2021城市軌道交通5G應(yīng)用技術(shù)白皮書

城市軌道交通5G應(yīng)用技術(shù)白皮書目錄前言 1城市軌交通5G絡(luò)求分析 2概述 25G業(yè)務(wù)景及求分類 4運營及護類用 4車地無通信應(yīng)用 7旅客服類應(yīng)用 9城市軌交通的5G鍵技術(shù) 135G關(guān)技術(shù)城市交通需匹配析 135G網(wǎng)隧道蓋方案 15城市軌交通5G網(wǎng)設(shè)方案 18城市軌交通5G絡(luò)片方案 20信道測與建模 24波形與址技術(shù) 31時變信估計術(shù) 34切換技術(shù) 35大規(guī)模線技術(shù) 36面向軌交通超可時延技術(shù) 415G網(wǎng)系統(tǒng)擾分析 43信息安全 44城市軌交通車5G蓋增強術(shù) 50城市軌交通5G用案例 525G地大數(shù)客流析 525G地智慧分定位 54基于5G絡(luò)的清視監(jiān)控 57基于5G絡(luò)的清視直播 61基于5G的地通系統(tǒng) 645G載PIS66基于5G的車狀數(shù)回傳 67城軌列基于5G的AI能交互用 675G邊緣MEC68地鐵云聯(lián)動揮系統(tǒng) 73基于5G網(wǎng)的VR-云戲 78總結(jié)與望 81城市軌道交通5G應(yīng)用技術(shù)白皮書城市軌道交通5G應(yīng)用技術(shù)白皮書PAGE65PAGE65前言人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等城市軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)需求分析概述隨著地鐵運營里程的增長，客運量的提升，地鐵在運營、維護、安防、調(diào)度等各方面均面臨更大挑戰(zhàn)。構(gòu)建智慧地鐵運營平臺，全面提升地鐵運營服務(wù)水平，是城市軌道交通未來發(fā)展的重要方向。通過對全國多個地鐵建設(shè)和運營公司的需求調(diào)研，地鐵無線網(wǎng)絡(luò)的需求痛點如下：1、目前地鐵自建專網(wǎng)的無線帶寬不足導致視頻無法回傳地鐵車載視頻主要分為兩個部分：第一部分在司機駕駛室，安裝多個攝像頭需要對司機行為進行監(jiān)控，確保安全運行。在列車自動駕駛階段也需要安裝4到6個高清攝像頭，對列車運行情況進行遠程監(jiān)控。第二部分在車廂內(nèi)，為確保乘客的安全，每節(jié)車廂分別安裝了4個攝像頭。在一些城市需要實現(xiàn)實時的視頻監(jiān)控，同時可以將獲得的視頻數(shù)據(jù)做進一步開發(fā)，判斷車廂擁擠情況安排乘客出行，幫乘客及時尋找丟失物品等。目前地鐵專網(wǎng)采用1800MHz的專網(wǎng)頻譜，帶寬最大只有20MHz，部分地鐵采用WIFI5.8GHz公有頻段實現(xiàn)部分隧道覆蓋，較難實現(xiàn)全線連續(xù)覆蓋，而且5.8GHz存在其他WIFI系統(tǒng)的干擾。因此，車載視頻回傳經(jīng)常出現(xiàn)卡頓，鏈接不暢，針對車廂內(nèi)的視頻攝像頭實時回傳更是無法實現(xiàn)，只能通過人工拷貝的方式完成。2、無線帶寬不足導致應(yīng)急通訊難在應(yīng)急狀況下，車站需要臨時搭建監(jiān)控系統(tǒng)，部署無線視頻攝像頭，并且與站外安保人員實時通訊。就當前地鐵的專網(wǎng)帶寬以及通訊方式，其中1800MHz專網(wǎng)采用TDD系統(tǒng)，帶寬最大20MHz，大部分地鐵只使用10MHz，目前集群通訊系統(tǒng)采用的800M頻段，帶寬6MHz，是無法實現(xiàn)多終端的視頻回傳需求。當前應(yīng)急狀況保障手段有限，只能采用對講機通過語音來保障。地鐵基本都是采用低頻集群通訊系統(tǒng)，目前400M/800M的集群通訊，地下喊不到地面，地面喊不到地下，不同線路制式不同無法互通，不同站臺400M無法互通。3、智慧列車狀態(tài)傳感器上傳需求隨著列車智慧化的改造，列車的狀態(tài)數(shù)據(jù)也需要實時上傳到后臺，以實現(xiàn)列車狀態(tài)的在線監(jiān)控，確保運行安全。當前列車編組8節(jié)車廂，大概有4000多個傳感器，需要同步傳輸海量數(shù)據(jù)。由于局限于1800MHz帶寬，目前TCMS的速率帶寬要求在未來隨著5G網(wǎng)絡(luò)提供額外的帶寬資源，TCMS的速率可以得到極大提升，將列車其他存儲數(shù)據(jù)實時上傳，如走行部，制動，弓網(wǎng)的波形文件數(shù)據(jù)等。對列車的智慧化運維帶來幫助。4、地鐵晚間隧道軌行區(qū)的安全巡檢隨著地鐵線路的延長，地鐵出行效率的提升，每晚的作業(yè)窗時間越來越短。為確保地鐵全線都能安全正常運行，每晚都需要安排人員下軌行區(qū)進行巡查。如某城市地鐵線每天晚上安排進入軌道的人員達3000名。為避免安全事故發(fā)生，人員巡檢區(qū)域做了嚴格限制，由某站進則必須從該站出，因此需要大批人員同時作業(yè)。而在隧道內(nèi)已經(jīng)覆蓋的5G網(wǎng)絡(luò)此刻沒有用戶，網(wǎng)絡(luò)呈空載狀況。如果部署智慧巡檢機器人替代部分人工對軌道引電弓巡檢，視頻利用空載的網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)實時回傳，會極大程度降低人員成本，也可以迅速完成全線的巡檢。5、大客流期間乘客刷碼進站需求地鐵站廳的無線網(wǎng)絡(luò)容量設(shè)計是有限的，一方面網(wǎng)絡(luò)扇區(qū)規(guī)劃已經(jīng)到達極限，無法再分裂，另外一方面是5G頻譜的引入困難?，F(xiàn)在越來越多乘客選擇手機掃碼乘地鐵，同時還會利用手機看視頻、玩游戲。在大客流時期，同時使用數(shù)據(jù)流量將導致網(wǎng)絡(luò)擁塞。若有乘客手機無法打開二維碼，該乘客就會不斷刷新產(chǎn)生重復的信令，進而對地鐵公司的客流組織、票務(wù)清分產(chǎn)生影響，造成經(jīng)濟損失。除此之外，地鐵大量設(shè)備機房也沒有無線信號覆蓋，無法通過無線網(wǎng)絡(luò)來承載物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用?？偨Y(jié)地鐵應(yīng)用帶寬需求如下表：表2-1城市軌道交通各專業(yè)帶寬需求（估算）部門應(yīng)用單鏈接上行單站鏈接需求總量安監(jiān)視頻對講終端2Mbps5（并發(fā)）10Mbps運營CCTV回傳2Mbps16（并發(fā)）32Mbps通號應(yīng)急視頻攝像頭5Mbps5（并發(fā)）25Mbps通號應(yīng)急通訊終端2Mbps10（并發(fā)）20Mbps票務(wù)應(yīng)急掃碼保障50Mbps1單站下行50Mbps運維軌行視頻8Mbps4（并發(fā)）32Mbps運維遠程維修8Mbps4（并發(fā)）32Mbps商業(yè)IOT廣告2Mbps10下行20Mbps5G業(yè)務(wù)場景及需求分類按照城市軌道交通應(yīng)用場景，我們將地鐵業(yè)務(wù)對于5G網(wǎng)絡(luò)的需求按場景分為以下幾類：運營維護類：包括安防、安檢、票務(wù)、設(shè)備管理、能耗管理、應(yīng)急處置等；列車運行類：包括列車運行控制（CBTC）系統(tǒng)、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)等；旅客服務(wù)類：包括軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）、車站室內(nèi)導航與定位、大數(shù)據(jù)客流分析等。運營及維護類應(yīng)用智慧安防應(yīng)用地鐵安防系統(tǒng)集成涉及系統(tǒng)面廣、監(jiān)控對象多、業(yè)務(wù)場景復雜，在安防系統(tǒng)建設(shè)過程中，充分利用5G高速無線網(wǎng)絡(luò)，滿足無線監(jiān)控視頻系統(tǒng)傳輸高清圖像在車站的大規(guī)模安裝和使用，突破有線網(wǎng)絡(luò)無法達到或布線成本過高的限制，使無線視頻監(jiān)控成為有線監(jiān)控的重要補充而廣泛使用，提升生產(chǎn)現(xiàn)場移動監(jiān)控和應(yīng)急處置指揮可視化能力，加強車站應(yīng)急指揮調(diào)度的高效便捷性。基于5G高清視頻回傳+AI視覺分析技術(shù)，實現(xiàn)車站智慧安防應(yīng)用，通過在站廳、站臺安裝的高清視頻監(jiān)控前端設(shè)備，實時采集站廳、站臺視頻/圖像信息并回傳至AI視頻智能分析云平臺進行存儲和分析處理。利用MEC邊緣計算、AI人工智能及計算機視覺技術(shù)對視頻信息進行處理、分析和理解，實現(xiàn)對站廳、站臺的遠程安防實時監(jiān)控，借助人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以開展高準確性的人臉識別、表情識別、人體態(tài)勢識別、物體識別等應(yīng)用，有利于預防和及時處置突發(fā)事件。超清實時監(jiān)控帶寬要求為上行50Mbps、下行1Mbps，平均時延<100ms，可靠性為99.99%。智慧安檢應(yīng)用建設(shè)智慧安檢集中判圖云平臺，在地鐵安檢通道，通過5G網(wǎng)絡(luò)將X光安檢機監(jiān)控數(shù)據(jù)及攝像頭視頻等信息實時回傳監(jiān)控后臺，實現(xiàn)前后臺的快速聯(lián)動響應(yīng)，方便后臺管理人員統(tǒng)籌地鐵站所有X光機安檢數(shù)據(jù)，并結(jié)合AI視頻分析能力，可快速定位危險物品及危險人員。帶寬要求為上行20Mbps、下行1Mbps，平均時延<20ms，可靠性為99.99%。智慧票務(wù)應(yīng)用以5G+AI人臉識別技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)刷臉過閘無感快速通行智慧應(yīng)用，大幅提高城軌票務(wù)業(yè)務(wù)的智能化水平，為乘客提供個性化、無感快速出行體驗。人臉過閘無感快速通行帶寬要求為上行20Mbps、下行1Mbps，平均時延<10ms，可靠性為99.999%。智慧能耗管理應(yīng)用借助5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車站能源狀態(tài)感知調(diào)控，支撐能源設(shè)備全面管控。5G網(wǎng)絡(luò)大帶助力能源移動化巡查。車站能源狀態(tài)感知帶寬要求為上行10Mbps、下行1Mbps，平均時延<50ms，可靠性為99.99%。車站設(shè)備管理應(yīng)用車站存在著大量復雜的各類設(shè)備（如閘機、TVM、電扶梯、站臺屏蔽門、照明、空調(diào)等），車站設(shè)備管理應(yīng)用結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、設(shè)備全壽命周期數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等，建立車站資源管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并與安防系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等對接，通過各類傳感器、攝像頭等設(shè)備為管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可實時獲取設(shè)備的基礎(chǔ)信息、運行信息、故障信息及故障預警，實現(xiàn)車站關(guān)鍵設(shè)備的人工遠程監(jiān)控、半自動巡檢及全自動巡檢。