为99.99%。智慧安检应用建设智慧安检集中判图云平台，在地铁安检通道，通过5G网络将X光安检机监控数据及摄像头视频等信息实时回传监控后台，实现前后台的快速联动响应，方便后台管理人员统筹地铁站所有X光机安检数据，并结合AI视频分析能力，可快速定位危险物品及危险人员。带宽要求为上行20Mbps、下行1Mbps，平均时延<20ms，可靠性为99.99%。智慧票务应用以5G+AI人脸识别技术以及物联网感知技术为基础，实现刷脸过闸无感快速通行智慧应用，大幅提高城轨票务业务的智能化水平，为乘客提供个性化、无感快速出行体验。人脸过闸无感快速通行带宽要求为上行20Mbps、下行1Mbps，平均时延<10ms，可靠性为99.999%。智慧能耗管理应用借助5G网络实现车站能源状态感知调控，支撑能源设备全面管控。5G网络大带助力能源移动化巡查。车站能源状态感知带宽要求为上行10Mbps、下行1Mbps，平均时延<50ms，可靠性为99.99%。车站设备管理应用车站存在着大量复杂的各类设备（如闸机、TVM、电扶梯、站台屏蔽门、照明、空调等），车站设备管理应用结合物联网、大数据、设备全寿命周期数据、空间数据、视频数据等，建立车站资源管理基础数据库，并与安防系统、能耗管理系统、综合监控系统等对接，通过各类传感器、摄像头等设备为管理提供基础数据，可实时获取设备的基础信息、运行信息、故障信息及故障预警，实现车站关键设备的人工远程监控、半自动巡检及全自动巡检。带宽要求为上行80Mbps、下行10Mbps，平均时延<20ms，可靠性为99.999%。全息感知智慧车站系统应用智慧车站系统主要是通过5G+MEC进行生产调度、组织和指挥，并可通过AR或视频监控技术对作业过程进行可视化监控。5G+MEC专网可以为智慧车站系统提供高带宽、低时延的回传通信服务与边缘云AI算力服务。基于车站设备管理应用所实时监控到的信息，以3DGIS电子地图技术呈现站厅、站台和列车的运行情况，实现对车站的智慧化运营管理决策。一是管理流程中的各关键环节数据及信息的即时推送。二是实现车站设备的智能联控，包括自动开启出入口卷帘门、电扶梯，联动视频进行智能巡站，同步唤醒各类服务设备设施并自动检测运行状态，自动调节调整照明模式、环控模式，确保全站进入管理运营服务状态，生成开站日志推送至车站、控制中心等。三是实现车站服务的全景管理，采用基于区域化和移动式的综合业务管理，由中心车站对所辖区域各站进行远程监控及设备操作，车站人员可通过移动终端对客运服务、设备运行状态、安全设备设施等进行综合管理。带宽要求为上行80Mbps、下行10Mbps，平均时延<20ms，可靠性为99.999%。突发应急处理应用一是智能感知的乘客事件处置。针对突发如安检、站台门夹人、乘客在扶梯上摔倒的乘客事件，通过视频分析、智能传感等感知手段，及时触发警报信息，提示站务人员进行处置。同时，系统根据事件类型触发相对应的应急预案，联动相关部门进行处置。二是协同联动的应急疏散与公交接驳。在各类极端气象或火灾灾害发生时，可通过先进的探测器或传感器，结合外部气象数据的接入，大数据平台的预测分析等手段进行及时预警。预警产生后，系统应启动相应的应急预案，各系统按预案自动执行相关联动，同时通知相应部门进行现场处置，如公交接驳时，将处置和现场情况及时上报上一级管理部门。突发应急处理应用带宽要求为上行40Mbps、下行1Mbps，平均时延<20ms，可靠性为99.999%。高效调度指挥应用一是根据客流预测数据给予决策辅助支持，智能动态调整计划运行图，实现客流息发布，辅助疏导车站客流，形成预警/告警信息，通知车站管理人员按应急预案进行现场处理，并动态调节站内智能导向和照明，实现线网运输能力的精准投放。带宽要求为上行20Mbps、下行1Mbps，平均时延<20ms，可靠性为99.99%。工作人员无线办公接入应用借助5G网络实现移动办公，车站工作人员、运维人员随时随地接入业务、多场景及时沟通交流、方便快捷的自助服务和迅捷实时的知识获取。带宽要求为上行≥40Mbps、下行≥40Mbps，平均时延<50ms，可靠性为99.99%，非周期性接入。车地无线通信类应用城市轨道交通车地无线通信作为保障安全运营的重要环节，承载了以下生产业务：基于通信的列车运行控制（CBTC）系统，完成对车辆安全行驶的控制功能；列车运行状态监测系统，用于保障车辆运行期间关键设备系统的安全运转；车辆视频监控系统(CCTV)，用于车内视频图像实时上传；轨道交通乘客信息系统（PIS）(含紧急文本)知及运营服务信息发布。CBTC系统应用需求CBTC系统车地通信无线应覆盖城市轨道交通正线（含折返线、联络线）、出入段/场线、段/场咽喉区、段/场车库内、试车线。CBTC无线传输通道需求：传输通道应采用独立的双网冗余物理通信通道。访问控制要求：要求信号系统A/B通道相互独立。无线网络的安全性：车载无线单元与基站需要进行认证授权，通过后才能进行关联，并且对传输的数据进行加密，加密密钥不少于128位；无线覆盖范围内，任意地点都应实现A/B双网覆盖；车头、车尾配合实现与A/B网双网通信；信号系统无线网络试车线部分与其它部分应隔离。CBTC系统中车地通信的传输性能指标：整条线路每列车单网传输速率不低于200kb/s，上下行各100kb/s。车地通信单网络信息的丢包率应小于1%。车地通信单网络信息的误码率小于或等于10－6。车地通信单网络的越区切换时间应在150ms以内。车地通信信息经有线和无线网络传输延迟时间应小于150ms。应实现不高于200km/h运行速度下车地实时双向通信的要求。数据通信系统设备平均无故障时间：MTBF﹥。车地通信设备的平均故障修复时间：MTTR﹤30min。信号系统的可用性指标不小于99.98%。应保证车地通信可靠连接、双网中同一时刻至少有一个网络无中断。列车运行状态监测应用需求通过在列车上部署数据采集处理与发送设备，实现各车载子系统原始数据的分布式收集、数据融合、本地存储等功能。同时将数据借助5G传输网络，下传至地面运维系统平台，实现对子系统及关键部件状态进行状态监视、故障预警及健康评估等功能，为列车运行提供远程诊断与专家技术支持，该需求适用于城轨应用场景。目前该功能已经基于4G实现了部分数据的上传和应用，但是数据量大小和数据传输频率都受限于4G带宽，因此只应用于小文件传输落地；大文件传输（如走行部的记录文件、弓网的视频等）方面目前是使用人工方式或者借用其他车地无线通道（如PIS系统无线通道）实现落地。引入5G方式，可以提高数据量和数据传输频率，实现大文件实时传输等，为地面的数据应用提供了更多可能性。列车运行状态监测包含信息采集、信息传输、信息显示、信息处理和分析以及信息发布等五个环节，子系统的设计上应尽量做到信息获取准确、信息传输途径共用、信息利用的关联，并随系统的具体情况形成具有适合信息更新速度的回路，进而做到安全投入的效益优化。列车运行状态监测需要采集的量共有1500个开关量，500个模拟量。