智能高鐵中的5G技術及應用

（北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

1 智能高鐵概述

作為最具可持續性的交通運輸模式，高速鐵路已成為國民經濟大動脈和大眾化交通工具，是國家關鍵基礎設施和重要基礎產業，對中國經濟社會發展、民生改善和國家安全起著不可替代的全局性支撐作用。同時，由于信息技術突飛猛進，智能化技術取得突破性進展。人類社會在經歷了工業化、信息化之后必將向智能化時代邁進。在此背景下，高速鐵路需要采用云計算、物聯網、大數據、人工智能、移動互聯網、建筑信息模型（BIM）等先進技術，通過持續技術創新，推動鐵路現代化、智能化水平大幅提高，促進中國鐵路向智慧鐵路轉型升級，總體技術水平達到世界領先[1]。

智能高速鐵路由智能裝備與運營、面向旅客的智能服務技術、智能建設3個方面構成。

（1）智能裝備與運營，包括智能動車組、列車自動駕駛、智能供電系統、智能調度、智能防災系統以及智能運營維護等。

（2）面向旅客的智能服務技術：包括智能服務設施、車站運營智能感知、車站設備智能監測控制與管理等。

（3）智能建設：包括智能高鐵工程建設管理以及基礎設施智能檢測監測等。

《綜合軌道交通5G應用技術白皮書》指出，智能高速鐵路是一個復雜的系統工程，以上3方面都離不開5G的泛在支持[2]。5G網絡通過提供人人通信、人機通信和機器之間通信的多種方式，支持移動因特網和物聯網的多種應用場景。面向高速鐵路的5G技術不僅為行業用戶也為商業用戶提供高性能需求業務，在車地之間建立同時滿足支持高速移動、高速率、高可靠、高實時（四高）的通信鏈路。因此，高速鐵路場景成為5G的一個典型場景，并受到越來越多來自國際學術界和工業界的關注[3-4]。

2 智能高鐵的5G場景業務需求

隨著中國鐵路信息技術的發展，車地間通信的業務需求在不斷拓展，移動視頻監測控制、列車車況信息遠程實時監測、優化控制和自動駕駛、智能列車、鐵路物聯網、旅客服務等各種新的業務需求不斷涌現并日益迫切。此外，列車運行的環境有高架橋、山區、隧道、U型槽等，場景的不同導致無線信道的特性有很大差異。因此，智能高速鐵路通信具有業務類型和傳輸場景多樣的特點，對5G的性能提出了很高的要求。

根據應用場景分類，智能高鐵5G需求可分成4大類場景：鐵路正線連續廣域覆蓋、鐵路站場和樞紐等熱點區域、鐵路沿線地面基礎設施監測、智能列車寬帶應用。每種場景對通信的要求如表1所示。

根據業務類型分類，智能高鐵的5G需求可以分為4大業務屬性：列控及運行相關業務、列車綜合服務業務、鐵路物聯網業務以及旅客車載移動寬帶接入業務。每種業務屬性的業務名稱如表2所示。

3 智能高鐵中的5G關鍵技術

3.1 大規模天線技術

由于智能高鐵場景中用戶移動速度較快，傳統蜂窩網絡存在頻繁小區切換問題，導致信號質量急劇下降乃至掉線，極大影響了用戶體驗。為了解決這一問題，分布式大規模天線技術有望成為較好的解決方案[5]。如圖1所示，分布式大規模多輸入多輸出（MIMO）系統將大量安裝有一根或多根天線的接入點分布在軌道兩側，通過回程鏈路將數據傳輸到中央處理單元（CPU），利用相同的時頻資源為多用戶服務。分布式大規模MIMO系統具有3個優勢：首先，用戶與部分接入點（AP）之間距離較近，可以降低大尺度衰落影響，帶來宏分集增益，可以在軌道區域提供均勻、穩定、可靠的用戶服務質量（QoS）；另外，AP成本較低，能夠靈活部署，且由于每個AP的天線數量有限，其尺寸可以做得很小，靈活部署于空間受限的地點，如軌邊電線桿等；最后，分布式大規模MIMO系統能夠避免頻繁蜂窩小區切換，減少控制信令交互，從而能夠節省寶貴的無線資源，提升用戶體驗。

