6G智能轨道交通白皮书

微信扫码，打开到小程序

6G智能轨道交通白皮书 6G智能轨道交通白皮书 目录 1. 前言.............................................................................................................. 1 2. 6G 轨道交通覆盖技术概述......................................................................... 2 2.1. 6G 轨道交通无线信道.......................................................................2 2.2. 6G 轨道交通覆盖技术.......................................................................4 2.3. 去蜂窝大规模 MIMO 技术..................................................................6 2.4. RIS 在高速移动场景中的应用.........................................................8 3. 6G 轨道交通传输关键技术......................................................................... 9 3.1. 面向未来高铁的智能快速随机接入................................................9 3.2. 面向高铁 6G 演进的多址接入技术................................................10 3.3. OTFS 在智能高铁中的应用.............................................................13 3.4. 太赫兹通信在高速移动场景中的应用..........................................14 4. 构建智能安全的 6G 轨道交通.................................................................. 16 4.1. 面向 6G 轨道交通的边缘智能技术................................................16 4.1.1. 面向 6G 轨道交通的边缘智能网络架构...................................... 16 4.1.2. 边缘智能技术................................................................................ 17 4.2. 轨道智能交通系统 6G 网络内生安全............................................18 4.2.1. 轨道交通 6G 网络面临的安全威胁与挑战.................................. 19 4.2.2. 轨道交通 6G 网络内生安全架构.................................................. 20 4.2.3. 轨道交通 6G 网络内生安全关键技术.......................................... 22 4.3. 轨道交通数字孪生网络..................................................................26 5. 轨道交通物联网技术................................................................................ 29 5.1. 高铁物联网监测及传输技术..........................................................29 5.1.1. AI 助力的铁路物联监测技术....................................................... 29 5.1.2. 时域功率分配增强的铁路传输技术............................................ 30 5.1.3. 无线射频供电驱动的高铁物联网技术........................................ 