帶寬要求為上行80Mbps、下行10Mbps，平均時延<20ms，可靠性為99.999%。全息感知智慧車站系統(tǒng)應(yīng)用智慧車站系統(tǒng)主要是通過5G+MEC進行生產(chǎn)調(diào)度、組織和指揮，并可通過AR或視頻監(jiān)控技術(shù)對作業(yè)過程進行可視化監(jiān)控。5G+MEC專網(wǎng)可以為智慧車站系統(tǒng)提供高帶寬、低時延的回傳通信服務(wù)與邊緣云AI算力服務(wù)。基于車站設(shè)備管理應(yīng)用所實時監(jiān)控到的信息，以3DGIS電子地圖技術(shù)呈現(xiàn)站廳、站臺和列車的運行情況，實現(xiàn)對車站的智慧化運營管理決策。一是管理流程中的各關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)及信息的即時推送。二是實現(xiàn)車站設(shè)備的智能聯(lián)控，包括自動開啟出入口卷簾門、電扶梯，聯(lián)動視頻進行智能巡站，同步喚醒各類服務(wù)設(shè)備設(shè)施并自動檢測運行狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)調(diào)整照明模式、環(huán)控模式，確保全站進入管理運營服務(wù)狀態(tài)，生成開站日志推送至車站、控制中心等。三是實現(xiàn)車站服務(wù)的全景管理，采用基于區(qū)域化和移動式的綜合業(yè)務(wù)管理，由中心車站對所轄區(qū)域各站進行遠程監(jiān)控及設(shè)備操作，車站人員可通過移動終端對客運服務(wù)、設(shè)備運行狀態(tài)、安全設(shè)備設(shè)施等進行綜合管理。帶寬要求為上行80Mbps、下行10Mbps，平均時延<20ms，可靠性為99.999%。突發(fā)應(yīng)急處理應(yīng)用一是智能感知的乘客事件處置。針對突發(fā)如安檢、站臺門夾人、乘客在扶梯上摔倒的乘客事件，通過視頻分析、智能傳感等感知手段，及時觸發(fā)警報信息，提示站務(wù)人員進行處置。同時，系統(tǒng)根據(jù)事件類型觸發(fā)相對應(yīng)的應(yīng)急預案，聯(lián)動相關(guān)部門進行處置。二是協(xié)同聯(lián)動的應(yīng)急疏散與公交接駁。在各類極端氣象或火災(zāi)災(zāi)害發(fā)生時，可通過先進的探測器或傳感器，結(jié)合外部氣象數(shù)據(jù)的接入，大數(shù)據(jù)平臺的預測分析等手段進行及時預警。預警產(chǎn)生后，系統(tǒng)應(yīng)啟動相應(yīng)的應(yīng)急預案，各系統(tǒng)按預案自動執(zhí)行相關(guān)聯(lián)動，同時通知相應(yīng)部門進行現(xiàn)場處置，如公交接駁時，將處置和現(xiàn)場情況及時上報上一級管理部門。突發(fā)應(yīng)急處理應(yīng)用帶寬要求為上行40Mbps、下行1Mbps，平均時延<20ms，可靠性為99.999%。高效調(diào)度指揮應(yīng)用一是根據(jù)客流預測數(shù)據(jù)給予決策輔助支持，智能動態(tài)調(diào)整計劃運行圖，實現(xiàn)客流息發(fā)布，輔助疏導車站客流，形成預警/告警信息，通知車站管理人員按應(yīng)急預案進行現(xiàn)場處理，并動態(tài)調(diào)節(jié)站內(nèi)智能導向和照明，實現(xiàn)線網(wǎng)運輸能力的精準投放。帶寬要求為上行20Mbps、下行1Mbps，平均時延<20ms，可靠性為99.99%。工作人員無線辦公接入應(yīng)用借助5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)移動辦公，車站工作人員、運維人員隨時隨地接入業(yè)務(wù)、多場景及時溝通交流、方便快捷的自助服務(wù)和迅捷實時的知識獲取。帶寬要求為上行≥40Mbps、下行≥40Mbps，平均時延<50ms，可靠性為99.99%，非周期性接入。車地無線通信類應(yīng)用城市軌道交通車地無線通信作為保障安全運營的重要環(huán)節(jié)，承載了以下生產(chǎn)業(yè)務(wù)：基于通信的列車運行控制（CBTC）系統(tǒng)，完成對車輛安全行駛的控制功能；列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于保障車輛運行期間關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)；車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)，用于車內(nèi)視頻圖像實時上傳；軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）(含緊急文本)知及運營服務(wù)信息發(fā)布。CBTC系統(tǒng)應(yīng)用需求CBTC系統(tǒng)車地通信無線應(yīng)覆蓋城市軌道交通正線（含折返線、聯(lián)絡(luò)線）、出入段/場線、段/場咽喉區(qū)、段/場車庫內(nèi)、試車線。CBTC無線傳輸通道需求：傳輸通道應(yīng)采用獨立的雙網(wǎng)冗余物理通信通道。訪問控制要求：要求信號系統(tǒng)A/B通道相互獨立。無線網(wǎng)絡(luò)的安全性：車載無線單元與基站需要進行認證授權(quán)，通過后才能進行關(guān)聯(lián)，并且對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，加密密鑰不少于128位；無線覆蓋范圍內(nèi)，任意地點都應(yīng)實現(xiàn)A/B雙網(wǎng)覆蓋；車頭、車尾配合實現(xiàn)與A/B網(wǎng)雙網(wǎng)通信；信號系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)試車線部分與其它部分應(yīng)隔離。CBTC系統(tǒng)中車地通信的傳輸性能指標：整條線路每列車單網(wǎng)傳輸速率不低于200kb/s，上下行各100kb/s。車地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的丟包率應(yīng)小于1%。車地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的誤碼率小于或等于10－6。車地通信單網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換時間應(yīng)在150ms以內(nèi)。車地通信信息經(jīng)有線和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間應(yīng)小于150ms。應(yīng)實現(xiàn)不高于200km/h運行速度下車地實時雙向通信的要求。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)備平均無故障時間：MTBF﹥。車地通信設(shè)備的平均故障修復時間：MTTR﹤30min。信號系統(tǒng)的可用性指標不小于99.98%。應(yīng)保證車地通信可靠連接、雙網(wǎng)中同一時刻至少有一個網(wǎng)絡(luò)無中斷。列車運行狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用需求通過在列車上部署數(shù)據(jù)采集處理與發(fā)送設(shè)備，實現(xiàn)各車載子系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的分布式收集、數(shù)據(jù)融合、本地存儲等功能。同時將數(shù)據(jù)借助5G傳輸網(wǎng)絡(luò)，下傳至地面運維系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對子系統(tǒng)及關(guān)鍵部件狀態(tài)進行狀態(tài)監(jiān)視、故障預警及健康評估等功能，為列車運行提供遠程診斷與專家技術(shù)支持，該需求適用于城軌應(yīng)用場景。目前該功能已經(jīng)基于4G實現(xiàn)了部分數(shù)據(jù)的上傳和應(yīng)用，但是數(shù)據(jù)量大小和數(shù)據(jù)傳輸頻率都受限于4G帶寬，因此只應(yīng)用于小文件傳輸落地；大文件傳輸（如走行部的記錄文件、弓網(wǎng)的視頻等）方面目前是使用人工方式或者借用其他車地無線通道（如PIS系統(tǒng)無線通道）實現(xiàn)落地。引入5G方式，可以提高數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸頻率，實現(xiàn)大文件實時傳輸?shù)龋瑸榈孛娴臄?shù)據(jù)應(yīng)用提供了更多可能性。列車運行狀態(tài)監(jiān)測包含信息采集、信息傳輸、信息顯示、信息處理和分析以及信息發(fā)布等五個環(huán)節(jié)，子系統(tǒng)的設(shè)計上應(yīng)盡量做到信息獲取準確、信息傳輸途徑共用、信息利用的關(guān)聯(lián)，并隨系統(tǒng)的具體情況形成具有適合信息更新速度的回路，進而做到安全投入的效益優(yōu)化。列車運行狀態(tài)監(jiān)測需要采集的量共有1500個開關(guān)量，500個模擬量。列車運行狀態(tài)監(jiān)測信息傳輸性能的指標如下：單向傳輸：列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為單向傳輸，即只有列車到地面的上行傳輸，而沒有地面到列車的下行傳輸。傳輸速率：列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的采集量有1500個開關(guān)量，每個1bit；500個模擬量，每個2字節(jié)。這樣一次采集的信息量為9.5kbits，采集周期為300ms一次，按每秒4次來計算，傳輸速率為38kbps?？紤]一定的信息傳輸余量，共需要傳輸速率為100kbps。傳輸時延：列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)車到地的信息傳輸延遲時間不大于500毫秒。丟包率：列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)車地無線通信的丟包率應(yīng)低于1%。IMS系統(tǒng)應(yīng)用需求車載IMS視頻監(jiān)控圖像回傳將車載視頻監(jiān)控圖像上傳到控制中心，其重要性僅次于信號系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求。應(yīng)用場景一：正線信息承載在正常情況下，全線需向中心上傳2路客室監(jiān)控圖像信息。車載CCTV業(yè)務(wù)帶寬需求為2×2Mbps=4Mbps（上行信息）。應(yīng)用場景二：車輛基地信息承載列車?？吭谲囕v基地時，中心可同時調(diào)取4路客室監(jiān)控圖像的錄像信息，帶寬需求為4×1Mbps=4Mbps（上行信息）。