3.2 高可靠低時延技術

面向智能高鐵的高可靠低時延通信（uRLLC）主要解決3個方面的無線通信業務傳輸需求，即服務于列控相關信號的車地無線信息傳輸、服務于旅客相關業務的車地無線信息傳輸和服務于設備小型化且分布式部署的設備間無線信息傳輸。支撐這3類業務的核心挑戰來自于高速移動場景下信道環境的快速變化與傳輸可靠性、傳輸時延之間的矛盾，以及相對靜止場景下高吞吐量、高可靠性與低時延的矛盾。

表1 智能高鐵5G應用場景分類

表2 智能高鐵5G業務屬性

圖1 面向軌道交通場景的分布式大規模多輸入多輸出系統網絡架構

uRLLC的核心性能指標是信息傳輸可靠性，即誤包率（PER）或分組錯誤率，以及端到端（E2E）的傳輸時延。目前無線通信系統設計的基礎之一是香農信道容量，而香農信道容量刻畫的是無窮長碼長、漸進無誤碼傳輸的最大可達速率。從信息論的角度看，這一方面的工作仍需要投入大量深入的研究，包括不同基本通信模型下的傳輸可達速率、采用極化碼或低密度對偶校驗（LDPC）碼等實際信道編碼后的性能刻畫；從信號處理和無線通信系統優化設計的角度看，需要基于有限碼長編碼的既有相關研究成果進行uRLLC系統的優化設計[6]。此外，針對狀態反饋控制系統，控制端往往僅需要最新的系統狀態。為此，信息年齡（AoI）可以用于uRLLC業務端到端時延的有效度量[7]。目前，面向高速移動場景的uRLLC系統設計在基于有限碼長編碼、AoI 2個維度均開展了一系列研究，包括uRLLC數據包的聯合調度與資源配置機制、空口端到端性能保障的上行與下行聯合傳輸機制設計、面向信道估計誤差的uRLLC魯棒傳輸機制、基于混合自動重傳請求（HARQ）傳輸機制的uRLLC傳輸包傳輸機制設計、uRLLC與增強移動寬帶（eMBB）數據包的混合業務調度與傳輸機制設計等[8-11]。

3.3 大規模接入技術

智能高鐵場景復雜、區域分散，包含較多的出入口和圍欄，因此需要大量的傳感器節點才能實現無盲區覆蓋。高鐵車站作為重要的綜合交通樞紐，包含諸多的無線通信使用場景，在車載視頻、乘客信息服務、人工智能識別、等方面，5G接入技術將發揮巨大作用。

不同于語音通信和傳統數據通信，海量機器類通信（mMTC）作為5G的研究重點之一，具有大規模的設備數量、小數據包傳輸、低移動性、低活躍度及功耗受限的特點，是一種具有稀疏性的通信場景。傳統的基于授權的隨機接日入方法具有繁瑣的信令交互流程，這不僅會造成過多的時延，還會造成頻譜資源的浪費。同時，傳統方案中有限的前導碼資源使大規模設備的沖突明顯加劇，使接入成功率大大降低，并不能有效應對海量接入的場景[12-13]。