31 5.1.4. 无人机辅助的的高铁物联网传输计算技术................................ 32 5.2. 绿色物联网反向散射技术在 6G 轨道交通中的应用....................33 5.3. 面向智能高铁的基于 6G 的海量机器类通信................................34 5.4. 通信感知一体化..............................................................................35 参考文献..............................................................................................................39 致谢......................................................................................................................41 1 1. 前言 移动通信系统具有“使用一代、建设一代、研发一代”的发展特点，预计到 2030 年将实现第六代移动通信系统（Sixth-Generation, 6G）的商用。世界各国已 经开始了 6G 研究，例如芬兰率先启动 6Genesis 旗舰研究计划，美国联邦通讯委 员会为 6G 研究开放太赫兹频谱。2019 年 11 月，我国科技部成立了 6G 技术研 发推进工作组和总体专家组，以“创新、协调、绿色、开放、共享”为内涵的新 发展理念，成为推动移动通信网络可持续发展的思路、方向和着力点，标志着我 国 6G 研究正式开始。 交通是兴国之要、强国之基。2019 年 9 月，我国颁布的《交通强国建设纲 要》明确指出，到 2035 年，基本建成交通强国，到本世纪中叶，全面建成人民 满意、保障有力、世界前列的交通强国。为了符合未来智能交通通信的愿景，铁 路运输行业需要开发创新的通信网络架构和关键技术 [1]，以确保为乘客及铁路运 营和控制系统提供高质量的传输。 6G 通信系统是一个地面无线与卫星通信集成的全连接世界，可实现全球无 缝覆盖，其不再是简单的网络容量和传输速率的突破，更是为了实现万物互联的 “ 终 极 目 标 ” 。 6G 的 数 据 传 输 速 率 可 能 达 到 第 五 代 移 动 通 信 系 统 （Fifth-Generation, 5G）的 50 倍，时延缩短到 5G 的十分之一，在峰值速率、时 延、流量密度、连接密度、移动性、频谱效率、定位能力等方面远优于 5G。在 超高速交通场景下，一些终端移动速度将超过 1000km/h，需满足超高速下的超 高安全性和超高精度定位需求。而 5G 定义的 ITU 指标仅支持 500km/h 的移动 速度，对安全和定位精度没有定义。因此，对于未来智能交通应用场景带来的指 标需求，仅依靠 5G 现有的网络和技术是难以满足的，需要未来的 6G 网络提供 比 5G 更全面的性能指标，如超低时延抖动、超高安全、立体覆盖、超高定位精 度等。 6G 的发展将为多元化的服务质量（Quality-of-Service, QoS）需求、实时触 觉交互、定制开放服务、通信融合、广播、计算、传感、控制、安全和人工智能 等奠定基础。6G 网络架构方面还需要进行创新，如空天地海一体化网络、全频 谱全维度覆盖、智能自感知、机器学习、优化与演进等。另一方面，未来智能交 通网络的潜在应用包括自动列车驾驶、协同列车网络、列车互联、超高清（4K/8K） 列车视频、列车自组织网络和超精确(厘米级)列车定位。 在 6G 智能交通领域，国内外高校和研发机构相继提出了多种技术方案 [2]， 但这些方案都处于概念阶段，能否成功实现还需更深入的研究与验证。欧洲铁路 研究咨询委员会（ERRAC）制订了《Rail Route 2050》计划，提出基于 6G 的高 资源效率、智能化 2050 年轨道交通系统发展蓝图。欧盟 Hexa-X 6G 项目面向高 速移动场景和需求，定义了全新的 6G 智能网络架构，开发和实现 6G 各项关键 使能技术。芬兰 6Genesis 研究计划将自动驾驶作为主要应用场景之一，设计了 支持 99.99999%可靠性、1ms 时延、和 1000 km/h 超高速移动性的 6G 网络和技 术。 为了满足 6G 智能交通应用的要求，需要全新的移动通信网络和技术突破， 包括但不仅局限于： 2 （1）去蜂窝大规模 MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）网络架构：为了解 决超高移动性导致的传统蜂窝网络中频繁的切换和巨大的开销问题，去蜂窝大规 模 MIMO 可保证无缝切换和高质量的覆盖。 （2）通信-感知一体化技术：针对铁路建设、装备、运营的各个环节和场景，复 用无线通信网络与基础设施的硬件设备、信号处理算法、通信协议等，将接入终 端、基站甚至轨道交通无线通信网络作为智能感知、透彻感知的载体 [3]，从而支 撑轨道交通建设环境的监测检测、运营环境的监测检测以及智能高效绿色的无线 通信。 （3）人工智能与安全技术：人工智能技术具有自学习、优化和演进的特点，在 6G 智能交通网中的应用前景广阔。轨道交通的高效运行与高质量应用服务体验， 需要基于人工智能对海量数据及信道信息进行分析处理。同时，为了保障关键信 息、应用服务、以及运营的安全性，又需要融合一系列安全相关的技术，尤其是 内生安全技术，在轨道交通网络中实现可靠、安全的智能分析与计算。 （4）新的超可靠超低时延（Ultra-Reliable Low Latency Communications, URLLC） 技术：为保证自动列车的行驶速度达到 1000 公里/小时以上(如新兴的超级高铁 系统)，进一步研究有限块码长下的新型 URLLC 帧结构来实现超可靠性和超低 延迟之间的权衡也是至关重要的 [4]。 （5）数字孪生网络：对轨道交通网络进行实时的映射分析，包括对列车运行状 态进行感知处理，对列车司机（如紧张、醉酒、困倦、兴奋等）的行为进行监控、 预测和决策等，对高铁的安全运营具有重要意义。基于 6G 的数字孪生网络可以 从根本上改变列车及司机的历史和当前行为、状态的数字特征，从而进行反馈控 制并优化其性能。 通过应用 6G 新网络和新技术，未来智能交通的网络、广播、通信、互动和 安全将得到极大改善，从而大幅提升人们的出行体验和效率。 2. 6G 轨道交通覆盖技术概述 2.1.6G 轨道交通无线信道 轨道交通行业是国家经济发展的支柱行业之一，在中共中央、国务院印发的 《交通强国建设纲要》中明确指出要构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代 化综合交通体系，打造一流设施、一流技术、一流管理、一流服务，建成人民满 意、保障有力、世界前列的交通强国。未来轨道交通将向着客运服务网络化、运 输组织智能化、安全监控自动化等方向发展，高效可靠的专用通信系统是轨道交 通智能化建设的必要保障，行业内对基于 6G 的铁路通信服务需求持续增长。 对电波传播特性及信道建模的研究是无线通信系统设计和评估的重要基础， 随着 6G 技术向全场景、全频段、全覆盖维度的拓展 [5]，6G 轨道交通通信场景呈 现更加多元化和复杂化的趋势，除了传统低频段车-地通信，6G 轨道交通还将包 括空-地通信、高频通信、物联网、车-车通信等新场景，如图 1 所示，这对 6G 轨道交通信道测量和建模的研究提出了新的挑战。当前，6G 轨道交通无线信道 的研究与应用主要存在如下难点与挑战。 3 图 1 轨道交通 6G 通信典型场景信道示意图 （1）轨道交通车-车通信信道 轨道交通车-车通信对全面保障 6G 轨道交通无人驾驶、自动驾驶、全自动 运营等应用具有重要意义。6G 轨道交通车-车通信场景中，收发端列车的快速双 移动会带来更加复杂的多普勒效益变化，并引起复杂的信道时变性，通信的广义 平稳假设面临更大的挑战。此外，列车运行过程中收发端较长的通信距离、车体 近端反散射体分布特性、复杂环境非视距传播等因素会极大地影响车-车无线信 道的特性，对信号的可靠传输带来挑战。 （2）轨道交通毫米波信道 毫米波通信可以为轨道交通提供更高的带宽和数据传输速率。然而毫米波频 段的传播损耗相比低频段要高很多，除极高的自由空间传播损耗和车体透射损耗 外，还会受到大气衰减、雨衰和植被衰减等因素的影响。此外，轨道交通中毫米 波通信还需要克服比低频段更加严重的多普勒效应。高频段下轨道交通的高移动 特性会使得信道的多径（簇）生灭特性加剧、非平稳特征更加显著、信道的变化 特性更加难以建模，这为毫米波通信技术在 6G 轨道交通场景下的应用带来了更 大的挑战。 （3）轨道交通物联网信道 轨道交通场景下物联网可通过海量传感设备实时采集系统中各类设备、人员 和环境信息，并进行实时的信息交互，实现轨道交通系统中设备、人、车等要素 的全连接，大幅提升综合管理的智能化水平、可靠性和效率。在信道层面，轨道 交通物联网中海量的接入设备、丰富的部署方式、随机变化的人流因素均会显著 增加无线传播环境的复杂性，影响物联网节点的连通性能。此外，物联网全连接 信道中多样化的无线传播链路，在传播距离、散射环境、发射功率、信号带宽、 衰落特征等方面存在显著差异 [6]，这也为物联网信道特性的刻画和标准化模型的 建立提出了更高的挑战。 4 （4）轨道交通空-地信道 无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）等空中平台在未来 6G 通信中得 到了广泛关注。