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中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 2020 年 11 月 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 中国信息通信研究院泰尔实验室 北京交通大学 石家庄市轨道交通有限责任公司 中国移动通信集团广东有限公司 中国移动通信集团江苏有限公司 中国移动通信集团浙江有限公司 中国移动通信集团山东有限公司 中国移动通信集团北京有限公司 中国移动通信集团云南有限公司 中国移动通信集团河北有限公司 中国移动通信集团重庆有限公司 中移（上海）信息通信科技有限公司 中国移动通信有限公司研究院 中国移动通信集团设计院有限公司 北京尼克耐特计算机科技有限责任公司 八维通科技有限公司 中车青岛四方车辆研究所有限公司 华为技术有限公司 中兴通讯股份有限公司 上海诺基亚贝尔股份有限公司 腾讯云计算(北京)有限责任公司 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 目 录 1.前言.1 2.城市轨道交通 5G 网络需求分析.2 2.1 概述.2 2.2 5G 业务场景及需求分类.4 2.3 运营及维护类应用.4 2.4 车地无线通信类应用.7 2.5 旅客服务类应用.9 3.城市轨道交通中的 5G 关键技术.13 3.1 5G 关键技术与城市轨道交通需求匹配分析.13 3.2 5G 网络隧道覆盖方案.15 3.3 城市轨道交通 5G 专网建设方案.18 3.4 城市轨道交通 5G 网络切片方案.20 3.5 信道测量与建模.24 3.6 波形与多址技术.31 3.7 时变信道估计技术.34 3.8 切换技术.35 3.9 大规模天线技术.36 3.10 面向轨道交通的超可靠低时延技术.41 3.11 5G 网络系统干扰分析.43 3.12 信息安全.44 3.13 城市轨道交通列车 5G 覆盖增强技术.50 4.城市轨道交通 5G 应用及案例.52 4.1 5G 地铁大数据客流分析.52 4.2 5G 地铁智慧室分定位.54 4.3 基于 5G 网络的高清视频监控.57 4.4 基于 5G 网络的高清视频直播.61 4.5 基于 5G 的车地通信系统.64 4.6 5G 车载 PIS 系统.66 4.7 基于 5G 的列车状态数据回传.67 4.8 城轨列车基于 5G 的 AI 智能交互应用.67 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 4.9 5G 边缘 MEC 应用.68 4.10 地铁云端联动指挥系统.73 4.11 基于 5G 网络的 VR-云游戏.78 5.总结与展望.81致谢.82 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 1 1.前言 城市轨道交通作为城市动脉和大众化的交通工具，是最具可持续性的交通运输模式，是国家关键基础设施和重要基础产业，对我国经济社会发展、民生改善和城市安全起着不可替代的全局性支撑作用。2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会召开会议，强调要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。2020年4月，国家发改委首次明确新型基础设施建设的范围，包括信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施。5G网络、城际高速铁路和城市轨道交通、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域位列其中，范围涉及诸多产业链。在此背景下，5G技术与城市轨道交通行业将迎来重大历史发展契机。中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要指出，要利用云计算、大数据、5G等技术，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国式智慧型城市轨道交通。为了实现该目标，未来的无线通信系统必须具备更多样化的性能保证以承载各种新兴业务，从而促进工业化和信息化的深度融合。而针对多场景和多目标的5G网络系统完全满足当前对新场景和新业务的需求，成为实现城市轨道交通智能化的重要支撑。中国移动抢抓机遇，顺应发展潮流，致力于建立推动城市轨道交通整体发展的开放、共享的技术平台，大力推进产学研合作和项目成果转化。本白皮书探讨了5G技术在城市轨道交通中的应用需求，分析了适用于城市轨道交通复杂场景的行业专网、网络切片、隧道覆盖、列车覆盖等建设方案，以及信道建模、波形与多址、信道估计切换、大规模天线、超可靠低时延和轨道交通信息安全等5G关键技术。提出了5G大数据客流分析、室内定位、5G移动边缘计算应用；基于5G网络的高清视频监控、视频直播、VR云游戏以及基于5G的车地通信系统等多种实际应用案例，是一部面向城市轨道交通场景与业务，兼具5G理论、关键技术以及实际应用的白皮书。中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 2 2.城市轨道交通5G网络需求分析 2.1 概述概述 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WIFI 5.8GHz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 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 3 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60KB，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，进而影响其他乘客乘车，产生乘客在闸机口聚集的安全隐患，极端情况下会导致网络崩溃，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 2Mbps 5（并发）10Mbps 运营 CCTV回传 2Mbps 16（并发）32Mbps 通号 应急视频摄像头 5Mbps 5（并发）25Mbps 通号 应急通讯终端 2Mbps 10（并发）20Mbps 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 4 票务 应急扫码保障 50Mbps 1 单站下行 50Mbps 运维 轨行视频 8Mbps 4（并发）32Mbps 运维 远程维修 8Mbps 4（并发）32Mbps 商业 IOT广告 2Mbps 10 下行 20Mbps 2.2 5G 业务场景及需求分类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。2.3 运营及维护运营及维护类类应用应用 2.3.1 智慧安防应用智慧安防应用 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100 ms，可靠性为99.99%。