鐵路新一代移動通信的挑戰與思考

鐘章隊 官科 陳為 艾渤

摘要：鐵路新一代移動通信將面向鐵路全場景、全業務、全鏈接、強安全，不僅有望完全取代既有系統，還能為列車自動駕駛、列車安全視頻監控等業務提供高速信息傳輸服務，是鐵路物聯網的信息承載平臺和高速鐵路運行安全保障的基礎。感知-通信-計算一體化、數智融合、新型陣列理論、新材料物理電磁特性為鐵路新一代移動通信發展提供前沿應用基礎理論支撐；“大智移云物”技術群、區塊鏈技術、高精度無線網絡規劃與優化、建筑信息模型（BIM）與增強現實（AR）融合技術以及數字孿生將為鐵路新一代移動通信發展提供技術保障。在當前和未來的落地應用中，鐵路新一代移動通信系統需要樹立“可管、可控、可信、可視、可靠、可測”的六大設計理念，需要解決頻率資源有限和新需求不斷涌現之間的矛盾，高速移動性與可靠性問題，以及綜合軌道交通樞紐集群與場景獨特性帶來的挑戰，需要厘清在技術體制、公專共存、異構網絡協同等方面存在的開放性問題。

關鍵詞：高速鐵路；5G；新一代信息通信技術

Abstract： The new generation of railway mobile communications will be oriented to all railway scenarios， all services， all links， and strong security. It is expected to completely replace the existing system， and can provide high-data rate mobile channels enabling automatic train driving， train safety video monitoring， etc. Moreover， the new generation of railway mobile communications will be the information platform of the railway Internet of Things and the basis for the safety of high-speed railway operations. The integrated sensing， communication and computing， the digital intelligence fusion， the new array theory， and physical electromagnetic properties of new materials provide frontier applied basic theoretical support for the development of new generation of railway mobile communications； the technical group of “big data， artificial intelligence， mobile communication， and cloud computing”， the blockchain technology， the high-precision wireless network planning and optimization， as well as the fusion of building information model （BIM） and augmented reality （AR） will provide technical support for the development of the new generation of railway mobile communications. In the current and future implementation of the new generation of railway mobile communication systems， it is necessary to establish six design concepts of “manageability， controllability， credibility， visibility， reliability， and measurability”， and to address the challenges resulting from the contradiction between limited frequency resources and the continuous emergence of new demands， the high-speed mobility and reliability， as well as the comprehensive rail transit hub clusters and the uniqueness of scenarios. Last but not least， it is of importance to explore the open questions such as selection of technical systems， co-existence of public and dedicated networks， and heterogeneous network collaboration.

Keywords： high-speed railway； 5G； new generation of information and communication technology

1 發展鐵路新一代移動通信的背景及意義

從2016年開始，中國鐵路進入高質量發展階段。截至2020年底，中國高鐵運營里程達3.79×104 km，穩居世界第一。城市軌道交通也成為國家大力發展的“新型基礎設施建設”的重要領域。2019年國務院發布《交通強國建設綱要》，要求到2035年基本形成現代化綜合交通體系；2020年中國國家鐵路集團有限公司發布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，提出到2035年形成7×104 km的現代化高速鐵路網，率先建成智能高鐵，加快實現智慧鐵路。與此同時，世界各國也紛紛提出鐵路數字化與智能化發展的戰略規劃。通過采用新一代信息通信技術來大幅提升鐵路運輸組織效率效益，優化客貨運輸服務品質，提高鐵路運輸安全水平，已成為各國鐵路發展的必由之路。鐵路智能化已經成為世界鐵路未來發展的重要方向。