IMS系統(tǒng)車地通信的傳輸性能指標包括時延和抖動兩個方面，具體為：時延要求＜300ms，時延抖動要求＜100ms。城市軌道交通車地無線通信需求總結(jié)城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)車地無線通信需求總結(jié)見下表。表2-2車地無線通信需求序號承載業(yè)務(wù)上行下行越區(qū)切換時延傳輸時延覆蓋區(qū)間優(yōu)先級1CBTC系統(tǒng)每列車100kbps每列車kbps小于150ms小于150ms正線、出入段/場線、段/場咽喉區(qū)、段/場車庫內(nèi)、試車線12列車運行狀態(tài)監(jiān)測100kbps小于150ms小于150ms正線、段/場停車列檢庫內(nèi)23IMS監(jiān)控圖像回傳正線車輛基地正線、段/場停車列檢庫內(nèi)24Mbps4Mbps旅客服務(wù)類應(yīng)用大數(shù)據(jù)智慧客流應(yīng)用一是站內(nèi)客流感知預警等態(tài)勢分析應(yīng)用。綜合地鐵列車信號數(shù)據(jù)、列車稱重數(shù)據(jù)、ARC清分數(shù)據(jù)、電信信令數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)和移動高清視頻數(shù)據(jù)等多數(shù)據(jù)源，通過5G高帶寬網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，基于數(shù)據(jù)中臺技術(shù)進行數(shù)據(jù)匯總和綜合分析，實現(xiàn)對地鐵站廳站臺的客流感知預警等態(tài)勢分析應(yīng)用。二是客流預測應(yīng)用。依據(jù)城市周邊接入軌道交通站點的乘客出行、道路、公共交通等實時數(shù)據(jù)變化，以及市內(nèi)軌道交通的客流變化，基于城市道路公路數(shù)據(jù)、手機信令數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、IC卡數(shù)據(jù)等多維度大數(shù)據(jù)分析和挖掘，對軌道交通體系中的客流預測精準數(shù)據(jù)。站內(nèi)客流感知預警等態(tài)勢分析應(yīng)用帶寬要求為上行40Mbps、下行1Mbps，平均時延<20ms，可靠性為99.999%?？土黝A測應(yīng)用帶寬要求為上行40Mbps、下行1Mbps，平均時延<50ms，可靠性為99.99%。PIS系統(tǒng)應(yīng)用(含緊急文本)需求PIS系統(tǒng)（含緊急文本）需將播控中心下發(fā)的播放節(jié)目，如緊急文本信息、行車信息、新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告等便民信息在車載PIS顯示屏上實時顯示。車地無線綜合寬帶傳輸平臺需提供匹配PIS專業(yè)需求的連續(xù)、高帶寬、低時延車地無線傳輸通道。PIS系統(tǒng)無線傳輸通道關(guān)于圖像與視頻的需求情況為：PIS圖像采用標清圖像質(zhì)量，每列車業(yè)務(wù)信息承載帶寬為下行2Mbps。在正常情況下，無線小區(qū)內(nèi)有兩列車，PIS圖像下發(fā)播放的帶寬需求為Mbps=4Mbps（下行信息）。在有條件時，采用高清（1080P）圖像質(zhì)量預設(shè)業(yè)務(wù)信道帶寬，則每路圖像帶寬需求為下行4~6Mbps。緊急文本為上行信息，帶寬需求為10kbps。PIS系統(tǒng)中車-地通信的傳輸性能指標主要涉及時延和抖動，具體為：時延要求≤300ms，抖動要求＜100ms。車站室內(nèi)導航與定位隨著城市軌道交通的發(fā)展，特別是一些大型換乘地鐵站，乘客對車站室內(nèi)定位與導航的需求日益增長。提供該業(yè)務(wù)能方便乘客迅速準確地找到站內(nèi)換乘路線，以及在站內(nèi)快速找到售票機、自主服務(wù)設(shè)備、各類商鋪、出入口等設(shè)備設(shè)施。同時，提供準確的室內(nèi)定位與導航也是智慧地鐵車站提供的重要服務(wù)之一，更多基于位置的服務(wù)（LBS:Location-basedService）將大力提升乘客智慧出行體驗。該業(yè)務(wù)也可用于站務(wù)人員定位與追蹤，站內(nèi)移動設(shè)備追蹤等?；诤Ａ砍丝臀恢脭?shù)據(jù)，可開展車站及車廂內(nèi)客流量實時統(tǒng)計分析，以便快速響應(yīng)緊急事件，合理安排運力和提升服務(wù)，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：實時監(jiān)控和預測通過對線路、站內(nèi)以及站外的客流進行監(jiān)控，能夠?qū)崟r獲取乘客密度，在突發(fā)事件發(fā)生時，能夠第一時間決策限流或者閉站方式，并且能通過定向通告引導客流。高效調(diào)度和管理能夠從不同站點的客流數(shù)量信息以及車輛的滿載率上對如何進行列車調(diào)度做出判斷，并能夠根據(jù)乘客的起始路線來進行線路的清算分賬，甚至能夠差異化定價不同線路和個性化定制線路。多元經(jīng)營可以通過地鐵乘客大數(shù)據(jù)對交通進行規(guī)劃，并且能夠?qū)⑦@部分數(shù)據(jù)內(nèi)容出售給第三方。能夠?qū)崿F(xiàn)基于乘客位置的APP、大屏顯示以及地鐵物業(yè)評估等一系列增值應(yīng)用服務(wù)。3GPP標準對基于5G網(wǎng)絡(luò)的下一代高精度定位提出了一些建議和性能需求。標準中指出下一代的高精度定位系統(tǒng)要求終端位置信息的快速、可靠及隨時獲取，其中定位準確度及可用性指標如下：服務(wù)區(qū)域（包括室內(nèi)、室外和城區(qū)）：<1m(95%基于網(wǎng)絡(luò)定位（三維）：依據(jù)不同部署準確度<10m<1m(80%室內(nèi)：<1m室內(nèi)定位可采用的方法包括：下行：OTDOA（ObersevedTimeDifferentialofArrival）上行：UTDOA（UplinkTimeDifferentialofArrival）ID、藍牙地面信標定位系統(tǒng)：TBS（TerrestrialBeaconSystemmethod）基于傳感器：慣導、氣壓計等文獻給出了基于5GNR的定位基本能力要求，并通過仿真評估相關(guān)技術(shù)的定位性能。3GPPRel-16對定位要求如下：一般用戶：50m80%5m80%延遲：30秒商業(yè)用戶：3m80%3m80%10m80%3m80%延遲：1秒部分仿真評估結(jié)果如表1所示，對于室內(nèi)場景，基于下行和上行TDOA，頻率范圍1（FR1）和頻率范圍2（FR2）在基站完全同步情況下可滿足一般用戶和商業(yè)用戶定位需求，當基站時間同步誤差為50ns時，能夠滿足一般用戶定位需求，無法滿足商業(yè)用戶需求。表2-3（a）下行TDOA室內(nèi)定位精度表2-4（b）上行TDOA室內(nèi)定位精度基于下行離開角（DL-AoD：DownlinkAngle-of-Departure）定位技術(shù)在FR2頻段可滿足一般用戶和商業(yè)用戶需求?；谏闲械竭_角（UL-AoAUplinkAngle-of-Arrival）定位技術(shù)在FR1和FR2頻段可滿足一般及商業(yè)用戶需求?；诙嘈^(qū)往返時延Multi-CellRTT（Round-TripTime）定位技術(shù)可滿足一般用戶和商業(yè)用戶需求。由于車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜并且人流密集，車站需要提供大容量高精度定位服務(wù)?；谖墨I提供的評估報告，結(jié)合車站室內(nèi)導航與定位需求，給出如下車站定位指標：水平誤差≤5m（80%）；垂直誤差≤3m（80%）；延遲1秒。該指標能夠滿足絕大部分乘客換乘導航，快速查找出入口、自主服務(wù)設(shè)備等，也可用于站務(wù)人員位置追蹤等。上述5G-NR定位能力基于標準化仿真評估得到，實際部署中，存在多種因素可能影響導定位精度，例如頻帶帶寬、信噪比、多徑效應(yīng)和基站間時鐘同步等。目前，5G毫米波頻段（FR2）在室內(nèi)部署有限，有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)有待進一步討論和現(xiàn)場驗證。FR1頻段室內(nèi)基站天線數(shù)量有限，導致DL-AOD和UL-AOA精度有限，而RTT定位需要相鄰小區(qū)之間進行協(xié)調(diào)測量。因此，現(xiàn)有的任何單一定位技術(shù)都無法滿足室內(nèi)覆蓋范圍與定位精度的需求，需要利用5G室分網(wǎng)絡(luò)及其它輔助定位技術(shù)（例如藍牙信標、指紋定位等）進行多源融合定位，以滿足車站室內(nèi)定位與導航精度需求。城市軌道交通中的5G5G關(guān)鍵技術(shù)與城市軌道交通需求匹配分析在當前在隧道里，運營商已經(jīng)部署的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，還主要是面向?qū)Τ丝瓦M行覆蓋，下行的速率配比高于上行的速率配比，如7:3,8:2。這些時隙配比已經(jīng)固化，不可調(diào)整。地鐵所用的業(yè)務(wù)模型主要是上行回傳，按照當前列車攝像頭配比，業(yè)務(wù)做了一定的壓縮后，一列車需要62Mbps上行，對于列車TCMS數(shù)據(jù)，建議考慮2~5M的上行帶寬。整體上需要提供70Mbps的平均帶寬。當前5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有三種模式優(yōu)享：通過QoS、網(wǎng)絡(luò)切片等手段，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯隔離，滿足客戶對特定網(wǎng)絡(luò)速率、時延及可靠性的優(yōu)先保障需求，支持按需靈活配置。專享：通過邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量卸載、本地業(yè)務(wù)處理，滿足數(shù)據(jù)不出場、超低時延等業(yè)務(wù)需求，為客戶提供專屬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。尊享：通過對基站、頻率、核心網(wǎng)等專建專享，為企業(yè)構(gòu)建專用5G網(wǎng)絡(luò)，提供高安全性、高隔離度的尊享定制化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。初步業(yè)務(wù)規(guī)劃如下，地鐵業(yè)務(wù)主要分為以下四種：1、關(guān)鍵業(yè)務(wù)低帶寬承載地鐵內(nèi)部的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，需要通過地鐵內(nèi)部專頻專網(wǎng)進行嚴格隔離。目前地鐵已有的內(nèi)部車控系統(tǒng)承載在LTE-M的系統(tǒng)上，帶寬在10M（1785M-1795M），主要傳輸列車的控制信息，列車車廂各種傳感器數(shù)據(jù)，車輛調(diào)度信息，可以按照以往系統(tǒng)設(shè)計和部署，業(yè)務(wù)承載于全線。