列车运行状态监测信息传输性能的指标如下：单向传输：列车运行状态监测系统为单向传输，即只有列车到地面的上行传输，而没有地面到列车的下行传输。传输速率：列车运行状态监测系统的采集量有1500个开关量，每个1bit；500个模拟量，每个2字节。这样一次采集的信息量为9.5kbits，采集周期为300ms一次，按每秒4次来计算，传输速率为38kbps。考虑一定的信息传输余量，共需要传输速率为100kbps。传输时延：列车运行状态监测系统车到地的信息传输延迟时间不大于500毫秒。丢包率：列车运行状态监测系统车地无线通信的丢包率应低于1%。IMS系统应用需求车载IMS视频监控图像回传将车载视频监控图像上传到控制中心，其重要性仅次于信号系统业务需求。应用场景一：正线信息承载在正常情况下，全线需向中心上传2路客室监控图像信息。车载CCTV业务带宽需求为2×2Mbps=4Mbps（上行信息）。应用场景二：车辆基地信息承载列车停靠在车辆基地时，中心可同时调取4路客室监控图像的录像信息，带宽需求为4×1Mbps=4Mbps（上行信息）。IMS系统车地通信的传输性能指标包括时延和抖动两个方面，具体为：时延要求＜300ms，时延抖动要求＜100ms。城市轨道交通车地无线通信需求总结城市轨道交通生产业务车地无线通信需求总结见下表。表2-2车地无线通信需求序号承载业务上行下行越区切换时延传输时延覆盖区间优先级1CBTC系统每列车100kbps每列车kbps小于150ms小于150ms正线、出入段/场线、段/场咽喉区、段/场车库内、试车线12列车运行状态监测100kbps小于150ms小于150ms正线、段/场停车列检库内23IMS监控图像回传正线车辆基地正线、段/场停车列检库内24Mbps4Mbps旅客服务类应用大数据智慧客流应用一是站内客流感知预警等态势分析应用。综合地铁列车信号数据、列车称重数据、ARC清分数据、电信信令数据、监控视频数据和移动高清视频数据等多数据源，通过5G高带宽网络实现数据传输，基于数据中台技术进行数据汇总和综合分析，实现对地铁站厅站台的客流感知预警等态势分析应用。二是客流预测应用。依据城市周边接入轨道交通站点的乘客出行、道路、公共交通等实时数据变化，以及市内轨道交通的客流变化，基于城市道路公路数据、手机信令数据、互联网数据、GPS数据、IC卡数据等多维度大数据分析和挖掘，对轨道交通体系中的客流预测精准数据。站内客流感知预警等态势分析应用带宽要求为上行40Mbps、下行1Mbps，平均时延<20ms，可靠性为99.999%。客流预测应用带宽要求为上行40Mbps、下行1Mbps，平均时延<50ms，可靠性为99.99%。PIS系统应用(含紧急文本)需求PIS系统（含紧急文本）需将播控中心下发的播放节目，如紧急文本信息、行车信息、新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告等便民信息在车载PIS显示屏上实时显示。车地无线综合宽带传输平台需提供匹配PIS专业需求的连续、高带宽、低时延车地无线传输通道。PIS系统无线传输通道关于图像与视频的需求情况为：PIS图像采用标清图像质量，每列车业务信息承载带宽为下行2Mbps。在正常情况下，无线小区内有两列车，PIS图像下发播放的带宽需求为Mbps=4Mbps（下行信息）。在有条件时，采用高清（1080P）图像质量预设业务信道带宽，则每路图像带宽需求为下行4~6Mbps。紧急文本为上行信息，带宽需求为10kbps。PIS系统中车-地通信的传输性能指标主要涉及时延和抖动，具体为：时延要求≤300ms，抖动要求＜100ms。车站室内导航与定位随着城市轨道交通的发展，特别是一些大型换乘地铁站，乘客对车站室内定位与导航的需求日益增长。提供该业务能方便乘客迅速准确地找到站内换乘路线，以及在站内快速找到售票机、自主服务设备、各类商铺、出入口等设备设施。同时，提供准确的室内定位与导航也是智慧地铁车站提供的重要服务之一，更多基于位置的服务（LBS:Location-basedService）将大力提升乘客智慧出行体验。该业务也可用于站务人员定位与追踪，站内移动设备追踪等。基于海量乘客位置数据，可开展车站及车厢内客流量实时统计分析，以便快速响应紧急事件，合理安排运力和提升服务，具体体现在以下几个方面：实时监控和预测通过对线路、站内以及站外的客流进行监控，能够实时获取乘客密度，在突发事件发生时，能够第一时间决策限流或者闭站方式，并且能通过定向通告引导客流。高效调度和管理能够从不同站点的客流数量信息以及车辆的满载率上对如何进行列车调度做出判断，并能够根据乘客的起始路线来进行线路的清算分账，甚至能够差异化定价不同线路和个性化定制线路。多元经营可以通过地铁乘客大数据对交通进行规划，并且能够将这部分数据内容出售给第三方。能够实现基于乘客位置的APP、大屏显示以及地铁物业评估等一系列增值应用服务。3GPP标准对基于5G网络的下一代高精度定位提出了一些建议和性能需求。标准中指出下一代的高精度定位系统要求终端位置信息的快速、可靠及随时获取，其中定位准确度及可用性指标如下：服务区域（包括室内、室外和城区）：<1m(95%基于网络定位（三维）：依据不同部署准确度<10m<1m(80%室内：<1m室内定位可采用的方法包括：下行：OTDOA（ObersevedTimeDifferentialofArrival）上行：UTDOA（UplinkTimeDifferentialofArrival）ID、蓝牙地面信标定位系统：TBS（TerrestrialBeaconSystemmethod）基于传感器：惯导、气压计等文献给出了基于5GNR的定位基本能力要求，并通过仿真评估相关技术的定位性能。3GPPRel-16对定位要求如下：一般用户：50m80%5m80%延迟：30秒商业用户：3m80%3m80%10m80%3m80%延迟：1秒部分仿真评估结果如表1所示，对于室内场景，基于下行和上行TDOA，频率范围1（FR1）和频率范围2（FR2）在基站完全同步情况下可满足一般用户和商业用户定位需求，当基站时间同步误差为50ns时，能够满足一般用户定位需求，无法满足商业用户需求。表2-3（a）下行TDOA室内定位精度表2-4（b）上行TDOA室内定位精度基于下行离开角（DL-AoD：DownlinkAngle-of-Departure）定位技术在FR2频段可满足一般用户和商业用户需求。基于上行到达角（UL-AoAUplinkAngle-of-Arrival）定位技术在FR1和FR2频段可满足一般及商业用户需求。基于多小区往返时延Multi-CellRTT（Round-TripTime）定位技术可满足一般用户和商业用户需求。由于车站内部结构复杂并且人流密集，车站需要提供大容量高精度定位服务。基于文献提供的评估报告，结合车站室内导航与定位需求，给出如下车站定位指标：水平误差≤5m（80%）；垂直误差≤3m（80%）；延迟1秒。该指标能够满足绝大部分乘客换乘导航，快速查找出入口、自主服务设备等，也可用于站务人员位置追踪等。