移動通信系統是列車行車安全、運營維護和旅客信息服務的中樞神經。目前，列車調度指揮、中國列車運行控制系統第3級（CTCS-3）列車運行控制信息、列車調度命令、無線車次號校核信息、信號設備動態監測信息等應用業務，都是由鐵路窄帶移動通信系統（GSM-R）來承載的。然而，GSM-R存在承載能力不足、頻段干擾嚴重、生命周期正走向終結等問題；鐵路寬帶移動通信系統（LTE-R）在京沈高速鐵路的實測顯示，在450 MHz頻段、5 MHz帶寬和350 km/h的速度運行狀態下小區邊緣的傳輸速率僅為10 Mbit/s，無法滿足未來智能高鐵所需的全面態勢感知、泛在互聯以及智能快速決策的需求。智能高鐵的行車和運營維護應用中的鐵路多媒體調度通信、車載及軌旁高清視頻監控、增強現實（AR）/虛擬現實（VR）遠程檢測及診斷、大規模傳感器應用等，催生了新的列車運行控制及鐵路安全相關業務、大帶寬業務、鐵路物聯網業務，對鐵路新一代移動通信系統的可靠性、頻譜利用率、能量效率、帶寬等均提出更高的要求[1]。

1.1 國際相關情況

鐵路新一代移動通信技術得到業界的密切關注。國際鐵路聯盟（UIC）倡導鐵路數字化轉型，提出創建未來鐵路移動通信系統（FRMCS），并且明確了針對鐵路用戶的六大類應用的通信需求，包括通信對象、帶寬、時延、可靠性、速度等。除中國外的其他國家相關鐵路實驗室對鐵路新一代移動通信保持開放的態度，雖未披露建設和發展規劃，但已開始理論研究、技術論證和工程試驗。

2019年9月，德國聯邦鐵路公司（DB）的5G列車移動實驗室首次使用基于5G技術的設備對無人駕駛的列車進行遠程控制測試，并在同年11月，開始研究從GSM-R向FRMCS的演進，并在漢堡市郊鐵路進行5G鐵路運營網試驗，包括承載列車控制信息傳輸和自動駕駛試驗；2019年11月，法國國家鐵路公司（SNCF）與諾基亞公司簽訂合作伙伴協議，旨在共同創建5G鐵路實驗室，在實驗室以及鐵路環境中對FRMCS的性能進行全方位的評估，以便為鐵路通信系統向更新、更高性能的無線通信標準過渡做準備；2020年3月，瑞士聯邦鐵路（SBB）在智能鐵路4.0項目框架下，建立FRMCS的頻段試點，旨在定義FRMCS的技術標準，并計劃在2025年用FRMCS取代當前的GSM-R，以大幅提高鐵路基礎設施的安全性、可用性和生產效率；2019年，在西班牙巴塞羅那5G實驗室（5G Barcelona）、加泰隆尼亞鐵路（FGC）、加泰羅尼亞政府、巴塞羅那世界移動通信基金會（MWCapital）和沃達豐公司的共同合作下，西班牙建立5G鐵路實驗室，對鐵路5G關鍵技術和應用進行研究和挖掘；2020年11月，由歐盟“地平線2020計劃”資助的5GRAIL項目正式啟動，旨在通過開發和測試用于軌旁基礎設施和車載設備的FRMCS原型，驗證首個 FRMCS規范；2020年12月，日本移動通信公司（NTT Docomo）和JR東日本鐵路公司，利用新干線ALFA-X試驗車，成功實施360 km/h高速移動條件下的5G通信試驗；2020年1月，韓國鐵路研究所（KRRI）與SK電信（SK Telecom）簽署技術合作協議以開發全球首個使用5G通信的智能列車控制系統，并在2020年底宣布基于5G列車自動控制技術的測試取得成功。