5G專網(wǎng)可以作為第二備份網(wǎng)絡(luò)，通過RB資源預留的切片方式提供給地鐵使用，短期可以承載在2.6G的網(wǎng)絡(luò)上，遠期可以承載在4.9G網(wǎng)絡(luò)上。一旦地鐵系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可以迅速切換到5G專網(wǎng)。2、關(guān)鍵業(yè)務(wù)高帶寬承載隨著列車智慧化的發(fā)展，列車上的數(shù)據(jù)需求擴大，需要傳輸一些高帶寬數(shù)據(jù)。如視頻數(shù)據(jù)為列車控制系統(tǒng)的一組生產(chǎn)數(shù)據(jù)。司機駕駛室的視頻，列車自動駕駛的視頻控制數(shù)據(jù)，需要額外的帶寬來進行承載。目前地鐵使用的頻譜資源帶寬較高，實現(xiàn)連續(xù)覆蓋難度很大，成本很高。從實用性考慮需要與移動聯(lián)合規(guī)劃一張5G專網(wǎng)。承載關(guān)鍵業(yè)務(wù)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)，初期通過基于2.6GHz頻段，快速上線5G網(wǎng)絡(luò)，移動運營商可以通過切片的方式來開發(fā)應(yīng)用，節(jié)省成本，遠期如果數(shù)據(jù)量需求大，同時為了確保數(shù)據(jù)自主，業(yè)務(wù)獨立，地鐵可以自建5G核心網(wǎng)，頻段優(yōu)選4.9GHz頻譜，與運營商進行5G網(wǎng)絡(luò)共建共享。該頻譜可以針對行業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)上行多時隙配比。3、非關(guān)鍵承載業(yè)務(wù)寬帶通訊類除關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)外，地鐵還有大量的非關(guān)鍵業(yè)務(wù)存在。目前都沒有進行統(tǒng)一的規(guī)劃。如車站的應(yīng)急通訊視頻攝像頭，集群通訊系統(tǒng)，所需要使用的大量終端和視頻傳輸，地鐵建設(shè)可以考慮與運營商合建的模式，由運營商建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，共享頻譜，地鐵采用租賃帶寬服務(wù)。運營商建設(shè)的這張網(wǎng)絡(luò)，還可以對普通乘客信號覆蓋進行共享。4、非關(guān)鍵承載業(yè)務(wù)泛鏈接類非關(guān)鍵生產(chǎn)類的鏈接，對帶寬需求較小的，可以利舊運營商網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)IOT鏈接。如地鐵車站未來要部署的廣告屏控制系統(tǒng)，地鐵車載的燈光感應(yīng)器，各種環(huán)境感應(yīng)器等。目前運營商4G網(wǎng)絡(luò)生態(tài)成熟，覆蓋完善，大量非關(guān)鍵鏈接可以通過物聯(lián)網(wǎng)卡形式承載在4G網(wǎng)絡(luò)中。地鐵不需要獨立建網(wǎng)，可以將這部份鏈接的容量需求以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)租賃的形式解決。綜上所述，地鐵需要根據(jù)自身業(yè)務(wù)的重要性來規(guī)劃好業(yè)務(wù)可以承載的不同網(wǎng)絡(luò)，與運營商進行配合，資產(chǎn)共享，建設(shè)一張融合多元化的智慧網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)隧道覆蓋方案現(xiàn)有隧道的5G覆蓋改造、現(xiàn)有隧道的覆蓋現(xiàn)狀軌道交通大部分情況下在地下的隧道中運行，屬于封閉的空間，地面上的移動通信網(wǎng)絡(luò)信號無法穿透，目前一般采用泄漏電纜（也稱漏泄電纜，簡稱漏纜）專門覆蓋。漏纜是在同軸饋線的結(jié)構(gòu)上，以一定的形狀和間隔開槽，使信號在沿漏纜傳輸?shù)倪^程中通過槽孔向外輻射或接收電磁信號。漏纜需要掛裝在合適的高度，槽孔朝向列車方向?，F(xiàn)有隧道的2/3/4G覆蓋，一般采用2根13/8型漏纜。由于傳輸能力的限制，漏纜會以一定的長度為斷點（如500米），在兩端分別將RRU的信號饋入。為了能支持不同運營商的多個頻段的信號同時在漏纜上傳輸，需要通過POI（多系統(tǒng)接入平臺）將各頻段的射頻信號合路之后，再分別向左右兩個方向的漏纜饋入。典型的漏纜覆蓋方案示意如下圖所示。RRU(2T2R)RRU(2T2R)RRU(2T2R)POI-2POI-1POI-2POI-1圖3-1傳統(tǒng)漏纜覆蓋方案示意圖、5G改造方案目前已安裝的13/8漏纜可以支持到2.6GHz頻段（部分可能只支持到2.5GHz頻段）。對于中國移動，若漏纜支持5G頻段，只需要在斷點處接入5G信源，同時替換POI即可（原POI的2.6GHz只支持60MHz帶寬）。若漏纜不支持5G頻段，建議新建漏纜。新增新增饋線替換替換漏纜已有BBU+RRU5GBBU+RRU圖3-25G漏纜改造方案（中國移動2.6GHz頻段）對于中國電信和中國聯(lián)通，由于5G頻段為3.5GHz，現(xiàn)有的漏纜無法支持，需要新增或替換成可支持3.5GHz頻段的5/4型漏纜。地鐵隧道對工程改造有較嚴格的限制，且地鐵自身的通信等系統(tǒng)也需要采用漏纜覆蓋，現(xiàn)有的空間等條件往往很難支持漏纜的替換或新增。因此，對于不支持5G頻段的漏纜，隧道的改造可以采用更為經(jīng)濟便捷的天線方案。天線在有限空間范圍內(nèi)更有優(yōu)勢，但在地形復雜區(qū)域（如隧道多彎道和上下坡）的小區(qū)帶寬能力、安全性、可靠性、toB業(yè)務(wù)支持能力相對較弱，建議結(jié)合具體實際情況選擇使用。地鐵隧道天線方案針對隧道的狹長特點和低風阻的安全要求，采用定向性強的端射型天線是較為理想的選擇，典型的如八木天線。為了支持多流能力，產(chǎn)業(yè)界推出了四通道八木天線，通過集成2個雙極化八木天線陣列，實現(xiàn)了對4T4R的支持。采用八木天線方案時，只需要將RRU和天線用跳線連接，無需POI合路，施工較為簡單。地鐵隧道的施工有嚴格的時間窗口，運營的地鐵隧道每天可入場的時間更是非常有限（如1-2小時），而漏纜需要安裝大量卡具，導致工程周期很長，人工成本很高；而天線本身輕便，施工點位少，一次進場即可完成，因此可大大降低安裝成本，與漏纜相比成本可降低90%以上（不包括信源和配套）。需要指出的是，由于八木天線帶寬不高，對于不同運營商的5G頻段，可能需要多個八木天線才能覆蓋。對于較大的拐彎，天線輻射的信號難以覆蓋拐彎后的部分，此時需要通過天線拉遠的方式，在拐彎處增加天線點位，以保證拐彎后的覆蓋。8T8R8T8R信源圖3-3地鐵天線覆蓋方案針對現(xiàn)有八木天線方案增益不高且近點存在“塔下黑”弱覆蓋的問題，中國移動研究院推出了新版地鐵天線，通過高增益饋源振子等創(chuàng)新設(shè)計將天線增益提升了2.5dB以上，理論上覆蓋能力擴大了20%；同時通過增加第三極化改善了對近點的覆蓋，可以有效擴大天線的覆蓋距離，降低整體建設(shè)成本。新建隧道的5G覆蓋方案1、漏纜覆蓋方案對于新建的隧道，覆蓋方案的選擇有更大的靈活性。對于漏纜方案，如果隧道支持掛裝四纜，有幾種可能：一是建設(shè)4根5/4型漏纜，三家運營商可以共享使用，各家的5G頻段都可以支持4T4R；但由于不同運營商的不同頻段之間存在相互干擾的可能，需要在頻段分配上謹慎配置。另一種可能是，由于5/4型漏纜在2.6GHz頻段的性能不如13/8型漏纜，中國移動選擇建設(shè)2根13/8型漏纜，中國電信和中國聯(lián)通選擇共建共享2根5/4型漏纜。此時，電信和聯(lián)通的5G僅能支持2T2R，移動可以通過再共享2根5/4型漏纜實現(xiàn)4T4R，但需要付出更高的租金成本。還有一種可能是，隧道空間有限，僅支持建設(shè)2根漏纜，或者在客流量相對較低、容量需求不高的郊區(qū)隧道，為了控制建設(shè)成本只建設(shè)2根漏纜，此時為了兼顧三家運營商的5G頻段，需要選擇5/4型漏纜。2、天線覆蓋方案除了漏纜覆蓋方案，新建隧道也可以采用八木天線方案。為了比較不同建設(shè)方案，下表從成本等方面進行了分析。表3-1漏纜方案與天線方案的比較天線覆蓋方案漏纜覆蓋方案建設(shè)成本無需POI，成本不及漏纜的10%（考慮安裝）需POI合路，漏纜安裝成本較高施工難度跳線連接，一次進場即可完成沿隧道掛架部署，需多次進場施工，周期長支持頻帶工作于窄頻，可支持4.9GHz頻段工作于寬頻，但無法支持4.9G頻段小區(qū)容量4MU支持4流，信號穩(wěn)定，單小區(qū)容量高，但漏纜覆蓋無法區(qū)分終端位置，小區(qū)性能提升難手段有限場景適應(yīng)隧道轉(zhuǎn)彎時覆蓋受影響，需增加點位不受隧道轉(zhuǎn)彎影響網(wǎng)絡(luò)性能覆蓋信號強度不均衡、速率不穩(wěn)定，近點遠點波動性大覆蓋信號強度均衡、速率穩(wěn)定，近點遠點波動性小安全天線風阻大，容易掉落迎風面小，固定牢靠2B網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定性差，單小區(qū)容量小，2B業(yè)務(wù)支持度差網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，單小區(qū)容量大，2B業(yè)務(wù)支持度好對于更高的頻段，如4.9GHz，目前的5/4型漏纜也無法支持。此時仍可采用天線方案，只需要在八木天線中增加相應(yīng)的4.9GHz陣列即可（或單獨增加4.9GHz八木天線）。實施相對容易，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量需求分階段改造，這是采用天線覆蓋的優(yōu)勢所在。漏纜方案與天線方案各有特色，適用于不同隧道環(huán)境，使用時應(yīng)因地制宜，結(jié)合不同城市的不同線路，綜合考慮業(yè)主的具體需求制定覆蓋方案。城市軌道交通5G專網(wǎng)建設(shè)方案5G專網(wǎng)用戶均為行業(yè)用戶，普遍需要安全、可靠、定制化的網(wǎng)絡(luò)能力。為了降低5G網(wǎng)絡(luò)時延而引入的邊緣計算，就是將5G網(wǎng)絡(luò)許多控制權(quán)限下放到網(wǎng)絡(luò)邊緣，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上就類似一個個局域網(wǎng)絡(luò)。5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，則主要針對不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用，進行網(wǎng)絡(luò)資源的切片化處理，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上也完全類似于一張張獨立的專網(wǎng)。運營商給地鐵建設(shè)5G專線和專網(wǎng)，已經(jīng)可以將MEC部署在地鐵，UPF下沉到線路，只有信令部分會回到運營商的核心網(wǎng)。