上述5G-NR定位能力基于标准化仿真评估得到，实际部署中，存在多种因素可能影响导定位精度，例如频带带宽、信噪比、多径效应和基站间时钟同步等。目前，5G毫米波频段（FR2）在室内部署有限，有关关键技术有待进一步讨论和现场验证。FR1频段室内基站天线数量有限，导致DL-AOD和UL-AOA精度有限，而RTT定位需要相邻小区之间进行协调测量。因此，现有的任何单一定位技术都无法满足室内覆盖范围与定位精度的需求，需要利用5G室分网络及其它辅助定位技术（例如蓝牙信标、指纹定位等）进行多源融合定位，以满足车站室内定位与导航精度需求。城市轨道交通中的5G5G关键技术与城市轨道交通需求匹配分析在当前在隧道里，运营商已经部署的5G网络覆盖，还主要是面向对乘客进行覆盖，下行的速率配比高于上行的速率配比，如7:3,8:2。这些时隙配比已经固化，不可调整。地铁所用的业务模型主要是上行回传，按照当前列车摄像头配比，业务做了一定的压缩后，一列车需要62Mbps上行，对于列车TCMS数据，建议考虑2~5M的上行带宽。整体上需要提供70Mbps的平均带宽。当前5G网络建设有三种模式优享：通过QoS、网络切片等手段，实现业务逻辑隔离，满足客户对特定网络速率、时延及可靠性的优先保障需求，支持按需灵活配置。专享：通过边缘计算技术，实现数据流量卸载、本地业务处理，满足数据不出场、超低时延等业务需求，为客户提供专属网络服务。尊享：通过对基站、频率、核心网等专建专享，为企业构建专用5G网络，提供高安全性、高隔离度的尊享定制化网络服务。初步业务规划如下，地铁业务主要分为以下四种：1、关键业务低带宽承载地铁内部的生产数据，需要通过地铁内部专频专网进行严格隔离。目前地铁已有的内部车控系统承载在LTE-M的系统上，带宽在10M（1785M-1795M），主要传输列车的控制信息，列车车厢各种传感器数据，车辆调度信息，可以按照以往系统设计和部署，业务承载于全线。5G专网可以作为第二备份网络，通过RB资源预留的切片方式提供给地铁使用，短期可以承载在2.6G的网络上，远期可以承载在4.9G网络上。一旦地铁系统出现问题，可以迅速切换到5G专网。2、关键业务高带宽承载随着列车智慧化的发展，列车上的数据需求扩大，需要传输一些高带宽数据。如视频数据为列车控制系统的一组生产数据。司机驾驶室的视频，列车自动驾驶的视频控制数据，需要额外的带宽来进行承载。目前地铁使用的频谱资源带宽较高，实现连续覆盖难度很大，成本很高。从实用性考虑需要与移动联合规划一张5G专网。承载关键业务及关键数据，初期通过基于2.6GHz频段，快速上线5G网络，移动运营商可以通过切片的方式来开发应用，节省成本，远期如果数据量需求大，同时为了确保数据自主，业务独立，地铁可以自建5G核心网，频段优选4.9GHz频谱，与运营商进行5G网络共建共享。该频谱可以针对行业应用实现上行多时隙配比。3、非关键承载业务宽带通讯类除关键生产数据外，地铁还有大量的非关键业务存在。目前都没有进行统一的规划。如车站的应急通讯视频摄像头，集群通讯系统，所需要使用的大量终端和视频传输，地铁建设可以考虑与运营商合建的模式，由运营商建设网络，共享频谱，地铁采用租赁带宽服务。运营商建设的这张网络，还可以对普通乘客信号覆盖进行共享。4、非关键承载业务泛链接类非关键生产类的链接，对带宽需求较小的，可以利旧运营商网络，实现IOT链接。如地铁车站未来要部署的广告屏控制系统，地铁车载的灯光感应器，各种环境感应器等。目前运营商4G网络生态成熟，覆盖完善，大量非关键链接可以通过物联网卡形式承载在4G网络中。地铁不需要独立建网，可以将这部份链接的容量需求以网络服务租赁的形式解决。综上所述，地铁需要根据自身业务的重要性来规划好业务可以承载的不同网络，与运营商进行配合，资产共享，建设一张融合多元化的智慧网络。5G网络隧道覆盖方案现有隧道的5G覆盖改造、现有隧道的覆盖现状轨道交通大部分情况下在地下的隧道中运行，属于封闭的空间，地面上的移动通信网络信号无法穿透，目前一般采用泄漏电缆（也称漏泄电缆，简称漏缆）专门覆盖。漏缆是在同轴馈线的结构上，以一定的形状和间隔开槽，使信号在沿漏缆传输的过程中通过槽孔向外辐射或接收电磁信号。漏缆需要挂装在合适的高度，槽孔朝向列车方向。现有隧道的2/3/4G覆盖，一般采用2根13/8型漏缆。由于传输能力的限制，漏缆会以一定的长度为断点（如500米），在两端分别将RRU的信号馈入。为了能支持不同运营商的多个频段的信号同时在漏缆上传输，需要通过POI（多系统接入平台）将各频段的射频信号合路之后，再分别向左右两个方向的漏缆馈入。典型的漏缆覆盖方案示意如下图所示。RRU(2T2R)RRU(2T2R)RRU(2T2R)POI-2POI-1POI-2POI-1图3-1传统漏缆覆盖方案示意图、5G改造方案目前已安装的13/8漏缆可以支持到2.6GHz频段（部分可能只支持到2.5GHz频段）。对于中国移动，若漏缆支持5G频段，只需要在断点处接入5G信源，同时替换POI即可（原POI的2.6GHz只支持60MHz带宽）。若漏缆不支持5G频段，建议新建漏缆。新增新增馈线替换替换漏缆已有BBU+RRU5GBBU+RRU图3-25G漏缆改造方案（中国移动2.6GHz频段）对于中国电信和中国联通，由于5G频段为3.5GHz，现有的漏缆无法支持，需要新增或替换成可支持3.5GHz频段的5/4型漏缆。地铁隧道对工程改造有较严格的限制，且地铁自身的通信等系统也需要采用漏缆覆盖，现有的空间等条件往往很难支持漏缆的替换或新增。因此，对于不支持5G频段的漏缆，隧道的改造可以采用更为经济便捷的天线方案。天线在有限空间范围内更有优势，但在地形复杂区域（如隧道多弯道和上下坡）的小区带宽能力、安全性、可靠性、toB业务支持能力相对较弱，建议结合具体实际情况选择使用。地铁隧道天线方案针对隧道的狭长特点和低风阻的安全要求，采用定向性强的端射型天线是较为理想的选择，典型的如八木天线。为了支持多流能力，产业界推出了四通道八木天线，通过集成2个双极化八木天线阵列，实现了对4T4R的支持。采用八木天线方案时，只需要将RRU和天线用跳线连接，无需POI合路，施工较为简单。地铁隧道的施工有严格的时间窗口，运营的地铁隧道每天可入场的时间更是非常有限（如1-2小时），而漏缆需要安装大量卡具，导致工程周期很长，人工成本很高；而天线本身轻便，施工点位少，一次进场即可完成，因此可大大降低安装成本，与漏缆相比成本可降低90%以上（不包括信源和配套）。需要指出的是，由于八木天线带宽不高，对于不同运营商的5G频段，可能需要多个八木天线才能覆盖。对于较大的拐弯，天线辐射的信号难以覆盖拐弯后的部分，此时需要通过天线拉远的方式，在拐弯处增加天线点位，以保证拐弯后的覆盖。8T8R8T8R信源图3-3地铁天线覆盖方案针对现有八木天线方案增益不高且近点存在“塔下黑”弱覆盖的问题，中国移动研究院推出了新版地铁天线，通过高增益馈源振子等创新设计将天线增益提升了2.5dB以上，理论上覆盖能力扩大了20%；同时通过增加第三极化改善了对近点的覆盖，可以有效扩大天线的覆盖距离，降低整体建设成本。