1.2 中國相關情況

當前，隨著京張智能高鐵、京雄智能高鐵的開通，中國鐵路正快速邁入智能化、智慧化階段。在國家“交通強國”和“新基建”戰略下，鐵路信息通信技術融合發展成為趨勢。2019年9月，中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》，提出到2035年，基本建成交通強國，到21世紀中葉，全面建成人民滿意、保障有力、世界前列的交通強國。作為《交通強國建設綱要》的細化和實化，2021年，中共中央、國務院印發了《國家綜合立體交通網規劃綱要》，提出到2035年基本建成規模約為70×104 km的現代化高質量國家綜合立體交通網，其中，鐵路約為2×105 km，是國家綜合立體交通網的主干。交通運輸部發布《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》（2020年8月，交規劃發〔2020〕75號），提出到2035年，交通運輸領域新型基礎設施建設取得顯著成效，泛在感知設施、先進傳輸網絡、北斗時空信息服務在交通運輸行業深度覆蓋，行業數據中心和網絡安全體系基本建立，智能列車、自動駕駛汽車、智能船舶等逐步應用。國鐵集團發布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》（2020年8月，國鐵集團〔2020〕129號），提出到2035年，中國將率先建成服務安全優質、保障堅強有力、實力國際領先的現代化鐵路強國；發布《國鐵集團關于加快推進5G技術鐵路應用發展的實施意見》（2020年8月，國鐵集團 鐵發改〔2020〕144號），以推進鐵路5G-R專網建設和5G公網應用；發布《智能高速鐵路體系架構1.0》（2020年9月，國鐵集團 鐵科信〔2020〕159號），從頂層設計出發制定智能高速鐵路體系架構；發布《鐵路5G技術應用科技攻關三年行動計劃》（2020年12月，國鐵集團 鐵科信〔2020〕222號），提出到2023年完成鐵路5G專網關鍵技術攻關和主要專用設備研制，開展安全保障、出行服務等領域急需業務試驗驗證和試用考核，完成5G專網主要技術標準制定，為開展鐵路5G專網建設和業務應用奠定基礎。

在國家各項政策引領下，新一代鐵路信息通信系統的各類新應用對移動通信系統的帶寬、時延、可靠性、安全性提出更高要求，大量應用對彼此之間的信息共享、專業互動提出新的要求，對建設統一信息通信平臺提出新的需求。此外，鐵路專用移動通信系統在承載業務、性能指標方面對可靠性和安全性要求較高，不同的業務需要靈活、動態的定制化設計和協同優化。針對有限的鐵路專網頻率資源，以及高速移動性對頻譜效率與可靠性的影響，需要加快通信網絡技術的躍遷，開展面向鐵路全場景、全業務、全鏈接、強安全的鐵路新一代移動通信技術研究。

2 鐵路新一代移動通信技術

國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）在2017年6月發布的技術報告中，梳理了目前全球針對鐵路新一代移動通信系統的研究工作。未來，如果要解決鐵路高清晰度視頻監控、基礎設施安全隱患識別、運營控制系統的智能化等鐵路安全運營的核心問題，鐵路新一代移動通信系統不僅要滿足傳統的增強移動寬帶（eMBB）需求，還要滿足海量機器類通信（mMTC）和超可靠低時延通信（URLLC）需求。按照當前的發展趨勢來看，以5G為代表的新興無線通信技術無疑為鐵路新一代移動通信系統的發展提供了全新動力。以5G為依托，鐵路新一代移動通信系統可以在移動通信質量、接入設備數目、高數據速率可靠傳輸方面得到進一步改進。除此之外，5G的出現與應用，可以幫助鐵路新一代移動通信系統在獲取衛星輔助數據、實時監測列車運行狀態等方面取得進一步提升。鐵路新一代移動通信系統的建設可實現高速移動場景下信息高效可靠傳輸，創建新型網絡智能協同計算與信息分發體系，構建融合鐵路物聯網在內的全鏈接鐵路信息通信網絡，支持大容量數據傳輸及海量鐵路設備接入，全面提升鐵路信息通信系統的性能。

接下來，我們將從應用基礎理論前沿、技術應用前沿、工程前沿3個層面介紹鐵路新一代移動通信系統面臨的機遇與挑戰。

2.1 應用基礎理論前沿

（1）感知-通信-計算一體化

在信息傳遞過程中，感知-通信-計算一體化打破終端進行信息采集、網絡進行信息傳遞和云邊進行計算的煙囪式信息服務框架，可以同步構建信息采集與信息計算的端到端信息處理技術框架，有望支撐無人化、浸入式和數字孿生等感知通信計算高度耦合的智慧鐵路業務。未來的智能高鐵列車，有望建成感知（北斗、毫米波雷達、激光雷達、攝像頭）、通信（5G、Wi-Fi 6、毫米波、物聯網、可見光）、計算（列車大腦、多接入邊緣計算）的一體平臺，實現高鐵移動裝備、固定基礎設施以及內外部環境間信息的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習、科學決策，實現全生命周期一體化管理的智能系統。