地鐵專網(wǎng)規(guī)劃：現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源：地鐵業(yè)務(wù)應(yīng)用需求帶寬分析：商業(yè)模式服務(wù)租用向運營商租用“融合專網(wǎng)”服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資產(chǎn)歸運營商，向運營商支付以下費用：一次性費用：專網(wǎng)建設(shè)費按月支付：業(yè)務(wù)流量費ICT集成：末端業(yè)務(wù)應(yīng)用集成費、應(yīng)用終端設(shè)備（非網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）采購費優(yōu)點：按需付費，網(wǎng)絡(luò)資源成本由運營商承擔缺點：無法靈活調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源，需要按業(yè)務(wù)申請流程甚至升級改造，周期長。頻譜租用，代建代維向運營商租用各個頻段頻譜帶寬，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資產(chǎn)歸甲方（地鐵），運營商代建、代維，需要向運營商支付以下費用：一次性費用：專網(wǎng)建設(shè)費按月/年支付：頻譜帶寬租用費、網(wǎng)絡(luò)維護費ICT集成：末端業(yè)務(wù)應(yīng)用集成費、應(yīng)用終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采購費優(yōu)點：租用固定頻譜帶寬，保障自有業(yè)務(wù)需求帶寬，方便業(yè)務(wù)的啟動與調(diào)配。缺點：業(yè)務(wù)閑時、忙時產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)資源閑置成本過高，無法動態(tài)調(diào)配。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護成本高，屬于“重資產(chǎn)”模式。城市軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)切片方案5G網(wǎng)絡(luò)切片原則5G網(wǎng)絡(luò)切片是5G時代面向垂直行業(yè)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)形式，實在其統(tǒng)一物理設(shè)施實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并提供多級隔離與安全，降低運營商建網(wǎng)成本，滿足垂直行業(yè)多種場景按需、敏捷建立網(wǎng)絡(luò)的需求。5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片按網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配及網(wǎng)絡(luò)能力按需組合，基于一個5G網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。每個端到端切片均由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。圖3-4端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)圖實現(xiàn)城市軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，對于列車調(diào)度、監(jiān)控以及巡檢提出了更高的要求，通過5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將為公安通信、地鐵調(diào)度通信、普通公眾通信提供全面的通訊以及個性化服務(wù)。對于城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)部署及運營方案，總結(jié)而言即以一張5G物理網(wǎng)絡(luò)為基可靠性等基礎(chǔ)上，實現(xiàn)現(xiàn)有多網(wǎng)絡(luò)、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)在5G網(wǎng)絡(luò)上的整合，打造5G智慧地鐵應(yīng)用模式，提高地鐵運行安全性和運營效率。切片組網(wǎng)方案通過網(wǎng)絡(luò)切片方式實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的5G專網(wǎng)承載，擬分成三個切片：采用視頻監(jiān)控等公安通信類業(yè)務(wù)為eMBB切片1，PIS下行以及智能巡檢等地鐵專用通信類業(yè)務(wù)承載在eMBB切片2，乘客移動通信等民用通信業(yè)務(wù)承載在eMBB切片3。如下圖所示：圖3-5切片組網(wǎng)方案5G端到端切片是無線、承載和核心網(wǎng)子切片的排列組合，需完成所有子切片對接，貫通整個業(yè)務(wù)流程，從無線、承載到核心網(wǎng)，根據(jù)SLA、成本、安全隔離等需求采用相應(yīng)的切片實現(xiàn)方式。在無線側(cè)，無線子切片支持無線資源共享、無線優(yōu)先級保障、無線PRB資源預留、獨立載頻以及獨立基站等共享模式，隔離程度依次提高；在承載側(cè)，承載子切片支持VPN共享、VPN隔離、FlexE管道隔離等模式；在核心網(wǎng)側(cè)，核心網(wǎng)子切片支持多種共享類型進行靈活的組網(wǎng)。其一是用戶面和控制面網(wǎng)元都不共享，其安全隔離高、對成本不敏感，其二是部分控制面網(wǎng)元共享，用戶面和其他控制用戶面網(wǎng)元不共享，隔離要求低，對成本敏感。結(jié)合城市軌道交通各項業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)SLA及安全隔離等需求，中高隔離的eMBB切片即可滿足要求，即無線側(cè)采用PRB資源預留，承載網(wǎng)側(cè)采用VPN隔離，核心網(wǎng)用戶面獨占，控制面共享。切片方案規(guī)劃城市軌道交通由于其應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)的特點，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上需要兼顧業(yè)務(wù)質(zhì)量體驗和數(shù)據(jù)安全，通過5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)結(jié)合MEC本地分流實現(xiàn)業(yè)務(wù)質(zhì)量和安全保障。下圖為城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)切片方案示意圖。5G端到端切片包括無線側(cè)PRB資源預留、承載側(cè)VPN邏輯隔離以及核心網(wǎng)側(cè)用戶面獨占，控制面共享。MEC下沉到本地UPF圖3-6城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)切片方案1、基于PRB預留的無線子切片獨享部分公網(wǎng)無線空口資源如圖所示PRB資源預留即將無線空口側(cè)資源從時、頻、空域維度劃分為不同的物理資源塊(PRB)，不同切片的數(shù)據(jù)(DRB)承載映射到不同的物理資源塊(PRB)，實現(xiàn)物理安全隔離，互不影響。各切片所需的PRB可以按頻域或總資源百分比進行切分和預留，顆粒度1%，對應(yīng)的調(diào)度方式分為靜態(tài)/動態(tài)共5種模式，獨占資源部分即專享的空口資源。另外還有優(yōu)先、正常、禁止調(diào)度區(qū)域，豐富的模式可以適配各種業(yè)務(wù)的差異化需求。地鐵業(yè)務(wù)切片使用基于PRB預留的無線子切片，獨享部分公網(wǎng)無線空口資源，提供類似于專用無線頻譜資源的硬隔離，在網(wǎng)絡(luò)隔離能力、確定性上有明顯提升。圖3-7無線PRB資源預留2、MEC本地分流實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出地鐵，保證數(shù)據(jù)端到端安全如圖所示，MEC本地分流實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出地鐵，保證數(shù)據(jù)端到端安全主要有三個方面，第一，接入認證，包括主認證和切片二次認證，保證用戶合法接入，同時雙向認證保證用戶和網(wǎng)絡(luò)之間的相互可信；第二，嚴格定義數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，防止接入用戶的非授權(quán)訪問網(wǎng)絡(luò)切片；第三，地鐵數(shù)據(jù)走VPN專線不出虛擬專網(wǎng)，不出地鐵，對地鐵高價值資產(chǎn)數(shù)據(jù)，在空口、UE和MEC之間還可以使用IPSec/TLS等安全傳輸方式，對需要保護的信息進行機密性和完整性保護，同時MEC內(nèi)部邊界做安全隔離。信道測量與建模

圖3-8MEC本地分流5G城市軌道交通傳播場景5G城市軌道交通通信場景有別于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)，差異主要來源于兩方面：首先，城市軌道交通的線路和車站大部分都位于地下，這與常規(guī)鐵路線路多位于地面和空曠環(huán)境存在顯著差異；其次毫米波等5G新技術(shù)的引入為城市軌道交通通信系統(tǒng)帶來性能提升的同時，也帶來了天線形式、頻段、覆蓋范圍等方面的全方位變化，這顯著影響通信場景的分類。具體而言，常規(guī)鐵路傳播場景可以被分為高架橋、路塹、隧道、車站、城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村、水域、山區(qū)、沙漠、車廂內(nèi)和混合場景等多種類型。對于城市軌道交通場景，也會存在高架橋和路塹場景，但差異在于城市軌道交通中的高架橋和隧道往往是與城區(qū)環(huán)境相結(jié)合，這與常規(guī)鐵路中存在大段獨立的路塹和高架橋、且多位于郊區(qū)和鄉(xiāng)村的情況明顯不同。而隧道/地下場景為城市軌道交通較為常見的場景。此外，城市軌道交通中的車站應(yīng)區(qū)分為地上車站和地下車站兩類。另一方面，對于車站等大帶寬、高容量的場景，有望通過毫米波來滿足超高速率以及低時延的需求，并實現(xiàn)在普通宏基站基礎(chǔ)上附加微基站的混合部署方式。不同頻段或陣列尺寸導致的小區(qū)半徑尺寸的差異也會影響無線傳播場景的分類。綜合上述因素，在本白皮書中北京交通大學團隊率先提出了如下城市軌道交通傳播場景的分類方案：高架橋-城區(qū)混合場景、路塹-城區(qū)混合場景、隧道/地下、地上車站、地下車站、地表城區(qū)共六類典型場景，以及宏基站和微基站兩類特殊情況。各類場景的典型特點和場景示例分別如表1和圖1所示。表3-2城市軌道交通場景劃分場景種類列車移動性場景封閉性用戶密度高架橋-城區(qū)混合高開放適中適中路塹-城區(qū)混合高半封閉高適中隧道/地下高封閉極高適中地上車站低半封閉高高地下車站低封閉高高地表城區(qū)高開放適中適中高架橋-城區(qū)混合 路塹-城區(qū)混合 隧道/地下 地上車站

地下車站圖3-95G城市軌道交通典型場景分類示例圖