新建隧道的5G覆盖方案1、漏缆覆盖方案对于新建的隧道，覆盖方案的选择有更大的灵活性。对于漏缆方案，如果隧道支持挂装四缆，有几种可能：一是建设4根5/4型漏缆，三家运营商可以共享使用，各家的5G频段都可以支持4T4R；但由于不同运营商的不同频段之间存在相互干扰的可能，需要在频段分配上谨慎配置。另一种可能是，由于5/4型漏缆在2.6GHz频段的性能不如13/8型漏缆，中国移动选择建设2根13/8型漏缆，中国电信和中国联通选择共建共享2根5/4型漏缆。此时，电信和联通的5G仅能支持2T2R，移动可以通过再共享2根5/4型漏缆实现4T4R，但需要付出更高的租金成本。还有一种可能是，隧道空间有限，仅支持建设2根漏缆，或者在客流量相对较低、容量需求不高的郊区隧道，为了控制建设成本只建设2根漏缆，此时为了兼顾三家运营商的5G频段，需要选择5/4型漏缆。2、天线覆盖方案除了漏缆覆盖方案，新建隧道也可以采用八木天线方案。为了比较不同建设方案，下表从成本等方面进行了分析。表3-1漏缆方案与天线方案的比较天线覆盖方案漏缆覆盖方案建设成本无需POI，成本不及漏缆的10%（考虑安装）需POI合路，漏缆安装成本较高施工难度跳线连接，一次进场即可完成沿隧道挂架部署，需多次进场施工，周期长支持频带工作于窄频，可支持4.9GHz频段工作于宽频，但无法支持4.9G频段小区容量4MU支持4流，信号稳定，单小区容量高，但漏缆覆盖无法区分终端位置，小区性能提升难手段有限场景适应隧道转弯时覆盖受影响，需增加点位不受隧道转弯影响网络性能覆盖信号强度不均衡、速率不稳定，近点远点波动性大覆盖信号强度均衡、速率稳定，近点远点波动性小安全天线风阻大，容易掉落迎风面小，固定牢靠2B网络性能稳定性差，单小区容量小，2B业务支持度差网络性能稳定，单小区容量大，2B业务支持度好对于更高的频段，如4.9GHz，目前的5/4型漏缆也无法支持。此时仍可采用天线方案，只需要在八木天线中增加相应的4.9GHz阵列即可（或单独增加4.9GHz八木天线）。实施相对容易，可根据网络容量需求分阶段改造，这是采用天线覆盖的优势所在。漏缆方案与天线方案各有特色，适用于不同隧道环境，使用时应因地制宜，结合不同城市的不同线路，综合考虑业主的具体需求制定覆盖方案。城市轨道交通5G专网建设方案5G专网用户均为行业用户，普遍需要安全、可靠、定制化的网络能力。为了降低5G网络时延而引入的边缘计算，就是将5G网络许多控制权限下放到网络边缘，网络结构上就类似一个个局域网络。5G的网络切片技术，则主要针对不同的业务应用，进行网络资源的切片化处理，在网络结构上也完全类似于一张张独立的专网。运营商给地铁建设5G专线和专网，已经可以将MEC部署在地铁，UPF下沉到线路，只有信令部分会回到运营商的核心网。地铁专网规划：现有网络资源：地铁业务应用需求带宽分析：商业模式服务租用向运营商租用“融合专网”服务，网络设备资产归运营商，向运营商支付以下费用：一次性费用：专网建设费按月支付：业务流量费ICT集成：末端业务应用集成费、应用终端设备（非网络设备）采购费优点：按需付费，网络资源成本由运营商承担缺点：无法灵活调配网络资源，需要按业务申请流程甚至升级改造，周期长。频谱租用，代建代维向运营商租用各个频段频谱带宽，网络设备资产归甲方（地铁），运营商代建、代维，需要向运营商支付以下费用：一次性费用：专网建设费按月/年支付：频谱带宽租用费、网络维护费ICT集成：末端业务应用集成费、应用终端设备、网络设备采购费优点：租用固定频谱带宽，保障自有业务需求带宽，方便业务的启动与调配。缺点：业务闲时、忙时产生的网络资源闲置成本过高，无法动态调配。网络设备的维护成本高，属于“重资产”模式。城市轨道交通5G网络切片方案5G网络切片原则5G网络切片是5G时代面向垂直行业基础业务形式，实在其统一物理设施实现多种网络服务并提供多级隔离与安全，降低运营商建网成本，满足垂直行业多种场景按需、敏捷建立网络的需求。5G端到端网络切片按网络资源灵活分配及网络能力按需组合，基于一个5G网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。每个端到端切片均由核心网、无线网、传输网子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理。图3-4端到端网络切片架构图实现城市轨道交通5G网络全覆盖，对于列车调度、监控以及巡检提出了更高的要求，通过5G网络覆盖，将为公安通信、地铁调度通信、普通公众通信提供全面的通讯以及个性化服务。对于城市轨道交通的网络部署及运营方案，总结而言即以一张5G物理网络为基可靠性等基础上，实现现有多网络、多业务系统在5G网络上的整合，打造5G智慧地铁应用模式，提高地铁运行安全性和运营效率。切片组网方案通过网络切片方式实现不同业务的5G专网承载，拟分成三个切片：采用视频监控等公安通信类业务为eMBB切片1，PIS下行以及智能巡检等地铁专用通信类业务承载在eMBB切片2，乘客移动通信等民用通信业务承载在eMBB切片3。如下图所示：图3-5切片组网方案5G端到端切片是无线、承载和核心网子切片的排列组合，需完成所有子切片对接，贯通整个业务流程，从无线、承载到核心网，根据SLA、成本、安全隔离等需求采用相应的切片实现方式。在无线侧，无线子切片支持无线资源共享、无线优先级保障、无线PRB资源预留、独立载频以及独立基站等共享模式，隔离程度依次提高；在承载侧，承载子切片支持VPN共享、VPN隔离、FlexE管道隔离等模式；在核心网侧，核心网子切片支持多种共享类型进行灵活的组网。其一是用户面和控制面网元都不共享，其安全隔离高、对成本不敏感，其二是部分控制面网元共享，用户面和其他控制用户面网元不共享，隔离要求低，对成本敏感。结合城市轨道交通各项业务的网络SLA及安全隔离等需求，中高隔离的eMBB切片即可满足要求，即无线侧采用PRB资源预留，承载网侧采用VPN隔离，核心网用户面独占，控制面共享。切片方案规划城市轨道交通由于其应用场景和业务的特点，在5G网络建设上需要兼顾业务质量体验和数据安全，通过5G网络切片技术结合MEC本地分流实现业务质量和安全保障。下图为城市轨道交通网络切片方案示意图。5G端到端切片包括无线侧PRB资源预留、承载侧VPN逻辑隔离以及核心网侧用户面独占，控制面共享。MEC下沉到本地UPF图3-6城市轨道交通网络切片方案1、基于PRB预留的无线子切片独享部分公网无线空口资源如图所示PRB资源预留即将无线空口侧资源从时、频、空域维度划分为不同的物理资源块(PRB)，不同切片的数据(DRB)承载映射到不同的物理资源块(PRB)，实现物理安全隔离，互不影响。各切片所需的PRB可以按频域或总资源百分比进行切分和预留，颗粒度1%，对应的调度方式分为静态/动态共5种模式，独占资源部分即专享的空口资源。另外还有优先、正常、禁止调度区域，丰富的模式可以适配各种业务的差异化需求。地铁业务切片使用基于PRB预留的无线子切片，独享部分公网无线空口资源，提供类似于专用无线频谱资源的硬隔离，在网络隔离能力、确定性上有明显提升。图3-7无线PRB资源预留2、MEC本地分流实现数据不出地铁，保证数据端到端安全如图所示，MEC本地分流实现数据不出地铁，保证数据端到端安全主要有三个方面，第一，接入认证，包括主认证和切片二次认证，保证用户合法接入，同时双向认证保证用户和网络之间的相互可信；第二，严格定义数据访问权限，防止接入用户的非授权访问网络切片；第三，地铁数据走VPN专线不出虚拟专网，不出地铁，对地铁高价值资产数据，在空口、UE和MEC之间还可以使用IPSec/TLS等安全传输方式，对需要保护的信息进行机密性和完整性保护，同时MEC内部边界做安全隔离。信道测量与建模