（2）數智融合

數智融合是基于大數據與人工智能的融合，可實現數據感知、理解、推理、預測等能力。以鐵路新一代移動通信系統為例，數智融合可以實時采集不同網元設備的數據，并對數據進行實時處理、建模分析和預測，實現網元設備的優化配置，形成一整套閉環操作過程，最終實現網絡智能管控和優化。此外，數智融合還可以實現多專業智能運維數據融合與統一分析，為智能高鐵和智慧鐵路搭建全方位運維智慧系統架構，為鐵路行業實現數智化轉型，提供重要支撐。

（3）新型陣列理論

新型陣列理論通過引入更多的自由度來進一步提升鐵路新一代移動通信系統的性能。例如，高速移動的列車會導致用戶在較短時間內頻繁切換小區，造成信號接收質量下降。引入大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）技術[2]后，鐵路沿線小區峰值吞吐率和平均吞吐率將得到提高。在此基礎上，分布式Massive MIMO系統通過在鐵路沿線多個分布式節點之間引入智能協作，實現資源的聯合調度和數據的聯合發送，有效消除干擾，增強接收信號質量，為列車上的用戶提供穩定、可靠的服務。作為Massive MIMO系統的延伸，智能超表面（RIS），又被稱為大型智能表面（LIS），可通過大規模的無源超表面陣列對電磁波進行控制。如果可以針對鐵路場景的特點，形成利用RIS或LIS對不同電波傳播機理進行調控的系統理論與關鍵技術，則鐵路新一代移動通信系統的頻譜效率和覆蓋將得到提高，系統功耗將大幅降低。

（4）新材料物理電磁特性

當前，列車車體主要由合金構成，對電磁波有較強的屏蔽作用，使車廂內無線覆蓋面臨嚴峻挑戰。2018年9月，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展（InnoTrans2018）上，中國中車股份有限公司正式發布新一代碳纖維地鐵車輛CETROVO。與采用鋼、鋁合金等傳統材料的列車相比，CETROVO整車重量降低了13%。由此可見，未來以碳纖維、玻璃纖維等為代表的新型復合材料在列車上的占比會不斷提升。如果在列車新材料的設計過程中，充分考慮材料的物理特性與電磁特性（如相對介電常數、電導率、散射系數、散射指數、透射損耗等）之間的作用機理與規律，則可在安全、舒適、節能、環保的基礎上，增強列車顯示、交互、通信、感知等能力，加強列車新材料在軌道交通智能化與智慧化發展中的作用。

2.2 技術應用前沿

如圖1所示，本節將介紹由大數據、人工智能（AI）、5G移動通信、云計算、物聯網構成的“大智移云物”技術群，以及區塊鏈技術如何賦能鐵路新一代移動通信系統，為列車運行安全、運營維護安全、施工建設安全等提供高質量的服務與保障。

（1）大數據

大數據技術主要是指針對海量數據進行采集、分析、處理以及應用的技術。在大數據技術的支撐下，運用AI技術，可以對軌道、路基等檢測數據和業務數據進行智能分析，對關鍵指標的進行監測控制和動態預測，進而推動高鐵智能化發展。

（2）AI

將AI引入無線通信系統的各個層面，有助于解決無線通信系統中存在的問題，能大幅度提升無線通信系統的性能[3]。例如，基于視覺的智能檢測需要多路高清視頻傳輸支撐，然而目前鐵路帶寬較低，傳統系統傳輸多為低清視頻，無法滿足智能檢測的需求。引入AI技術，能夠使低分辨率圖像在占用相同的帶寬資源下，提高無線智能通信系統接收圖像分辨率，實現低帶寬高清視頻傳輸，極大提升檢測精度，實現系統高精度的鐵路入侵檢測。

（3）5G移動通信

5G移動通信技術可以實現高帶寬、低時延和海量物聯，能夠改善現有高鐵通信中存在的網絡不穩定、網速慢、信號差等問題，為乘客提供更優質的服務。5G引入的毫米波技術[4]因其有較多的帶寬資源，能夠很好地解決當前6 GHz以下頻段擁堵的問題，提高傳輸速率，減少時延。

（4）云計算

云計算超強的計算能力可以集中式地解決計算和儲存問題，提高通信效率[5]。云計算技術與針對高鐵的移動通信系統的融合，能夠更快地處理數據，掌握列車的運營狀態，及時發現故障并迅速處理，對智能高鐵起到重要的支撐作用。