地表城區(qū) 信道測量與統(tǒng)計性建模建立一套安全可靠的無線通信系統(tǒng)是保證城市軌道交通安全運營的關(guān)鍵。無線通信系統(tǒng)的設(shè)計離不開對相關(guān)環(huán)境中電波傳播機制和信道特征的準確表征和建模，準確的信道模型是5G城市軌道交通無線通信系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。統(tǒng)計性信道建模長期以來得到廣泛關(guān)注和使用，其通過在典型傳播場景中開展信道測量，采集信道數(shù)據(jù)并開展統(tǒng)計分析，提取并歸納出反映傳播特征的各類信道參數(shù)的統(tǒng)計特性，結(jié)合統(tǒng)計分析結(jié)果建立準確的信道模型。對于面向5G的城市軌道交通信道建模，由于與蜂窩網(wǎng)和傳統(tǒng)鐵路在場景上存在顯著差異，當前缺乏針對性的信道測量，對于5G城市軌道交通中幾類典型場景下多徑的分布規(guī)律、傳播機制與特征、信道的衰落特性與時變特性、傳播損耗變化規(guī)律等均缺乏系統(tǒng)性的研究。當前主要可基于一些軌道交通場景下的信道測量與研究工作獲得對城市軌道交通傳播場景中信道特征的初步了解，例如在高架橋環(huán)境中開展的寬帶信道測量、在路塹環(huán)境中開展的寬帶信道測量等。此外也存在一些針對城市軌道交通典型場景的測量，例如地鐵地下車站場景的5G大規(guī)模MIMO測量、針對地鐵隧道的測量等。無線信道測試中獲取的大量實測數(shù)據(jù)可以作為信道參數(shù)的提取、分析、信道建模和通信系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)。部分上述典型測試場景如圖2所示。高架橋 路塹地下車站 隧道 圖3-10城市軌道交通典型場景信道測量示意圖基于人工智能的信道特征提取與建模隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化技術(shù)的全面化普及，5G城市軌道交通通信技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的軌道交通通信技術(shù)，在5G通信技術(shù)的支撐下，智能城市軌道交通成為了新的研究方向。和傳統(tǒng)軌道交通常見的城郊或橋梁場景不同，城市軌道交通的通信場景更加復雜多變，信道非平穩(wěn)性更強，應(yīng)用與業(yè)務(wù)更加多樣化。因此，城市軌道交通5G而面對智慧城市建設(shè)，5G城市軌道交通信道建模研究也在逐漸發(fā)生改變，其重點存在三個方向：1、信道特征提取傳統(tǒng)的軌道交通信道特征提取主要關(guān)注信道沖激響應(yīng)在功率時延譜上的包絡(luò)特征，側(cè)重于多徑的時延與功率參數(shù)的估計，在5GMassiveMIMO系統(tǒng)中需關(guān)注多徑的角度域參數(shù)估計。城市軌道交通5G智能通信的發(fā)展一方面對傳統(tǒng)信道參數(shù)（如時延、角度、功率及多普勒）的提取精度提出了更高的要求，另一方面還需要借助人工智能技術(shù)實現(xiàn)對信道高階特征參數(shù)的提取，例如功率時延譜削度等特征，為后續(xù)進一步數(shù)據(jù)處理及智能化算法設(shè)計提供支撐。由于城市軌道交通場景復雜，且發(fā)射端常處于高速移動狀態(tài)，信道動態(tài)變化快，非平穩(wěn)性強，由此引起多徑生滅的快速變化，為信道特征的提取帶來更多挑戰(zhàn)。但是由于軌道交通設(shè)施移動路線固定，信道中部分主導性反散射體的出現(xiàn)往往呈現(xiàn)一定規(guī)律，例如城市軌道附近的建筑樓宇以及特殊的地勢地形等。在對此類信道特征進行提取時，其時域上的可追蹤性可以有效提高信道特征提取的效率與準確性。2、信道場景識別城市軌道交通移動性較強，環(huán)境復雜多變，不同通信場景常具有不同的通信業(yè)務(wù)特點與需求。為了滿足上層通信資源調(diào)度的準確分配，需要針對不同通信場景分別開展建模分析，并及時判斷列車當前所處的信道環(huán)境。傳統(tǒng)的信道場景識別，主要是是針對視距傳播與非視距傳播場景進行識別。而城市內(nèi)部復雜多變的環(huán)境就需要進一步對場景進行細化（例如高架場景、隧道場景、車站場景等典型傳播場景），基于人工智能技術(shù)提取分析信道高階特征參數(shù)，對當前信道環(huán)境進行準確識別。由于城市中的典型信道場景一般具有各自鮮明的物理特征，因此采用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對信道特性開展深入挖掘與特征分析，可以實現(xiàn)更加具體的5G城市軌道交通場景動態(tài)識別。3、信道建模在更高精度的信道特征和更加細致的信道場景分類支持下，未來有望建立更為準確的5G城市軌道交通信道模型庫。受到城市內(nèi)高復雜度、高動態(tài)環(huán)境的影響，城市軌道交通信道往往呈現(xiàn)較強的非平穩(wěn)性。但是軌道交通本身存在軌跡固定的特點，因此可基于對具體通信場景中信道特征的準確把握，建立更為準確的5G城市軌道交通信道數(shù)據(jù)庫和模型庫，借助人工智能技術(shù)實現(xiàn)信道的精準實時預測，支撐未來5G城市軌道交通信道仿真和通信系統(tǒng)設(shè)計?；赗IS的5G城市軌道交通信道建模基于5G通信技術(shù)的信息傳輸速度在4G技術(shù)的基礎(chǔ)上有效增強，移動通信趨向于更為穩(wěn)定、高效。5G構(gòu)智能面（ReconfigurableIntelligentSurfaceRIS）技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，它可以在平面上集成大量低成本的無源反射元件，智能地重新配置無線傳播環(huán)境，從而顯著提高城市軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能。1、提升城市軌道交通場景無線覆蓋5G城市軌道交通場景的高效覆蓋是目前亟待解決的難題。相比于一般的室外場景，城市軌道交通環(huán)境更為復雜，對于5G網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋也提出了更高的要求。城市軌道交通包括諸如站廳、站臺和隧道等封閉式非視距傳播場景，用戶密度較大，流動性較強，信號覆蓋往往存在較多盲區(qū)。在這種情況下，可利用RIS輔助的通信系統(tǒng)來擴展城市軌道交通5G通信的覆蓋范圍，如圖3所示。將RIS部署于建筑物表面對其反射信號進行精準控制，使其繞過障礙物并經(jīng)過RIS反射到達用戶，從而在基站和用戶之間建立虛擬視距，實現(xiàn)基站與用戶之間可靠、高速的通信。圖3-11城市軌道交通中用戶在盲區(qū)示意圖2、增強列車與列車間通信未來5G通信技術(shù)將更加廣泛地應(yīng)用于列車控制系統(tǒng)，而基于5G實現(xiàn)列車-列車直連通信將成為提升列車控制效率與可靠性、進一步保障城市軌道交通安全運營的有效手段。然而，列車-列車通信面臨的傳播環(huán)境更為復雜、通信傳輸條件更加多變、視距傳播更加難以保障。因此，可以利用RIS技術(shù)提升列車-列車通信的有效性和可靠性。圖4是將RIS應(yīng)用于列車-列車通信中的無線傳播環(huán)境幾何抽象示意圖，可在城市軌道交通等封閉環(huán)境中基于規(guī)則幾何理論開展基于RIS的列車-列車信道建模與仿真研究，為融合RIS的5G城市軌道交通通信系統(tǒng)設(shè)計提供支撐。圖3-12基于RIS的列車-列車通信信道幾何傳播抽象示意圖UAV輔助下的5G城市軌道交通信道建模無人飛行器（UnmannedAerialVehicle，UAV）能夠作為空中基站或中繼為城市軌道交通5G應(yīng)用提供靈活性的通信支撐，包括列車無線服務(wù)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)、地面基站/接入點的回程通信等。UAV輔助下的典型城市軌道交通5G應(yīng)用環(huán)境如圖5所示。在實際應(yīng)用中，UAV能夠在三維空間中運動，有效地支撐城市軌道交通各類復雜場景下的覆蓋擴展和數(shù)據(jù)傳輸。需要指出，UAV特殊的移動屬性、較高的垂直高度、自身的特性會對通信產(chǎn)生顯著影響，例如：機身的轉(zhuǎn)動、偏航和傾斜等。因此，傳統(tǒng)陸地移動通信的信道模型不能直接應(yīng)用在UAV通信中。為了準確設(shè)計與評估基于UAV的5G城市軌道交通通信應(yīng)用，深入研究其信道特性是必須的。圖3-13UAV輔助下的城市軌道交通5G應(yīng)用場景示意圖由于UAV能夠在三維空間中運動，UAV的實際運動軌跡往往具有較大的隨機性。北京交通大學團隊對此問題開展了深入研究，針對UAV通信場景，提出了一種基于三維幾何結(jié)構(gòu)的隨機信道模型。該模型綜合考慮了地面與路邊的散射能量，以及UAV終端運動軌跡對通信信號傳輸?shù)挠绊?。為了使UAV的運動軌跡更加符合實際場景，采用三維高斯馬爾科夫過程來刻畫UAV的運動狀態(tài)。該模型指出UAV的速度與運動方向的變化會對無線信道的統(tǒng)計特性產(chǎn)生較大影響，上述因素引起的非平穩(wěn)效應(yīng)會對UAV通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大影響，相關(guān)模型可應(yīng)用于UAV輔助下的5G城市軌道交通信道仿真與特性分析。此外，當UAV遇到惡劣天氣以及陣風時，懸停的UAV北京交通大學團隊對此問題開展了研究，針對UAV空-地通信場景開展了規(guī)則幾何信道建模。該模型探究了UAV旋轉(zhuǎn)對信道特性的影響，并將UAV旋轉(zhuǎn)建模成正弦過程。該模型指出即使UAV的旋轉(zhuǎn)幅度非常小，也會對信道特性產(chǎn)生較大影響，信道的相干時間會隨著UAV旋轉(zhuǎn)幅度的增加而增加，相關(guān)結(jié)論可用于5G城市軌道交通中融合UAV的通信系統(tǒng)設(shè)計與傳輸性能分析。未來融合UAV的5G城市軌道交通通信中，為了進一步提升通信系統(tǒng)的性能，可能需要采用頻率資源更加豐富的毫米波頻段，此時除了路徑傳輸損耗，還需要考慮大氣、雨、霧等因素對電波傳播的影響。由于該類通信場景傳播環(huán)境復雜，信道建模的難度更大。當前雖然已有部分研究探討過自然環(huán)境因素對信道特性的影響，但針對UAV高頻信道的應(yīng)用依然缺乏深入、系統(tǒng)的特性分析與模型開發(fā)。此外，RIS技術(shù)未來也有望與UAV技術(shù)相結(jié)合，進一步提升5G城市軌道交通通信系統(tǒng)性能。當前大多數(shù)研究主要集中在將RIS部署在建筑物的表面或室內(nèi)墻上，未來需要將RIS部署在UAV上，通過開發(fā)融合RIS技術(shù)的UAV無線信道模型，將為未來構(gòu)建新型城市軌道交通5G通信系統(tǒng)提供重要支撐。波形與多址技術(shù)面向城市軌道交通場景的5G波形技術(shù)在目前的城市軌道交通的建設(shè)與維護中，民用通信與專網(wǎng)通信多網(wǎng)業(yè)務(wù)共同存通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。例如，頻段相鄰的系統(tǒng)會造成相應(yīng)的阻塞干擾。另更高，從而產(chǎn)生了系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間的干擾。