图3-8MEC本地分流5G城市轨道交通传播场景5G城市轨道交通通信场景有别于传统蜂窝网络和铁路专用通信网络，差异主要来源于两方面：首先，城市轨道交通的线路和车站大部分都位于地下，这与常规铁路线路多位于地面和空旷环境存在显著差异；其次毫米波等5G新技术的引入为城市轨道交通通信系统带来性能提升的同时，也带来了天线形式、频段、覆盖范围等方面的全方位变化，这显著影响通信场景的分类。具体而言，常规铁路传播场景可以被分为高架桥、路堑、隧道、车站、城区、郊区、乡村、水域、山区、沙漠、车厢内和混合场景等多种类型。对于城市轨道交通场景，也会存在高架桥和路堑场景，但差异在于城市轨道交通中的高架桥和隧道往往是与城区环境相结合，这与常规铁路中存在大段独立的路堑和高架桥、且多位于郊区和乡村的情况明显不同。而隧道/地下场景为城市轨道交通较为常见的场景。此外，城市轨道交通中的车站应区分为地上车站和地下车站两类。另一方面，对于车站等大带宽、高容量的场景，有望通过毫米波来满足超高速率以及低时延的需求，并实现在普通宏基站基础上附加微基站的混合部署方式。不同频段或阵列尺寸导致的小区半径尺寸的差异也会影响无线传播场景的分类。综合上述因素，在本白皮书中北京交通大学团队率先提出了如下城市轨道交通传播场景的分类方案：高架桥-城区混合场景、路堑-城区混合场景、隧道/地下、地上车站、地下车站、地表城区共六类典型场景，以及宏基站和微基站两类特殊情况。各类场景的典型特点和场景示例分别如表1和图1所示。表3-2城市轨道交通场景划分场景种类列车移动性场景封闭性用户密度高架桥-城区混合高开放适中适中路堑-城区混合高半封闭高适中隧道/地下高封闭极高适中地上车站低半封闭高高地下车站低封闭高高地表城区高开放适中适中高架桥-城区混合 路堑-城区混合 隧道/地下 地上车站

地下车站图3-95G城市轨道交通典型场景分类示例图

地表城区 信道测量与统计性建模建立一套安全可靠的无线通信系统是保证城市轨道交通安全运营的关键。无线通信系统的设计离不开对相关环境中电波传播机制和信道特征的准确表征和建模，准确的信道模型是5G城市轨道交通无线通信系统设计的基础。统计性信道建模长期以来得到广泛关注和使用，其通过在典型传播场景中开展信道测量，采集信道数据并开展统计分析，提取并归纳出反映传播特征的各类信道参数的统计特性，结合统计分析结果建立准确的信道模型。对于面向5G的城市轨道交通信道建模，由于与蜂窝网和传统铁路在场景上存在显著差异，当前缺乏针对性的信道测量，对于5G城市轨道交通中几类典型场景下多径的分布规律、传播机制与特征、信道的衰落特性与时变特性、传播损耗变化规律等均缺乏系统性的研究。当前主要可基于一些轨道交通场景下的信道测量与研究工作获得对城市轨道交通传播场景中信道特征的初步了解，例如在高架桥环境中开展的宽带信道测量、在路堑环境中开展的宽带信道测量等。此外也存在一些针对城市轨道交通典型场景的测量，例如地铁地下车站场景的5G大规模MIMO测量、针对地铁隧道的测量等。无线信道测试中获取的大量实测数据可以作为信道参数的提取、分析、信道建模和通信系统仿真的基础。部分上述典型测试场景如图2所示。高架桥 路堑地下车站 隧道 图3-10城市轨道交通典型场景信道测量示意图基于人工智能的信道特征提取与建模随着信息技术的飞速发展，智能化技术的全面化普及，5G城市轨道交通通信技术也面临着新的挑战。区别于传统的轨道交通通信技术，在5G通信技术的支撑下，智能城市轨道交通成为了新的研究方向。和传统轨道交通常见的城郊或桥梁场景不同，城市轨道交通的通信场景更加复杂多变，信道非平稳性更强，应用与业务更加多样化。因此，城市轨道交通5G而面对智慧城市建设，5G城市轨道交通信道建模研究也在逐渐发生改变，其重点存在三个方向：1、信道特征提取传统的轨道交通信道特征提取主要关注信道冲激响应在功率时延谱上的包络特征，侧重于多径的时延与功率参数的估计，在5GMassiveMIMO系统中需关注多径的角度域参数估计。城市轨道交通5G智能通信的发展一方面对传统信道参数（如时延、角度、功率及多普勒）的提取精度提出了更高的要求，另一方面还需要借助人工智能技术实现对信道高阶特征参数的提取，例如功率时延谱削度等特征，为后续进一步数据处理及智能化算法设计提供支撑。由于城市轨道交通场景复杂，且发射端常处于高速移动状态，信道动态变化快，非平稳性强，由此引起多径生灭的快速变化，为信道特征的提取带来更多挑战。但是由于轨道交通设施移动路线固定，信道中部分主导性反散射体的出现往往呈现一定规律，例如城市轨道附近的建筑楼宇以及特殊的地势地形等。在对此类信道特征进行提取时，其时域上的可追踪性可以有效提高信道特征提取的效率与准确性。2、信道场景识别城市轨道交通移动性较强，环境复杂多变，不同通信场景常具有不同的通信业务特点与需求。为了满足上层通信资源调度的准确分配，需要针对不同通信场景分别开展建模分析，并及时判断列车当前所处的信道环境。传统的信道场景识别，主要是是针对视距传播与非视距传播场景进行识别。而城市内部复杂多变的环境就需要进一步对场景进行细化（例如高架场景、隧道场景、车站场景等典型传播场景），基于人工智能技术提取分析信道高阶特征参数，对当前信道环境进行准确识别。由于城市中的典型信道场景一般具有各自鲜明的物理特征，因此采用人工智能、大数据等技术对信道特性开展深入挖掘与特征分析，可以实现更加具体的5G城市轨道交通场景动态识别。3、信道建模在更高精度的信道特征和更加细致的信道场景分类支持下，未来有望建立更为准确的5G城市轨道交通信道模型库。受到城市内高复杂度、高动态环境的影响，城市轨道交通信道往往呈现较强的非平稳性。但是轨道交通本身存在轨迹固定的特点，因此可基于对具体通信场景中信道特征的准确把握，建立更为准确的5G城市轨道交通信道数据库和模型库，借助人工智能技术实现信道的精准实时预测，支撑未来5G城市轨道交通信道仿真和通信系统设计。基于RIS的5G城市轨道交通信道建模基于5G通信技术的信息传输速度在4G技术的基础上有效增强，移动通信趋向于更为稳定、高效。