（5）物聯網

在高鐵場景中，需要維護的設施多、任務重，引入物聯網技術則可以采集各類設備狀態信息，并將信息回傳至操作平臺進行處理，以達到軌道交通能夠智能監管各類設備的目的，滿足智慧高鐵運維實時監測控制和遠程維修維護等需求[6]。

（6）區塊鏈

區塊鏈的去中心化和不可篡改等特性可為鐵路新一代移動通信系統中的數據安全提供保障。例如，智慧高鐵通信中物聯網技術在網絡層進行數據傳遞和處理，龐大的數據量和頻繁的交互會導致在此過程中極易出現信息泄漏或篡改等問題。而將數據存儲在區塊鏈節點上，能夠保證這些數據信息的完整性、保密性和真實性。

2.3 工程前沿

（1）工程設計的關鍵性能指標（KPI）與核心理念

與5G類似，鐵路新一代移動通信系統設計的KPI包括：終端平均速率為10～100 Mbit/s（考慮10 MHz專網帶寬），終端峰值速率達到200 Mbit/s（考慮10 MHz專網帶寬），無線連接密度達到每千米1×104條無線連接，端到端時延達毫秒級，網絡能量效率較4G有10倍的提升，支持500 km/h的高鐵速度。鐵路新一代移動通信系統的設計將以智能調度指揮與列車控制為核心，從工程設計源頭樹立“可管、可控、可信、可視、可靠、可測”六大理念，支撐智能建造、智能裝備、智能運營、智慧出行、智慧物流等智能高鐵/智慧鐵路應用，兼顧與其他通信網絡的智能協同，實現全業務、全場景、全鏈接、強安全一體化設計。

（2）高精度無線網絡規劃與優化

準確、高效的無線網絡規劃與優化是移動通信系統高質量建設與發展的重要保障?，F有的無線網絡規劃依靠人工判斷與傳播損耗經驗模型，網絡優化依靠反復路測以及人工調試，兩者都存在精度差、效率低、時間長、開銷大等問題，而且規劃與優化彼此孤立，系統割裂，無法協同迭代，成為鐵路移動通信建設和運維中的共性關鍵難題。此外，隨著5G標準確定和更高頻段無線網絡建設的到來，鐵路新一代移動通信系統在無線網絡規劃與優化方面會面臨來自新頻譜、新空口、新場景等多個方面的新要求與挑戰。因此，自主知識產權、完全代碼可控的高性能射線跟蹤技術[7]、規劃優化一體化技術、智能網絡規劃技術等關鍵核心技術亟待攻克，以便為鐵路新一代移動通信系統高質量的無線網絡規劃與優化提供重要支撐。

（3）面向鐵路智能建造的建筑信息模型（BIM）與增強現實（AR）融合技術

相比于傳統建筑，面向鐵路“四電”（電力、電氣化、信號和通信）的智能建造更加復雜。BIM是建筑三維模型和信息的數字化表達技術，而AR最突出的特點是具有虛實融合與人機交互功能。BIM與AR的融合技術，使工程師在面對鐵路新一代移動通信系統時從設計、施工到運維管理都能擁有高質高效的體驗感，有助于壓縮項目時間，保障全生命周期的可靠運行。未來BIM與AR融合技術必會隨著移動端性能的提高和鐵路新一代移動通信網絡普及而逐步走向成熟，將會對鐵路智能建造產生深刻的影響。而關于BIM模型輕量化處理問題、AR室內外的定位精度問題、多人協同管理等問題也將會是不小的挑戰。

（4）數字孿生

數字孿生技術是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，用于模擬、分析、驗證、預測和控制物理實體全生命周期過程的技術方法。在新鐵路的整體規劃、設計方案和工程施工期內或重大升級時，工程項目數字孿生模型能夠根據經營需求優化設計，并根據仿真模擬來降低施工期延誤或管理不合規的風險。此外，工程項目數字孿生模型還可以優化供應鏈管理中的貨運物流和溝通交流，進而保持施工進度和控制費用預算。例如，京雄城際鐵路在施工過程中就大量采用了數字孿生技術。此外，基于數字孿生技術可以打造智能高速鐵路車站大腦系統，在數據采集層，通過高清視頻監控或物聯網技術等，實現信息的感知，并在融合處理層，通過基礎數據對車站運營場景進行建模、優化、決策等，最終實現智能調度和智能管理等核心功能，提高車站的感知、分析、管理能力，加快推進鐵路智能化發展。