目前，5G提出了多種新型的波形技術(shù)，包括濾波正交頻分復用技術(shù)（FilteredOFDM，F(xiàn)-OFDM）、正交時頻空間（OrthogonalTimeFrequencySpace，OTFS）等。針對城軌場景中存在的挑戰(zhàn)，新波形技術(shù)可以利用其各自的優(yōu)勢進行解決。F-OFDM圖3-14：F-OFDM系統(tǒng)框圖F-OFDM可以看作是標準的OFDM的一種擴展，通過在發(fā)射機和接收機分別使用一對發(fā)射和匹配濾波器，如圖3.6-1所示為F-OFDM的系統(tǒng)框圖。在F-OFDM中，可以放松同步的要求，降低保護帶寬，提高頻譜利用。與傳統(tǒng)的OFDM相比，它將整個頻段可以分成不同的子頻帶，每個子帶可以使用不同的濾波器，子載波間隔，CP長度和IFFT尺寸。如此，F(xiàn)-OFDM可以支持靈活的參數(shù)配置，使其可以在城市軌道交通場景中支持不同網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多網(wǎng)多業(yè)務(wù)融合。在F-OFDM中，設(shè)計合適的濾波器是實現(xiàn)基于子帶的濾波并最大化F-OFDM優(yōu)勢的關(guān)鍵。通常，濾波器的設(shè)計需要涉及到時域和頻域之間的權(quán)衡，同時也要考慮實現(xiàn)的復雜度。通過濾波，F(xiàn)-OFDM可以抑制城市軌道交通場景中多業(yè)務(wù)間鄰帶頻譜泄漏所帶來的阻塞干擾。OTFSOTFS是一種在時延多普勒（DelayDoppler，DD）域中設(shè)計的新型的二維調(diào)制方案，通過該方案可以獲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，它減少了信道估計和信道均衡等物理層自適應(yīng)方案的開銷。OTFS在進行數(shù)據(jù)傳輸時，用戶首先將數(shù)據(jù)映射到DD域平面DD上，記為x[,]。隨后，用戶通過逆辛有限傅里葉變換（InverseSymplecticFiniteFourierTransform，ISFFT）操作將x[,]映射到時頻域平面TF上，表示為1N1M1

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

(3-1)與OFDM相比，OTFS對高多普勒擴展的信道具備更強魯棒性。針對未來城市軌道交通更高的運營速度，OTFS能夠緩解由多普勒頻移產(chǎn)生的對系統(tǒng)性能的影響。面向城市軌道交通場景的5G多址技術(shù)目前，世界軌道交通發(fā)達國家已相繼提出智能化發(fā)展戰(zhàn)略，智能軌道交通已成為新的增長點與競爭點。實現(xiàn)智能化需要大規(guī)模傳感及監(jiān)測設(shè)備收集海量數(shù)據(jù)，而先進的多址技術(shù)是使能海量連接的關(guān)鍵。目前5G研究了多種新型多址技術(shù)，包括稀疏碼多址接入（SparseCodeMultipleAccess，SCMA）、多用戶共享接入（Multi-UserSharedAccess，MUSA）以及串聯(lián)擴頻多址接入（TandemSpreadingMultipleAccess，TSMA）等。1、SCMA在SCMA上行鏈路的系統(tǒng)中，每個用戶分配有各自的碼本，每個用戶選擇其中的兩個資源塊進行映射，即不同碼本零的位置是不同的，從而可以有效的避免沖突，同時不同資源塊又有各自的星座映射圖，兩個資源塊的信息不同但是卻相互關(guān)聯(lián)，最后所有用戶的數(shù)據(jù)進行編碼后疊加發(fā)送。SCMA的接收端主要由三部分組成：信道均衡器，多用戶檢測器和糾錯譯碼器。信道均衡器的目的是補償信道衰落和多徑效應(yīng)帶來的碼間干擾，多用戶檢測器主要是利用消息傳遞算法（Messagepassingalgorithm，MPA）區(qū)分不同用戶的信息，糾錯譯碼器主要是進行信道譯碼。2、MUSA在MUSA中，每個用戶的調(diào)制后的數(shù)據(jù)符號采用特殊設(shè)計的序列進行擴展，而后每個用戶的擴展符號采用相同的無線資源進行傳送。在基站側(cè)，接收機采用串行干擾消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC）技術(shù)從疊加信道中對每個用戶的數(shù)據(jù)進行解碼。MUSA中特殊設(shè)計的分布序列用于確定多個用戶和系統(tǒng)間的干擾，需要具有相關(guān)性低且非二進制的特點，同時考慮SIC實現(xiàn)的復雜度，因而短的偽隨機序列是一個選擇。發(fā)...發(fā)...信道編碼射機...編碼信道段編碼調(diào)制段編碼調(diào)制預補償預補償信道接...信道編碼收機...信道段解碼解調(diào) 解擴用戶識別編碼段解碼解調(diào)解擴圖3-15.TSMA的收發(fā)機設(shè)計TSMA是一種新型的用以解決未來大規(guī)模機器通信（MassiveMachineTypeCommunication，mMTC）中大規(guī)模連接與有限的無線電資源這一矛盾的物理層多址接入技術(shù)。TSMA的收發(fā)機如圖3.6-2所示，它將用戶數(shù)據(jù)包進行分段，并利用多個的正交擴頻序列串聯(lián)地對不同的數(shù)據(jù)段進行擴頻，從而使有限的正交擴頻序列形成大量的不同的組合形式來分配給大規(guī)模的機器用戶。TSMA通過特定的算法來篩選相應(yīng)的序列組合以形成一個碼本，該碼本中序列組合具有一定的特性，使其能保證在大規(guī)模連接用戶進行零星匿名上行傳輸時用戶識別及數(shù)據(jù)檢測的性能。TSMA的優(yōu)勢在于其支持的連接數(shù)可以遠大于無線電資源的數(shù)量，從而能夠支持未來城鐵物聯(lián)網(wǎng)中海量的傳感設(shè)備傳輸。其次，TSMA可以在大規(guī)模連接中實現(xiàn)可靠接入，能夠使能未來關(guān)鍵城軌業(yè)務(wù)信息的傳輸。最后，TSMA通過結(jié)構(gòu)化設(shè)計碼本，使系統(tǒng)性能可以通過相應(yīng)參數(shù)推導得出，從而方便了上層設(shè)計。面向城市軌道交通場景的5G波形技術(shù)與多址技術(shù)結(jié)合盡管已有多種面向5G的波形技術(shù)及多址技術(shù)，但針對城市軌道交通自身的業(yè)務(wù)及場景特性，目前還沒有有效的方案來考慮5G波形與多址技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的問題。因此，如何將波形與多址技術(shù)進行有機的融合以克服現(xiàn)有城市軌道交通中存在的通信問題，或滿足未來智能城市軌道交通的需求，就具有一定的必要性及緊迫性。時變信道估計技術(shù)對于城市軌道交通無線通信系統(tǒng)，接入網(wǎng)中時變無線信道參數(shù)獲取是其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)時信道參數(shù)可能已經(jīng)變更，發(fā)送端需頻繁發(fā)送導頻信號才能滿足信號檢測所需的估計精度。此時密集導頻插入占用過多數(shù)據(jù)傳輸資源，降低有用信息速率。為簡化估計參數(shù)及提高估計精度，一般采用兩類模型將時變信道估計轉(zhuǎn)化為有限參數(shù)的估計：一類為基擴展模型（BasisExpansionModel，BEM）；另一類為自回歸模型（Auto-regressiveModel，ARM）。BEM模型將一段時間內(nèi)的時變信道用有限個基函數(shù)的線性組合來描述，可模擬含多普勒效應(yīng)的快時變信道，減少直接估計信道參數(shù)的次數(shù)。AR模型計算過去時刻的信道線性加權(quán)組合來預測未來信道變化特性。文獻[2]針對點到點通信系統(tǒng)的時變頻率選擇性信道，利用復指數(shù)基擴展模型逼近時變信道，設(shè)計信道估計算法，并指出最優(yōu)導頻是前后為0中間為1的序列。文獻[3]針對天線通信系統(tǒng)的多天線時變信道，利用復指數(shù)基擴展模型來逼近時變信道，并利用時域信道稀疏特性結(jié)合壓縮感知技術(shù)設(shè)計估計算法。文獻[4]針對無線中繼信道BEM時變信道進行估計，并設(shè)計最優(yōu)導頻。文獻[5]利用AR模型來表示時變信道，采取卡爾曼濾波（Kalmanfilter）法迭代估計信道參數(shù)并檢測信號。文獻[6]利用了軌道交通場景行駛路線固定和行駛速度可預知的特點，挖掘了基站天線到列車天線間的歷史信道統(tǒng)計信息來獲取獨特特征向量基矩陣（Eigenvector-BEM）進行時變信道估計。與傳統(tǒng)的估計算法相比，該方法在軌道交通場景能有效提高估計精度。大規(guī)模天線（massiveMIMO）是5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于軌道交通場景下MassiveMIMO系統(tǒng)，無線信道估計是著名難題，需要解決快速時變信道、超大規(guī)模信道參數(shù)、導頻污染三大挑戰(zhàn)。目前研究多數(shù)假設(shè)信道準靜態(tài)，對于時分雙工（TimeDivisionDuplexing，TDD）模式，利用信道互易性，即通過上行信道估計獲取工（FrequencyDivisionDuplexing，F(xiàn)DD）模式，信道互易性不再成立，此時可以采相關(guān)特性來減小有效信道維數(shù)[7]，也可以結(jié)合陣列信號處理理論從角度域出發(fā)來減少待估計的信道參數(shù)[8]。切實可行的快速時變大規(guī)模信道估計或者跟蹤算法還有待研究。此外，隨著軌道交通智能化及無線通信系統(tǒng)高速化發(fā)展，以毫米波（milimeterWave，mmWave）及波束賦形技術(shù)（Beamforming）為支撐的5G智慧軌道交通網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。針對mmWave及Beamforming等5G關(guān)鍵技術(shù)的信道估計方案是亟待解決的難題之一。在波束域基于mmWave的massiveMIMO系統(tǒng)中，當接收機射頻鏈數(shù)受限時，信道估計問題復雜度極高。文獻[9]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思想提出一種基于去噪近似消息傳遞網(wǎng)絡(luò)，從大量的訓練數(shù)據(jù)中學習信道結(jié)構(gòu)和估計信道。文獻[10]利用mmWave信道空間頻率相關(guān)性，提出一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道估計算法以提高估計精度及降低導頻開銷。文獻[11]挖掘信道固有的稀疏特性，提出了一種低復雜度的稀疏信道估計算法。該算法從噪聲空間中分離出信道采樣基于傳統(tǒng)的離散傅里葉變換信道估計，使問題簡化為估計信道抽頭系數(shù)，大大降低計算復雜度。文獻[12]在討論mmWave波束偏移與空間寬帶效應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，針對具備混合模擬/數(shù)字預編碼FDD毫米波大規(guī)模天線系統(tǒng)，提出一種基于壓縮感知的算法提取上行信道頻率不敏感參數(shù)（達到角和時延）及頻率敏感參數(shù)（復信道增益），并利用信道互異形簡化下行信道估計復雜度。