5G构智能面（ReconfigurableIntelligentSurfaceRIS）技术得到了广泛关注，它可以在平面上集成大量低成本的无源反射元件，智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高城市轨道交通无线通信网络的性能。1、提升城市轨道交通场景无线覆盖5G城市轨道交通场景的高效覆盖是目前亟待解决的难题。相比于一般的室外场景，城市轨道交通环境更为复杂，对于5G网络无线覆盖也提出了更高的要求。城市轨道交通包括诸如站厅、站台和隧道等封闭式非视距传播场景，用户密度较大，流动性较强，信号覆盖往往存在较多盲区。在这种情况下，可利用RIS辅助的通信系统来扩展城市轨道交通5G通信的覆盖范围，如图3所示。将RIS部署于建筑物表面对其反射信号进行精准控制，使其绕过障碍物并经过RIS反射到达用户，从而在基站和用户之间建立虚拟视距，实现基站与用户之间可靠、高速的通信。图3-11城市轨道交通中用户在盲区示意图2、增强列车与列车间通信未来5G通信技术将更加广泛地应用于列车控制系统，而基于5G实现列车-列车直连通信将成为提升列车控制效率与可靠性、进一步保障城市轨道交通安全运营的有效手段。然而，列车-列车通信面临的传播环境更为复杂、通信传输条件更加多变、视距传播更加难以保障。因此，可以利用RIS技术提升列车-列车通信的有效性和可靠性。图4是将RIS应用于列车-列车通信中的无线传播环境几何抽象示意图，可在城市轨道交通等封闭环境中基于规则几何理论开展基于RIS的列车-列车信道建模与仿真研究，为融合RIS的5G城市轨道交通通信系统设计提供支撑。图3-12基于RIS的列车-列车通信信道几何传播抽象示意图UAV辅助下的5G城市轨道交通信道建模无人飞行器（UnmannedAerialVehicle，UAV）能够作为空中基站或中继为城市轨道交通5G应用提供灵活性的通信支撑，包括列车无线服务、宽带互联网、地面基站/接入点的回程通信等。UAV辅助下的典型城市轨道交通5G应用环境如图5所示。在实际应用中，UAV能够在三维空间中运动，有效地支撑城市轨道交通各类复杂场景下的覆盖扩展和数据传输。需要指出，UAV特殊的移动属性、较高的垂直高度、自身的特性会对通信产生显著影响，例如：机身的转动、偏航和倾斜等。因此，传统陆地移动通信的信道模型不能直接应用在UAV通信中。为了准确设计与评估基于UAV的5G城市轨道交通通信应用，深入研究其信道特性是必须的。图3-13UAV辅助下的城市轨道交通5G应用场景示意图由于UAV能够在三维空间中运动，UAV的实际运动轨迹往往具有较大的随机性。北京交通大学团队对此问题开展了深入研究，针对UAV通信场景，提出了一种基于三维几何结构的随机信道模型。该模型综合考虑了地面与路边的散射能量，以及UAV终端运动轨迹对通信信号传输的影响。为了使UAV的运动轨迹更加符合实际场景，采用三维高斯马尔科夫过程来刻画UAV的运动状态。该模型指出UAV的速度与运动方向的变化会对无线信道的统计特性产生较大影响，上述因素引起的非平稳效应会对UAV通信系统的性能产生较大影响，相关模型可应用于UAV辅助下的5G城市轨道交通信道仿真与特性分析。此外，当UAV遇到恶劣天气以及阵风时，悬停的UAV北京交通大学团队对此问题开展了研究，针对UAV空-地通信场景开展了规则几何信道建模。该模型探究了UAV旋转对信道特性的影响，并将UAV旋转建模成正弦过程。该模型指出即使UAV的旋转幅度非常小，也会对信道特性产生较大影响，信道的相干时间会随着UAV旋转幅度的增加而增加，相关结论可用于5G城市轨道交通中融合UAV的通信系统设计与传输性能分析。未来融合UAV的5G城市轨道交通通信中，为了进一步提升通信系统的性能，可能需要采用频率资源更加丰富的毫米波频段，此时除了路径传输损耗，还需要考虑大气、雨、雾等因素对电波传播的影响。由于该类通信场景传播环境复杂，信道建模的难度更大。当前虽然已有部分研究探讨过自然环境因素对信道特性的影响，但针对UAV高频信道的应用依然缺乏深入、系统的特性分析与模型开发。此外，RIS技术未来也有望与UAV技术相结合，进一步提升5G城市轨道交通通信系统性能。当前大多数研究主要集中在将RIS部署在建筑物的表面或室内墙上，未来需要将RIS部署在UAV上，通过开发融合RIS技术的UAV无线信道模型，将为未来构建新型城市轨道交通5G通信系统提供重要支撑。波形与多址技术面向城市轨道交通场景的5G波形技术在目前的城市轨道交通的建设与维护中，民用通信与专网通信多网业务共同存通信系统的性能产生重大影响。例如，频段相邻的系统会造成相应的阻塞干扰。另更高，从而产生了系统内部和系统之间的干扰。目前，5G提出了多种新型的波形技术，包括滤波正交频分复用技术（FilteredOFDM，F-OFDM）、正交时频空间（OrthogonalTimeFrequencySpace，OTFS）等。针对城轨场景中存在的挑战，新波形技术可以利用其各自的优势进行解决。F-OFDM图3-14：F-OFDM系统框图F-OFDM可以看作是标准的OFDM的一种扩展，通过在发射机和接收机分别使用一对发射和匹配滤波器，如图3.6-1所示为F-OFDM的系统框图。在F-OFDM中，可以放松同步的要求，降低保护带宽，提高频谱利用。与传统的OFDM相比，它将整个频段可以分成不同的子频带，每个子带可以使用不同的滤波器，子载波间隔，CP长度和IFFT尺寸。如此，F-OFDM可以支持灵活的参数配置，使其可以在城市轨道交通场景中支持不同网络，实现多网多业务融合。在F-OFDM中，设计合适的滤波器是实现基于子带的滤波并最大化F-OFDM优势的关键。通常，滤波器的设计需要涉及到时域和频域之间的权衡，同时也要考虑实现的复杂度。通过滤波，F-OFDM可以抑制城市轨道交通场景中多业务间邻带频谱泄漏所带来的阻塞干扰。OTFSOTFS是一种在时延多普勒（DelayDoppler，DD）域中设计的新型的二维调制方案，通过该方案可以获得接近恒定的信道增益和全分集。由于DD域信道表示的稀疏性，它减少了信道估计和信道均衡等物理层自适应方案的开销。OTFS在进行数据传输时，用户首先将数据映射到DD域平面DD上，记为x[,]。随后，用户通过逆辛有限傅里叶变换（InverseSymplecticFiniteFourierTransform，ISFFT）操作将x[,]映射到时频域平面TF上，表示为1N1M1

j2nm X[n,m] x[,]e 00