3 鐵路新一代移動通信技術的應用

本節將介紹鐵路新一代移動通信技術在當前和未來應用中面臨的難點與開放性問題，以及值得開展的研究工作。

3.1 難點

（1）頻率資源有限和新需求不斷涌現之間的矛盾

一方面，隨著越來越多的旅客選擇鐵路出行，大量移動高清視頻、VR/ AR/混合現實（MR）業務密集并發，使鐵路場景成為典型的高密度、大容量熱點區域；另一方面，隨著自動駕駛、虛擬聯接以及全天候（風、霜、雪、雨、霧、沙、霾、黑、光）環境（凈空）感知等鐵路智能裝備關鍵技術的不斷發展，車載傳感器（激光雷達、毫米波雷達、視覺傳感器等）的數量正在飛速增長，海量的感知數據也需要實現高效可靠傳輸。由此可見，發展智能高鐵與智慧鐵路將催生大量帶寬密集型應用，需要更多的頻率資源以支持海量數據的實時傳輸。而這與鐵路移動通信非常有限的專網頻率資源形成了尖銳的矛盾。因此，我們需要對未來鐵路移動通信業務需求、系統需求進行梳理和預測，科學規劃專網用頻，增加頻率資源；同時，注重厘清鐵路業務需求的特征，對于不涉及鐵路核心關鍵業務的需求，應考慮利用公網資源來增強鐵路移動裝備、基礎設施和人員的泛在互聯能力。

（2）高速移動性與可靠性問題

高速移動性是高鐵通信最鮮明的特征與挑戰[8]。由于高鐵列車的移動速度快，產生的多普勒效應會給高鐵通信系統帶來頻偏，使接收信號不穩定，無線性能惡化；列車時速較高，用戶在短時間內頻繁進行小區切換與重選，會導致掉話率升高；高鐵旅客較多且較為集中，也會導致網絡負荷的升高，造成用戶的信號質量下降；高鐵的全封閉式結構也會造成嚴重的穿透損耗[9]。這些由于高速移動性和車體屏蔽性造成的影響，會對列車控制信號在車地之間的安全可靠傳輸造成威脅。因此，如何在高速移動條件下保證移動通信的有效性、可靠性，是鐵路新一代通信系統亟須解決的痛點問題。對此，我們需要研究準確、高效、低復雜度的多普勒頻偏估計方法，使用糾偏、補償技術降低頻偏帶來的影響；需要設計低時延、高成功率的小區切換技術和切換策略，為高速移動中的用戶提供連續、穩定、高可靠的無線信號接入；需要設計低介電常數的新型復合材料，以減少金屬車體對移動通信信號的屏蔽性。

（3）綜合軌道交通樞紐集群與場景獨特性帶來的挑戰

為了支撐和引導都市圈發展，中國提出打造軌道上的都市圈，加快發展智能軌道交通系統，推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網融合”。綜合軌道交通樞紐集群是發展四網融合的關鍵點，將最大限度地實現綜合立體交通網絡人流、物流、資金流和信息流的高效換乘、無縫對接、便捷流通。這意味著綜合軌道交通樞紐集群將是多種交通方式、多種通信體制、多張無線網絡的密集匯聚場所，并成為海量業務并發的超級熱點區域。綜合軌道交通樞紐集群智能化發展的最大困難，將是如何應對頻率資源不足造成的多種無線通信系統之間、無線通信系統內不同用戶之間的嚴重干擾，以及相應的網絡性能下降、數據傳輸可靠性降低等問題。此外，鐵路場景復雜而特色鮮明，包含車站、隧道、電力牽引架、路塹、橫跨橋、明洞等特殊且不規則的結構體，加之在綜合軌道交通樞紐集群中的密集人流、物流、車流，使電波傳播呈現獨特的損耗與衰落特性，并具有高度的空間異質性和頻率依賴性。這導致長期使用的電波傳播經驗模型或解析模型，難以準確表征鐵路場景，尤其是綜合軌道交通樞紐集群中的電波傳播與信道特性。因此，鐵路新一代移動通信系統需要攻克高性能射線跟蹤技術[8]、規劃優化一體化技術、智能干擾消除技術等關鍵核心技術，并將高質量的無線網絡規劃與優化融入綜合軌道交通樞紐集群的設計、建造與運維過程中，以應對綜合軌道交通樞紐集群與場景獨特性帶來的挑戰。