具備低復雜度及較高精度的實時mmWave信道估計算法還存在大量研究空間。最后，新型反向散射技術(shù)的興起[13]和智能反向散射表面的發(fā)展[14]正不斷提升切換技術(shù)考慮軌道交通場景下的帶狀的C/U解耦5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。宏覆蓋采用Sub6G頻段，主時，發(fā)生頻繁的切換。我們把幾個射頻拉遠單元直接用光纖連接，組成一個超級小區(qū)，這樣不僅擴大了覆蓋范圍，也有效解決了頻繁切換的問題。避免信號的穿透損耗和解決群切換的問題，我們在車頂裝一個中繼，來幫助乘客在火車運行中連接無線接入點或宏基站。無線接入點和中繼通過有線鏈路連接。通過這種方式流動乘客的管理也可以簡化。圖3-16軌道交通場景下C/U解耦網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型由于軌道交通場景下終端的移動軌跡易于預測，避免高速移動導致切換失敗率高的問題，采用灰色模型(GM)對切換點進行預測以解決切換滯后的問題。在超級微基站信道條件不好的時候，移動終端需要切換到宏基站來保證通信的連續(xù)性?？紤]到宏基站和微基站發(fā)射功率的差別，引入一個權(quán)重α（α>0）來幫助用戶選擇目標基站，當宏基站接收功率大于微站1+α倍時，接入宏基站。切換方法包括優(yōu)先級較高的同層切換和跨層切換。用Snei.s和SM型的接收信號強度預測值，Scur.s表示當前服務(wù)超級小區(qū)的接收信號強度?？紤]到滯后作用，當同層鄰基站或宏基站信號優(yōu)于當前服務(wù)基站，此時觸發(fā)切換。切換方法具體如下同層切換：如果滿足Snei.s?Scur.s≥Hyst，其中Hyst是切換閾值，則切換到目標超級微基站?；拘诺罈l件不好時，用戶應(yīng)及時切換到宏基站。大規(guī)模天線技術(shù)大規(guī)模多天線（massiveMIMO）技術(shù)作為5G的物理層關(guān)鍵技術(shù)之一，同樣也是城市軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)的物理層關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)通信方式是基站與手機間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術(shù)中，基站端擁有多根天線，可以自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位，使其在手機接收點形成電磁波的疊加，從而達到提高接收信號強度的目的。從基站方面看，這種利用數(shù)字信號處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構(gòu)造，因此稱為“波束成形”(Beamforming)。通過這一技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其它方向擴散，從而可以將信號能量的時空分布與具體場景和通信的區(qū)域進行適配；與此同時，基站可以通過監(jiān)測用戶的信號，對其進行實時跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動，保證在任何時候手機接收點的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)。大規(guī)模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線，對幾十個目標接收機調(diào)制各自的波束，通過空間信號隔離，在同一頻率資源上同時傳輸幾十條信號。這種對空間資源的充分挖掘，可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源，并且?guī)资兜靥嵘W(wǎng)絡(luò)容量。圖3-17單天線與多天線形成的天線方向圖面向城市軌道交通場景的5G系統(tǒng)在大規(guī)模天線方面需要解決的關(guān)鍵問題包括波束管理、混合波束的優(yōu)化設(shè)計、低功耗的波束設(shè)計、天線形態(tài)的創(chuàng)新等。面向城市軌道交通場景的5G波束管理的離開和到達方向；在通信過程中，由于終端和環(huán)境的相對移動性而導致信道的變甚至是鄰小區(qū)之間的波束切換。圖3-18基站側(cè)與終端側(cè)通過波束管理保障通信鏈路的質(zhì)量在城市軌道交通場景下，隧道為主的情況下導致無線信號的傳播機理發(fā)生變化，因此根據(jù)終端位置等信息進行場景的有效識別，進而充分利用軌道交通的移動特性進行有效的波束管理是面向城市軌道交通5G系統(tǒng)的一個基本問題和基本技術(shù)方向。同時，考慮到終端側(cè)具有加速度計等各種傳感器，因此，利用傳感器的數(shù)據(jù)輔助進行波束跟蹤，是提高波束管理性能的有效途徑。面向城市軌道交通場景的5G混合波束設(shè)計5G系統(tǒng)中鑒于射頻鏈路的成本、功耗等因素，一般采用混合波束賦形（Hybridbeamforming）的架構(gòu)，其等效鏈路如下圖，核心涉及到兩個部分，即數(shù)字預編碼和模擬預編碼。圖3-19等效鏈路模擬預編碼部分產(chǎn)生覆蓋波束，并以SSBlock的形式周期性地廣播同步信號，提供終端同步的基礎(chǔ)，而數(shù)字波束部分則根據(jù)信道狀態(tài)信息，提高具體數(shù)據(jù)傳輸階段的性能，包括復用和分集增益。在城市軌道交通場景下，對模擬波束進行優(yōu)化設(shè)計，涉及到兩個基本的方面，即適配地形、業(yè)務(wù)需求等因素，通過場景識別，設(shè)計場景化的保障5G的有效覆蓋，使得終端接入時延和接入成功率得以增強；協(xié)調(diào)周邊基站，形成時空二維的有序覆蓋，從而降低同頻干擾，提高覆蓋性能。對數(shù)字波束賦形的優(yōu)化設(shè)計，也涉及到兩個基本的層面，即同一個小區(qū)內(nèi)協(xié)調(diào)模擬波束賦形，提高小區(qū)內(nèi)的傳輸性能，其挑戰(zhàn)在于模同時，通過小區(qū)間協(xié)作，降低干擾、提高傳輸效率是基本技術(shù)，同時考慮到CU/DU分離以及MEC服務(wù)器下沉的基礎(chǔ)架構(gòu)，在DU層面實現(xiàn)分布式的多小區(qū)協(xié)作傳輸是城市軌道具體5G系統(tǒng)性能突破、成本降低的一個重要突破口。面向城市軌道交通場景的5G低功耗的波束設(shè)計大規(guī)模多天線技術(shù)以及相關(guān)的毫米波技術(shù)在應(yīng)用、部署之后的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是功耗。除基站所處環(huán)境，如空調(diào)、機房監(jiān)控設(shè)施等設(shè)備的功耗之外，基站本身的功耗主要包括BBU和AAU的功耗。BBU主要負責基帶數(shù)字信號處理，比如FFT/IFFT，調(diào)制/解調(diào)、信道編碼/解碼等。AAU主要由DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）、RF（射頻單元）、PA（功放）然后通過PA放大至足夠功率后，由天線發(fā)射出去。隨著收發(fā)（TRX）鏈路的增加，基站總功耗成倍增加。比如，大規(guī)模多天線面板的天線單元越多，每個天線單元都有PA和RF單元，TRX鏈路增加，同時BBU的計算功耗也隨著TRX鏈路增加而上升，因此基站總功耗隨之上升。影響基站功耗的主要因素為PA功耗、漏電功耗和芯片功耗。PA是基站發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。射頻信號必須經(jīng)過PA放大獲得足夠的射頻功率才能饋送到天線并輻射出去，因此PA是最耗電、效率最低的器件。為此，在實際部署的系統(tǒng)中需要從多個方面進行功率效率的提升。總體而言，包括如下幾個方面。增強的射頻功放非線性特性處理。隨著PA輸出功率增大并接近于飽和輸出功率時，功放器件非理想特性導致非線性失真變大，從而嚴重影響信號傳輸質(zhì)量。為了減少非線性失真，PA一般采用回退（Backoff）方式，即調(diào)低放大器工作點以確保輸出功率操作在線性區(qū)，從而維持功放線性度。但回退操作降低PA功率效率，使得PA將功放非線性的影響綜合反映在基帶處理中，以數(shù)字預失真算法（DPD）等技術(shù)解決功放非線性是一種可行的方式，其挑戰(zhàn)在于大規(guī)模天線的射頻器件除了非線性特性之外，還存在顯著的記憶效應(yīng)與參數(shù)動態(tài)變化特性，特別是在高頻情況下尤為顯著。通過設(shè)備級、站點級和網(wǎng)絡(luò)級三個方面實現(xiàn)節(jié)能，設(shè)備級主要包括器件、硬件設(shè)計等方面的硬件節(jié)能方案；站點級節(jié)能，主要包括亞幀、通道關(guān)斷及深度休眠等軟件節(jié)能方案；網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能，指從多網(wǎng)協(xié)調(diào)角度實現(xiàn)智能節(jié)能方案。設(shè)備級節(jié)能除了功放效率之外，重點解決數(shù)字器件的集成度和芯片處理能力。在芯片處理能力提升的同時，數(shù)字中頻和基帶處理部分需要進一步優(yōu)化算法，降低處理復雜度，降低功耗。在站點級節(jié)能方面，主要通過亞幀關(guān)、通道關(guān)斷、深度休眠、載波關(guān)斷等方式實現(xiàn)基站能力與業(yè)務(wù)的適配，充分挖掘業(yè)務(wù)的時空動態(tài)特性以自適應(yīng)地調(diào)整基站功率單元的工作模式、天線面板與天線射頻鏈路的激活模式，以及基于部分帶寬等機制的基帶時頻資源激活模式。下圖給出了一種典型的天線通道關(guān)斷方式實現(xiàn)基站天線與業(yè)務(wù)的適配機制。圖3-20將部分射頻鏈路關(guān)閉，實現(xiàn)大規(guī)模天線與業(yè)務(wù)的匹配網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能技術(shù)包括通過多小區(qū)協(xié)作傳輸（CoMP）技術(shù)實現(xiàn)多小區(qū)的功率聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)，從而降低網(wǎng)絡(luò)功耗；通過多網(wǎng)協(xié)作技術(shù)，利用現(xiàn)網(wǎng)的配置、性能統(tǒng)計等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的前提下對小區(qū)進行關(guān)斷，以實現(xiàn)降低現(xiàn)網(wǎng)能耗的目標；通過高低頻輔助傳輸實現(xiàn)信道測量、信道反饋、信道估計和波束設(shè)計的跨頻段協(xié)作優(yōu)化，以低頻的傳播優(yōu)勢與高頻的帶寬優(yōu)勢進行互補，形成一個綜合優(yōu)勢的覆蓋與傳輸網(wǎng)絡(luò)。同時需要進一步探索基于人工智能與大數(shù)據(jù)的5G節(jié)能技術(shù)，研究智能的業(yè)務(wù)預測算法與系統(tǒng)干擾預測機制，提高針對每個小區(qū)、不同時間點的預測準確度，從而精細化制定相應(yīng)的節(jié)能策略