(3-1)与OFDM相比，OTFS对高多普勒扩展的信道具备更强鲁棒性。针对未来城市轨道交通更高的运营速度，OTFS能够缓解由多普勒频移产生的对系统性能的影响。面向城市轨道交通场景的5G多址技术目前，世界轨道交通发达国家已相继提出智能化发展战略，智能轨道交通已成为新的增长点与竞争点。实现智能化需要大规模传感及监测设备收集海量数据，而先进的多址技术是使能海量连接的关键。目前5G研究了多种新型多址技术，包括稀疏码多址接入（SparseCodeMultipleAccess，SCMA）、多用户共享接入（Multi-UserSharedAccess，MUSA）以及串联扩频多址接入（TandemSpreadingMultipleAccess，TSMA）等。1、SCMA在SCMA上行链路的系统中，每个用户分配有各自的码本，每个用户选择其中的两个资源块进行映射，即不同码本零的位置是不同的，从而可以有效的避免冲突，同时不同资源块又有各自的星座映射图，两个资源块的信息不同但是却相互关联，最后所有用户的数据进行编码后叠加发送。SCMA的接收端主要由三部分组成：信道均衡器，多用户检测器和纠错译码器。信道均衡器的目的是补偿信道衰落和多径效应带来的码间干扰，多用户检测器主要是利用消息传递算法（Messagepassingalgorithm，MPA）区分不同用户的信息，纠错译码器主要是进行信道译码。2、MUSA在MUSA中，每个用户的调制后的数据符号采用特殊设计的序列进行扩展，而后每个用户的扩展符号采用相同的无线资源进行传送。在基站侧，接收机采用串行干扰消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC）技术从叠加信道中对每个用户的数据进行解码。MUSA中特殊设计的分布序列用于确定多个用户和系统间的干扰，需要具有相关性低且非二进制的特点，同时考虑SIC实现的复杂度，因而短的伪随机序列是一个选择。发...发...信道编码射机...编码信道段编码调制段编码调制预补偿预补偿信道接...信道编码收机...信道段解码解调 解扩用户识别编码段解码解调解扩图3-15.TSMA的收发机设计TSMA是一种新型的用以解决未来大规模机器通信（MassiveMachineTypeCommunication，mMTC）中大规模连接与有限的无线电资源这一矛盾的物理层多址接入技术。TSMA的收发机如图3.6-2所示，它将用户数据包进行分段，并利用多个的正交扩频序列串联地对不同的数据段进行扩频，从而使有限的正交扩频序列形成大量的不同的组合形式来分配给大规模的机器用户。TSMA通过特定的算法来筛选相应的序列组合以形成一个码本，该码本中序列组合具有一定的特性，使其能保证在大规模连接用户进行零星匿名上行传输时用户识别及数据检测的性能。TSMA的优势在于其支持的连接数可以远大于无线电资源的数量，从而能够支持未来城铁物联网中海量的传感设备传输。其次，TSMA可以在大规模连接中实现可靠接入，能够使能未来关键城轨业务信息的传输。最后，TSMA通过结构化设计码本，使系统性能可以通过相应参数推导得出，从而方便了上层设计。面向城市轨道交通场景的5G波形技术与多址技术结合尽管已有多种面向5G的波形技术及多址技术，但针对城市轨道交通自身的业务及场景特性，目前还没有有效的方案来考虑5G波形与多址技术结合应用的问题。因此，如何将波形与多址技术进行有机的融合以克服现有城市轨道交通中存在的通信问题，或满足未来智能城市轨道交通的需求，就具有一定的必要性及紧迫性。时变信道估计技术对于城市轨道交通无线通信系统，接入网中时变无线信道参数获取是其关键技术发送数据时信道参数可能已经变更，发送端需频繁发送导频信号才能满足信号检测所需的估计精度。此时密集导频插入占用过多数据传输资源，降低有用信息速率。为简化估计参数及提高估计精度，一般采用两类模型将时变信道估计转化为有限参数的估计：一类为基扩展模型（BasisExpansionModel，BEM）；另一类为自回归模型（Auto-regressiveModel，ARM）。BEM模型将一段时间内的时变信道用有限个基函数的线性组合来描述，可模拟含多普勒效应的快时变信道，减少直接估计信道参数的次数。AR模型计算过去时刻的信道线性加权组合来预测未来信道变化特性。文献[2]针对点到点通信系统的时变频率选择性信道，利用复指数基扩展模型逼近时变信道，设计信道估计算法，并指出最优导频是前后为0中间为1的序列。文献[3]针对天线通信系统的多天线时变信道，利用复指数基扩展模型来逼近时变信道，并利用时域信道稀疏特性结合压缩感知技术设计估计算法。文献[4]针对无线中继信道BEM时变信道进行估计，并设计最优导频。文献[5]利用AR模型来表示时变信道，采取卡尔曼滤波（Kalmanfilter）法迭代估计信道参数并检测信号。文献[6]利用了轨道交通场景行驶路线固定和行驶速度可预知的特点，挖掘了基站天线到列车天线间的历史信道统计信息来获取独特特征向量基矩阵（Eigenvector-BEM）进行时变信道估计。与传统的估计算法相比，该方法在轨道交通场景能有效提高估计精度。大规模天线（massiveMIMO）是5G通信系统的关键技术之一。对于轨道交通场景下MassiveMIMO系统，无线信道估计是著名难题，需要解决快速时变信道、超大规模信道参数、导频污染三大挑战。目前研究多数假设信道准静态，对于时分双工（TimeDivisionDuplexing，TDD）模式，利用信道互易性，即通过上行信道估计获取工（FrequencyDivisionDuplexing，FDD）模式，信道互易性不再成立，此时可以采相关特性来减小有效信道维数[7]，也可以结合阵列信号处理理论从角度域出发来减少待估计的信道参数[8]。切实可行的快速时变大规模信道估计或者跟踪算法还有待研究。此外，随着轨道交通智能化及无线通信系统高速化发展，以毫米波（milimeterWave，mmWave）及波束赋形技术（Beamforming）为支撑的5G智慧轨道交通网络应运而生。针对mmWave及Beamforming等5G关键技术的信道估计方案是亟待解决的难题之一。在波束域基于mmWave的massiveMIMO系统中，当接收机射频链数受限时，信道估计问题复杂度极高。文献[9]基于神经网络思想提出一种基于去噪近似消息传递网络，从大量的训练数据中学习信道结构和估计信道。文献[10]利用mmWave信道空间频率相关性，提出一种基于深度卷积神经网络的信道估计算法以提高估计精度及降低导频开销。文献[11]挖掘信道固有的稀疏特性，提出了一种低复杂度的稀疏信道估计算法。该算法从噪声空间中分离出信道采样基于传统的离散傅里叶变换信道估计，使问题简化为估计信道抽头系数，大大降低计算复杂度。文献[12]在讨论mmWave波束偏移与空间宽带效应关系的基础上，针对具备混合模拟/数字预编码FDD毫米波大规模天线系统，提出一种基于压缩感知的算法提取上行信道频率不敏感参数（达到角和时延）及频率敏感参数（复信道增益），并利用信道互异形简化下行信道估计复杂度。具备低复杂度及较高精度的实时mmWave信道估计算法还存在大量研究空间。最后，新型反向散射技术的兴起[13]和智能反向散射表面的发展[14]正不断提升切换技术考虑轨道交通场景下的带状的C/U解耦5G网络架构。宏覆盖采用Sub6G频段，主时，发生频繁的切换。我们把几个射频拉远单元直接用光纤连接，组成一个超级小区，这样不仅扩大了覆盖范围，也有效解决了频繁切换的问题。避免信号的穿透损耗和解决群切换的问题，我们在车顶装一个中继，来帮助乘客在火车运行中连接无线接入点或宏基站。无线接入点和中继通过有线链路连接。