3.2 開放性問題

（1）技術體制選擇

第3代合作伙伴計劃（3GPP）的R15標準僅有eMBB場景。URLLC與mMTC在R16中會得到完善，并在R17中獲得進一步增強。而FRMCS需求在R16中才會有所體現，在R17中才能完善。因此，中國鐵路發展的鐵路新一代移動通信系統應至少基于R16版本，并具備向R17平滑演進的能力。

（2）公專共存路線

由于鐵路專網頻率資源受限，因此未來鐵路部分對安全性、可靠性等要求相對較低的業務可以考慮借助運營商的5G公網進行承載。關于公網與專網的共存，大致可分為3種路線。第1種路線是異構技術的共存，即采用不同的架構、不同的技術向同一個業務方向發展。第2種路線是同構技術的共存，即公網與專網選用的基本技術體系是一樣的。鐵路研制的GSM-R、LTE-R技術體系，就是鐵路與全球移動通信系統（GSM）、長期演進（LTE）技術的同構交融。在這一過程中，鐵路進行了很多次改造和優化，以打造適合自身特殊發展需求的體系。第3種路線是運營層面、業務層面的共存，比如鐵路在某些領域會直接用公網技術進行服務。這3種形式都會存在，其中同構共存或許會更受行業青睞，更能確保通信網絡的信息安全。

（3）異構網絡協同能力

鐵路新一代移動通信系統要具備和其他網絡協同的能力。Wi-Fi 6可以作為鐵路新一代移動通信網絡在低速場景下的有效補充，可應用于VR/ AR、路局辦公、站段作業、教育培訓、AI輔助等業務場景。基于北斗定位技術，結合鐵路新一代移動通信網絡的室內和室外定位功能，可以實現滿足開闊地帶、隧道和室內等多種場景定位需求的鐵路全域定位。衛星通信網絡可以作為鐵路新一代移動通信網絡的備份網絡，有助于打造空天地一體化的鐵路通信網絡，實現對鐵路常規通信、應急通信、臨時施工通信等全場景的覆蓋。打造基于60 GHz毫米波頻譜的鐵路車地傳輸專用網絡，可實現超高速率的車載數據上傳和下載，實現鐵路6A、6C等車載數據的高速轉儲，以及車載旅客信息服務（PIS）視頻數據的高速下發。第5代固網通信（F5G）是對鐵路新一代移動通信網絡的固網補充。結合F5G和鐵路新一代移動通信網絡的海量連接優勢，有助于共同構筑鐵路各專業的聯接基石，構建鐵路萬物互聯的智能世界。窄帶物聯網（NB-IoT）等移動物聯網技術，是對鐵路新一代移動通信物聯網的補充，能夠實現對鐵路基礎設施、移動裝備、關鍵部件、貨物、人員等的互聯和感知。

4 結束語

鐵路是國家戰略性、先導性、關鍵性重大基礎設施，是國民經濟大動脈、重大民生工程和綜合交通運輸體系骨干，在經濟社會發展中的地位和作用至關重要。發展智能高鐵/智慧鐵路是一個復雜的系統工程，需要圍繞智能感知層、智能傳輸層、數據資源層、智能決策層、智能應用層等組成的產業鏈部署創新鏈，有針對性地開展科學研究、科技攻關與人才培養，推動創新鏈高效服務產業鏈；與此同時，還要圍繞創新鏈布局產業鏈，實現新一代信息通信技術創新成果的快速轉移轉化，并推動鐵路產業結構轉型升級。創新鏈與產業鏈互為支撐，形成促進中國鐵路高質量發展的新動能。最后，產業鏈的可持續發展需要一個和諧生態圈。就鐵路新一代移動通信發展而言，和諧生態圈應指遵循開放、有序、合作、共贏的原則，為鐵路行業數字化、智能化發展創造更好的生態環境，讓身處其中的各個成員共存共榮，最終實現整個鏈條及系統的和諧發展。為打造好深度融合的創新鏈、產業鏈、價值鏈，推動新一代信息通信技術與鐵路深度融合，鐵路新一代移動通信技術的研究與發展任重道遠。