基于壓縮感知理論的免調度接入技術通過在媒體接入控制層設計新的接入協議，在物理層設計新的信號處理流程及幀結構，設計聯合解決設備活躍度檢測、信道估計及數據恢復的算法[14]。媒體接入控制層接入協議設計如圖2所示，活躍設備同時發送其分配的導頻序列及小包數據，基站側利用壓縮感知相關算法實現多用戶檢測。在基站側利用前導碼進行活躍用戶檢測及信道估計，進而實現數據恢復。協議相比于長期演進（LTE）中傳統的基于授權的隨機接入方案減少了接入的步驟，可大大降低接入時延；同時，面對機器類通信小數據包的特性，可減少傳輸中控制信息的占比，以提高系統的頻譜效率。物理層設計如圖3所示，為不同設備分配非正交的前導碼及擴頻碼，在相同前導碼及擴頻碼長度下，可支持更多的接入過載，提高支持設備數量。同時，本技術考慮在數據幀內置設備識別碼，以實現用戶活躍度檢測及數據恢復的校驗功能，進一步地在算法設計中構成反饋機制。這樣一來，可避免非正交多址中串行干擾消除的錯誤泛化問題，增強基站在進行多用戶檢測時的抗干擾能力并提高接入成功率。免調度接入技術在成本、電池壽命和計算能力等條件約束下，可從支持設備的數量、接入成功率、接入時延等指標上增強接入性能。

4 智能高鐵中的5G應用

4.1 5G智能高鐵車站

圖2 多媒體接入層接入協議

圖3 物理層信號處理流程

高鐵車站是5G智能高鐵的一個重要室內應用場景，其移動通信業務需求包含了室內導航、人員信息管理、視頻通話、安全防范、站內運營、停車管理等。高鐵車站大廳一般占地上萬平方米，容納多至上萬人同時候車，數據流量密集；因而，需要考慮有效的室內覆蓋及傳輸手段，保證終端在運行速度為靜止狀態或低速狀態下的正常通信，使旅客享受到高速、便捷的5G網絡服務[15-16]。

目前，5G室內數字系統（DIS）已應用于高鐵火車站的智能化建設中，具體如圖4所示。2019年2月18日，上海移動正式在虹橋火車站啟動5G網絡建設，為全球首個采用5G DIS建設的火車站[17]。上海虹橋火車站是亞洲最大的交通樞紐之一，其每年的平均客流量超過6 000萬人次，在旺季期間日客流超過33萬人次。在5G DIS的支持下，虹橋火車站的峰值傳輸速率達到了1.2 Gbit/s，實現了智能送餐機器人、導航問路、高清視頻通話、云虛擬現實（VR）等多種新型應用。DIS的典型特征包括有源天線、以太網光纖傳輸、可視化運維和服務多樣化。其中，有源天線有助于在高低頻實現大規模MIMO及E2E網絡；以太網光纖傳輸相較于傳統電纜傳輸不僅可以支持5G新頻段，且占用空間較小，適合室內布置；可視化運維可以對海量的終端狀態進行實時檢測控制，從而實現自動化的網絡資源分配、故障診斷及自我修復；服務多樣化則可以滿足室內移動終端提供多種通信服務需求。通過上述特征，DIS可以完全滿足服務增長、容量擴展、無縫覆蓋、可視化運維等5G網絡的多維需求。

4.2 5G物聯網應用

5G物聯網應用是智能高鐵中5G應用的一個重要應用形式，利用物聯網技術和設備監測控制技術可以加強對高速鐵路系統的信息管理和服務。高鐵內需要維護的設施眾多，維護任務繁重，可利用物聯網技術采集各類設備狀態信息，后通過5G網絡接入回傳到物聯網操作平臺處理。這樣就可以解決以往數據回傳網絡存在的帶寬及傳輸速率的限制，從而讓軌道交通由被動維護變為了智能監管，可以實現高鐵運維實時監測控制、高清視頻監測控制、遠程維修維護、物流跟蹤管理，大大提高了整個軌道交通系統的維護效率和強化系統的安全性。