由于其通用性和高移动性，无人机可以作为空中基站辅助提升 6G 轨道交通的通信质量。与传统陆地移动通信相比，无人机空-地通信具有很多 新特点，如较高的飞行高度、三维高移动性、高视距传播概率等。但由于无人机 载荷、供电、以及特殊区域禁飞等因素的限制，轨道交通场景下空-地信道测量 难度很大，目前的一些测试及相关研究主要集中在静态非轨道交通场景、<6 GHz 频段及单天线配置等情况。此外，特定频段下大气、雨、雾等自然因素造成的信 道复合式衰落特性也尚未得到充分研究。为充分探究 6G 轨道交通空-地信道特 性，亟需开展典型场景下信道测量工作，深入分析空-地信道多径分布及其成簇 规律，创建精准的空-地高移动性信道模型，以支撑 6G 轨道交通场景下空地协 同通信系统的设计。 （5）轨道交通智能反射信道 可重构智能面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）技术的出现为 6G 轨 道交通通信覆盖的增强及传输性能的提升提供了更多的技术选择，尤其适用于 6G 轨道交通复杂场景下超可靠覆盖的保障。目前大多数研究主要将 RIS 部署在 建筑物表面，而在轨道交通场景下 RIS 可以更加灵活的部署在铁轨沿线，也可将 RIS 部署在无人机上通过空中 RIS 来解决轨道交通特殊场景的可靠通信难题。然 而，当前对 RIS 信道的研究依然处于起步阶段，大规模 RIS 振源电磁辐射及传 播损耗特性、电波智能反射传播过程的解析分析、基于几何的 RIS 随机性信道建 模、高速移动状态下波速的精准调控及相位设计、RIS 振源幅相特性与无线信道 的相互影响机制、以及典型场景下的信道实测等均缺乏深入研究，直接制约着轨 道交通场景下 RIS 技术的应用。 （6）轨道交通智能电波预测 6G 轨道交通无线信道的研究中，人工智能技术在信道特征提取、信道学习 与状态分析、智能电波预测等方面得到广泛的应用，能够全面提升无线电波预测 的智能化程度和准确性。一方面，人工智能技术将支撑对 6G 轨道交通信道数据 特征的深度挖掘，建立数据-特征-场景-无线电波之间的复杂关联；另一方面， 人工智能将借助所挖掘的无线电波与历史数据、场景等信息的复杂关联，充分利 用轨道交通轨迹固定的特点，实现智能化的无线电波预测，全面改变轨道交通无 线电波覆盖预测的模式，构建基于大数据的电波预测数据库和模型库，提升轨道 交通覆盖预测与优化分析的智能化水平和准确性。 2.2.6G 轨道交通覆盖技术 随着我国轨道交通网络的迅猛发展，以信息及通信技术驱动的轨道交通高质 量服务需求也在持续增长。根据党中央国务院发布的《交通强国建设纲要》，未 来轨道交通将逐步向着智能化、智慧化的方向发展，这需要加快推动 6G、大数 据、人工智能等技术与轨道交通行业深度融合，构建泛在先进的轨道交通信息基 5 础设施。为了实现这一愿景，轨道交通需要高效可靠的专用通信系统，而通信网 络的覆盖质量是轨道交通通信系统的重要基础性指标。6G 轨道交通场景和业务 应用更加丰富，通信场景高可靠深度覆盖的需求显著提升。考虑到轨道交通场景 移动性高、环境复杂、网络结构时空频尺度跨度大、资源属性差异大、以及存在 多类型和全场景的异构业务，如何实现容量和能效约束下的高可靠电波覆盖将成 为未来轨道交通建设发展的主要瓶颈之一。由于未来 6G 网络的基础设施将从平 面到立体延伸、从局部到全球延伸、从中低频段向高频段延伸，无人机、智能超 表面、毫米波、超大规模天线、精准波束追踪等将成为 6G 轨道交通覆盖扩展技 术的重要驱动力，如图 2 所示。 图 2 轨道交通场景下 6G 覆盖扩展技术应用示意图 与传统陆地通信相比，UAV 通信具有诸多新特点，如较高的视距概率、更 加灵活的部署方式等，可以作为空中基站提升 6G 轨道交通各类复杂恶劣传播场 景下的覆盖质量。但高动态传播环境、极端天气条件、以及空-地信道反散射体 分布及传播机制等因素，增加了 UAV 空-地信道建模的难度，这也成为评估 UAV 辅助 6G 轨道交通覆盖性能的关键。此外，UAV 的能量受限性也是影响无线覆 盖性能的重要因素之一，有必要通过轨迹优化算法降低 UAV 能耗，从而满足 6G 轨道交通高能效绿色覆盖的需求 [7]。UAV 复杂三维运动姿态是影响无线覆盖性 能的另一重要因素，可以通过优化 UAV 仰角、时间分裂因子等参数，在给定的 可容忍中断概率下最大化覆盖范围，提升 6G 轨道交通覆盖的广度。在 UAV 辅 助的无线网络覆盖中，需要针对 UAV 立体协同组网方式构建立体协同移动跟踪 覆盖机制，从而提高地面大规模接入节点的覆盖深度。UAV 也可用于轨道交通 应急场景非均匀业务需求下的按需覆盖和动态资源适配，通过空中基站的联合部 署，在地面轨道交通网络存在的前提下利用低空 UAV 携带基站