通过这种方式流动乘客的管理也可以简化。图3-16轨道交通场景下C/U解耦网络架构模型由于轨道交通场景下终端的移动轨迹易于预测，避免高速移动导致切换失败率高的问题，采用灰色模型(GM)对切换点进行预测以解决切换滞后的问题。在超级微基站信道条件不好的时候，移动终端需要切换到宏基站来保证通信的连续性。考虑到宏基站和微基站发射功率的差别，引入一个权重α（α>0）来帮助用户选择目标基站，当宏基站接收功率大于微站1+α倍时，接入宏基站。切换方法包括优先级较高的同层切换和跨层切换。用Snei.s和SM型的接收信号强度预测值，Scur.s表示当前服务超级小区的接收信号强度。考虑到滞后作用，当同层邻基站或宏基站信号优于当前服务基站，此时触发切换。切换方法具体如下同层切换：如果满足Snei.s−Scur.s≥Hyst，其中Hyst是切换阈值，则切换到目标超级微基站。基站信道条件不好时，用户应及时切换到宏基站。大规模天线技术大规模多天线（massiveMIMO）技术作为5G的物理层关键技术之一，同样也是城市轨道交通5G网络的物理层关键技术和关键挑战。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。从基站方面看，这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造，因此称为“波束成形”(Beamforming)。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其它方向扩散，从而可以将信号能量的时空分布与具体场景和通信的区域进行适配；与此同时，基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源，并且几十倍地提升网络容量。图3-17单天线与多天线形成的天线方向图面向城市轨道交通场景的5G系统在大规模天线方面需要解决的关键问题包括波束管理、混合波束的优化设计、低功耗的波束设计、天线形态的创新等。面向城市轨道交通场景的5G波束管理的离开和到达方向；在通信过程中，由于终端和环境的相对移动性而导致信道的变甚至是邻小区之间的波束切换。图3-18基站侧与终端侧通过波束管理保障通信链路的质量在城市轨道交通场景下，隧道为主的情况下导致无线信号的传播机理发生变化，因此根据终端位置等信息进行场景的有效识别，进而充分利用轨道交通的移动特性进行有效的波束管理是面向城市轨道交通5G系统的一个基本问题和基本技术方向。同时，考虑到终端侧具有加速度计等各种传感器，因此，利用传感器的数据辅助进行波束跟踪，是提高波束管理性能的有效途径。面向城市轨道交通场景的5G混合波束设计5G系统中鉴于射频链路的成本、功耗等因素，一般采用混合波束赋形（Hybridbeamforming）的架构，其等效链路如下图，核心涉及到两个部分，即数字预编码和模拟预编码。图3-19等效链路模拟预编码部分产生覆盖波束，并以SSBlock的形式周期性地广播同步信号，提供终端同步的基础，而数字波束部分则根据信道状态信息，提高具体数据传输阶段的性能，包括复用和分集增益。在城市轨道交通场景下，对模拟波束进行优化设计，涉及到两个基本的方面，即适配地形、业务需求等因素，通过场景识别，设计场景化的保障5G的有效覆盖，使得终端接入时延和接入成功率得以增强；协调周边基站，形成时空二维的有序覆盖，从而降低同频干扰，提高覆盖性能。对数字波束赋形的优化设计，也涉及到两个基本的层面，即同一个小区内协调模拟波束赋形，提高小区内的传输性能，其挑战在于模同时，通过小区间协作，降低干扰、提高传输效率是基本技术，同时考虑到CU/DU分离以及MEC服务器下沉的基础架构，在DU层面实现分布式的多小区协作传输是城市轨道具体5G系统性能突破、成本降低的一个重要突破口。面向城市轨道交通场景的5G低功耗的波束设计大规模多天线技术以及相关的毫米波技术在应用、部署之后的关键挑战之一是功耗。除基站所处环境，如空调、机房监控设施等设备的功耗之外，基站本身的功耗主要包括BBU和AAU的功耗。BBU主要负责基带数字信号处理，比如FFT/IFFT，调制/解调、信道编码/解码等。AAU主要由DAC（数模转换）、RF（射频单元）、PA（功放）然后通过PA放大至足够功率后，由天线发射出去。随着收发（TRX）链路的增加，基站总功耗成倍增加。比如，大规模多天线面板的天线单元越多，每个天线单元都有PA和RF单元，TRX链路增加，同时BBU的计算功耗也随着TRX链路增加而上升，因此基站总功耗随之上升。影响基站功耗的主要因素为PA功耗、漏电功耗和芯片功耗。PA是基站发射系统的关键器件。射频信号必须经过PA放大获得足够的射频功率才能馈送到天线并辐射出去，因此PA是最耗电、效率最低的器件。为此，在实际部署的系统中需要从多个方面进行功率效率的提升。总体而言，包括如下几个方面。增强的射频功放非线性特性处理。随着PA输出功率增大并接近于饱和输出功率时，功放器件非理想特性导致非线性失真变大，从而严重影响信号传输质量。为了减少非线性失真，PA一般采用回退（Backoff）方式，即调低放大器工作点以确保输出功率操作在线性区，从而维持功放线性度。但回退操作降低PA功率效率，使得PA将功放非线性的影响综合反映在基带处理中，以数字预失真算法（DPD）等技术解决功放非线性是一种可行的方式，其挑战在于大规模天线的射频器件除了非线性特性之外，还存在显著的记忆效应与参数动态变化特性，特别是在高频情况下尤为显著。通过设备级、站点级和网络级三个方面实现节能，设备级主要包括器件、硬件设计等方面的硬件节能方案；站点级节能，主要包括亚帧、通道关断及深度休眠等软件节能方案；网络级节能，指从多网协调角度实现智能节能方案。设备级节能除了功放效率之外，重点解决数字器件的集成度和芯片处理能力。在芯片处理能力提升的同时，数字中频和基带处理部分需要进一步优化算法，降低处理复杂度，降低功耗。在站点级节能方面，主要通过亚帧关、通道关断、深度休眠、载波关断等方式实现基站能力与业务的适配，充分挖掘业务的时空动态特性以自适应地调整基站功率单元的工作模式、天线面板与天线射频链路的激活模式，以及基于部分带宽等机制的基带时频资源激活模式。下图给出了一种典型的天线通道关断方式实现基站天线与业务的适配机制。图3-20将部分射频链路关闭，实现大规模天线与业务的匹配网络级节能技术包括通过多小区协作传输（CoMP）技术实现多小区的功率联合优化设计实现干扰协调，从而降低网络功耗；通过多网协作技术，利用现网的配置、性能统计等基础数据，在保证业务质量的前提下对小区进行关断，以实现降低现网能耗的目标；通过高低频辅助传输实现信道测量、信道反馈、信道估计和波束设计的跨频段协作优化，以低频的传播优势与高频的带宽优势进行互补，形成一个综合优势的覆盖与传输网络。同时需要进一步探索基于人工智能与大数据的5G节能技术，研究智能的业务预测算法与系统干扰预测机制，提高针对每个小区、不同时间点的预测准确度，从而精细化制定相应的节能策略