如圖5所示，該應用技術方案為基于5G+物聯網技術的高鐵智能運維技術架構，主要包括感知傳感層、邊緣接入層、基于云平臺的物聯網平臺層、大數據及人工智能層和智能運維應用層5個層次。物聯網感知層包括3個部分：基于人的監測檢測信息感知、基于設備的監測檢測信息感知以及基于環境的監測檢測信息感知。邊緣接入層是指通過5G邊緣網關實現物聯網各感知節點間的連接，從而實現云平臺與邊緣節點的協同，保障各種應用場景下感知信息通過5G網絡回傳的能力，具備關鍵業務本地處理的實時響應速度。物聯網平臺層提供的服務主要包括：連接管理、設備管理、統一接入網關、認證與鑒權、消息管理、告警管理、規則引擎、安全審計、安全管理、報表統計、大數據對接和應用編程界面網關等。大數據云平臺為物聯網平臺提供可以彈性擴展的數據存儲、離線處理、流式在線處理能力，以及基本的分布式計算服務、流式計算框架、分布式表格存儲服務等，為系統應用提供高效、多維的數據支持?；谖锫摼W技術的人、物、環的全面感知，通過5G網絡實現感知信息的高效、穩定回傳，利用基于云平臺的物聯網平臺全面管理能力、大數據平臺綜合分析能力、人工智能平臺的智能處理能力，實現高鐵的運維智能化。

圖4 基于5G的室內數字系統的智能高鐵車站

圖5 5G物聯網技術在軌道交通智能運維的應用

4.3 5G邊緣MEC應用

在智能高鐵中，視頻業務、車輛網等應用場景對時延和帶寬等傳輸質量具有很高的要求。現有網絡架構中，終端到核心網之間傳輸距離過長會增大傳輸時延。盡管核心網側能夠提供較快的計算和較強的存儲能力，但如果將大量業務數據全部上傳至核心網側進行處理，則會導致回傳網絡擁堵、資源競爭激烈，影響時延敏感性業務的傳輸質量。比起云計算，MEC的傳輸時延更低，效率更高，數據管理成本更低，通過在本地為時延敏感性業務提供服務，以減少上傳到核心網側的數據量，緩解回傳網通信壓力。因此，通過在靠近終端側位置部署MEC作為中心云的補充可以很好地解決上述問題，同時結合5G網絡切片技術實現業務之間的安全隔離，就近為終端提供專用的網絡和應用資源。

軌道交通MEC應用如圖6所示。通過部署5G MEC應用實現車路協同，可以實時獲取列車周圍的環境信息，將大部分的傳輸流量和計算負載整合到道路邊緣層。例如，軌道實時視頻監測控制，攝像可將其視頻流就近上傳至MEC做分析處理，識別軌道上的突發情況，并及時給列車下發合理的調度指令，以保障列車行駛安全。

在智能高鐵的客運服務系統建設中，通過將部分客運服務系統功能部署到本地MEC，為乘客提供云售票機或互聯網取票機、智能客服機和云票務平臺等新型的客運服務，滿足乘客電子支付等新需求，提供更加便捷靈活的客運服務。類似地，可以在客運車站部署MEC來為乘客提供車站本地化服務。例如，車站智能安防可以通過視頻監測控制分析關鍵區域人群，判斷人員擁擠度。車站環境監測和控制可以通過物聯網設備傳感器采集環境信息，然后根據環境信息進行設備自動控制、溫濕度調節等。

在高鐵軌道交通站段/車間，通過部署MEC應用可以實現區域化數據實時采集、存儲和分析。例如，根據采集到的數據進行設備故障診斷，根據預先設定的報警機制，及時告警，并將故障信息反饋至本地車間。

圖6 軌道交通MEC應用

5 結束語

本文中，我們介紹了面向智能高鐵的5G場景及業務需求、適用于智能高速鐵路的5G關鍵技術以及智能高鐵5G應用案例。通過上述分析及介紹，可以看出5G關鍵技術在未來將會滲透到智能高鐵的各個方面中，從而有力地支撐高鐵智能化的實現。在未來的研究中，高速鐵路的移動通信系統將繼續考慮建立可信的通信網絡，實現高移動速度下高數據速率的持續在線可靠傳輸以及實現網絡、計算、存儲資源的融合，推動智能高速鐵路的進一步發展。