2.3.2 智慧安检应用智慧安检应用 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光安检机监控中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 5 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%。2.3.3 智慧票务应用智慧票务应用 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10 ms，可靠性为99.999%。2.3.4 智慧能耗管理应用智慧能耗管理应用 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网络大带宽、低时延特性为能源提供可视化巡查手段，提升远程协助处理能力，辅助故障研判，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50 ms，可靠性为99.99%。2.3.5 车站设备管理应用车站设备管理应用 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20 ms，可靠性为99.999%。2.3.6 全息感知智慧车站系统应用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专网与城轨内部各信息系统业务数据信息交换，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中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 6 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20 ms，可靠性为99.999%。2.3.7 突发应急处理应用突发应急处理应用 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%。2.3.8 高效调度指挥应用高效调度指挥应用 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，实现客流与运能的供需匹配联动。二是调度各线路协同做好乘客诱导，利用车站多媒体进行信息发布，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20 ms，可靠性为99.99%。中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 7 2.3.9 工作人员无线办公接入应用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50 ms，可靠性为99.99%，非周期性接入。2.4 车地车地无线无线通信类应用通信类应用 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)，用于路网异常情况下的乘客通知及运营服务信息发布。2.4.1 CBTC系统应用需求系统应用需求 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106。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：MTBF2 104h。车地通信设备的平均故障修复时间：MTTR30min。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。中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 8 2.4.2 列车运行状态监测应用需求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%。2.4.3 IMS系统应用需求系统应用需求 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业务带宽需中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 9 求为22 Mbps=4 Mbps（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41 Mbps=4 Mbps（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。2.4.4 城市轨道交通城市轨道交通车地车地无线通信需求总结无线通信需求总结 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 1 CBTC系统 每列车100 kbps 每列车100 kbps 小于150ms 小于150 ms 正线、出入段/场线、段/场咽喉区、段/场车库内、试车线 1 2 列车运行状态监测 100kbps 小于150 ms 小于150 ms 正线、段/场停车列检库内 2 3 IMS监控图像回传 正线 车辆基地 正线、段/场停车列检库内 2 4 Mbps 4 Mbps 2.5 旅客服务类应用旅客服务类应用 2.5.1 大数据智慧客流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20 ms，可靠性为99.999%。客流预测应用带宽要求为上行40Mbps、下行1Mbps，中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 10 平均时延50 ms，可靠性为99.99%。2.5.2 PISPIS系统应用系统应用(含紧急文本含紧急文本)需求需求 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2 2 Mbps=4 Mbps（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46Mbps。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。2.5.3 车站室内导航与定车站室内导航与定位位 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-based Service）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中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 11 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 到 1m(80%)室内：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+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分别表示来自目标超级小区和目标宏基站的基于灰色模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（1）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。（2）跨层切换：虽然超级微基站可以为用户提供高速数据服务，但是在超级微基站信道条件不好时，用户应及时切换到宏基站。3.9 大规模天线技术大规模天线技术 大规模多天线（massive MIMO）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，基站可以通过监中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 37 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。3.9.1 面向城市轨道交通场景的面向城市轨道交通场景的5G波束管理波束管理 波束管理主要涉及四个方面，即波束对齐、波束跟踪、波束恢复和波束切换。所谓波束对齐，是为了保证收发双方通信链路的质量，双方波束应该指向最佳传播路径的离开和到达方向；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化，因此收发两端需要不断地根据信道条件进行波束的跟踪，时刻调整波束方向使得通信链路的质量可以最优；当波束偏移过大而导致波束跟踪失败时，则应启动波束恢复过程，重新获得匹配波束；如果超越了波束覆盖范围，则发起同小区的波束切换，甚至是邻小区之间的波束切换。中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 38 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。3.9.2 面向城市轨道交通场景的面向城市轨道交通场景的5G混合波束设计混合波束设计 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（Hybrid beamforming）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SS Block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 中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 39 (1)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；(2)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（1）同一个小区内协调模拟波束赋形，提高小区内的传输性能，其挑战在于模拟波束相对不变，数字波束随着业务而改变，这是两个不同时间尺度的联合优化设计；（2）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。3.9.3 面向城市轨道交通场景的面向城市轨道交通场景的5G低功耗的波束设计低功耗的波束设计 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）和天线等部分组成，主要负责将基带数字信号转为模拟信号，再调制成高频射频信号，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。为了减少非中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 40 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功耗更高。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中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 41 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，在保证用户体验的前提下充分挖掘节能潜力。3.10 面向轨道交通的超可靠低时延技术面向轨道交通的超可靠低时延技术 超可靠低时延通信（URLLC）是5G的三个典型场景之一。在城市轨道交通场景下，URLLC可以保障自动驾驶、智能制造等实时操控能力，如基于5G的辅助紧急刹车、5G网络下的自动驾驶以及基于5G网络的远程操控。通过URLLC实现零等待、瞬时感应、精准控制是城市轨道交通在严苛场景下性能与安全保障的基石。面向城市轨道交通系统的URLLC主要解决两个方面的无线通信业务传输需求，即基于通信的列车控制（CBTC）的车地无线信息传输和服务于设备小型化且分布式部署的设备间无线信息传输。支撑这两类业务的核心挑战来自于隧道场景下无线信号传播机理的特殊性、信道环境的时变性与传输可靠性、传输时延之间的矛盾。针对城市轨道交通5G系统的URLLC传输，在落地部署之后，需要在如下几个方面进行突破，从而有效提升系统运营的效率和性能保障。1、改变改变URLLC传输机制的设计模式传输机制的设计模式：URLLC的传输机制设计在协议设计过程中，或具体的资源调度机制设计中都面向无线通信的传输开展研究，其目的在于保障端到端的传输性能。而URLLC传输的目的往往在于实时的系统控制。因此，需要结合具体的控制模型和控制机制，将通信与控制进行系统级的联合优化设计，才能直接将需求与支撑进行适配。从面向通信的URLLC传输机制设计切换到面向控制的URLLC传输机制设计，这种设计模式的转换需要在5G系统的资源调度、RRC的控制机制等中国移动城市轨道交通5G应用技术白皮书 42 方面进行创新。2、改变改变URLLC传输的性能保障模式传输的性能保障模式 URLLC的传输机制设计服务于端到端的性能保障，但在具体标准化过程中，将此性能指标分解并映射到具体每一层。从空口的角度而言，3GPP 在 TR38.913 中定义了 URLLC 在 RAN 范围的指标要求。基本的单向（下行传输或上行传输）空口端到端性能需要满足控制面时延 10 ms、用户面时延 0.5 ms、移动性中断时间 0 ms、可靠性 99.999%。然而单向传输不是城市轨道交通URLLC传输的目标，双向传输，并完成信令的完整交换才能保障CBTC的需求。因此，基于5G URLLC传输能力，通过RRC与调度机制，实现面向信令流程的轨道交通URLLC传输机制优化设计，才能有效保障轨道交通无线通信的需求。3、改变改变URLLC传输机制的优化准则传输机制的优化准则：URLLC 的核心性能指标是信息传输可靠性，即误包率（Packet Error Rate，PER）或分组错误率（BLER），和端到端传输时延。目前无线通信系统设计的基础之一是香农信道容量，而香农信道容量刻画的是无穷长码长、渐进无误码传输的最大可达速率。因此，香农容量不能有效刻画传输速率、传输时延和传输可靠性的内在关系，特别是普遍存在的小包（Small packet）传输场景下，传统的香农容量公式更加难以适用。基于有限码长编码的信息传输可达速率是目前对小包传输性能进行刻画的一种有效方式。目前，从信息论的角度而言，这一方面的研究工作仍然需要大量的深入研究，包括不同基本通信模型下的传输可达速率、采用Polar或LDPC等实际信道编码后的性能刻画；从信号处理和无线通信系统优化设计的角度而言，需要基于有限码长编码的既有研究成果进行URLLC系统的优化设计。此外，对于可靠性、传输时延与传输效率的刻画需要结合具体的应用背景和应用需求。针对状态反馈控制系统，控制端往往仅仅需要最新的系统状态。为此，信息年龄(Age o