參考文獻

[1] AI B， MOLISCH A F， RUPP M， et al. 5G key technologies for smart railways [J]. Proceedings of the IEEE， 2020， 108（6）： 856-893. DOI： 10.1109/ JPROC.2020.2988595

[2] 艾渤， 章嘉懿， 何睿斯， 等. 面向智能高鐵業務和應用的5G基礎理論與關鍵技術 [J]. 中國科學基金， 2020， 34（2）： 133-141

[3] ZHU J K， CHEN G， ZHANG S H， et al. Foundation study on wireless big data： concept， mining， learning and practices [J]. China communications， 2018， 15（12）： 1-15. DOI： 10.12676/ j.cc.2018.12.001

[4] HONG W， JIANG Z H， YU C， et al. The role of millimeter-wave technologies in 5G/6G wireless communications [J]. IEEE journal of microwaves， 2021， 1（1）： 101-122. DOI： 10.1109/ JMW.2020.3035541

[5] 中國信息通信研究院. 云計算發展白皮書 [R]. 2020

[6] 艾渤， 馬國玉， 鐘章隊. 智能高鐵中的5G技術及應用 [J]. 中興通訊技術， 2019， 25（6）： 42-47+54. DOI： 10.12142/ZTETJ.201906007

[7] HE D P， AI B， GUAN K， et al. The design and applications of high-performance ray-tracing simulation platform for 5G and beyond wireless communications： a tutorial [J]. IEEE communications surveys & tutorials， 2018， 21（1）： 10-27. DOI： 10.1109/COMST.2018.2865724

[8] 魏航. 高鐵專線智能優化關鍵技術分析 [EB/OL].（2020-03-25）[2021-06-20]. https：//www.zte. com.cn/china/about/magazine/zte-technologies/2020/3-cn/4/8.html

[9]王凱. 5G高鐵覆蓋， 為高速軌道交通打造寬帶信息通道 [EB/OL]. （2020-05-14）[2021-06-20]. https：//www.zte.com.cn/china/about/magazine/ zte-technologies/2020/5-cn/4/6.html

作者簡介

鐘章隊，北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室首席教授、博士生導師，教育部“面向高速鐵路控制的無線移動通信系統研究”創新團隊帶頭人，寬帶移動信息通信鐵路行業重點實驗室主任；從事無線通信與寬帶移動通信、計算機通信與信息技術等研究與教學；1994年提出基于GSM-R技術建設中國鐵路數字移動通信網絡，奠定高速鐵路CTCS3級列控系統發展基礎；完成100多項科研項目，研究成果廣泛應用于青藏鐵路、大秦重載運輸鐵路、客運專線、高速鐵路等工程建設；獲國家科技進步一等獎1項，省部級科技特等獎1項、一等獎3項、二等獎5項，中國圖書優秀學術著作一等獎1項，中國高等學校十大科技進展1項，中國研究生教育成果獎二等獎1項，中國電子學會優秀博士學位論文指導導師獎，1998年獲鐵道部有突出貢獻的中青年科技專家稱號，1999年享受國務院政府特殊津貼，2004年獲茅以升科學技術獎（鐵道科技獎），2007年獲第八屆詹天佑鐵道科學技術貢獻獎，2010年獲得第十屆詹天佑鐵道科學技術成就獎。

官科，北京交通大學教授、博士生導師，軌道交通控制與安全國家重點實驗室信息通信研究室副主任，太赫茲通信標準《IEEE 802.15.3d-2017》的信道模型主創者，《IEEE Vehicular Technology Magazine》《電波科學學報》等期刊的編委；研究領域為5G、毫米波/太赫茲以及智能軌道交通電波傳播與無線信道；獲德國洪堡基金會外國科學家研究基金資助，獲國際無線電科學聯盟（URSI）青年科學家獎、教育部高等學?？茖W研究優秀成果獎。

陳為，北京交通大學教授、博士生導師，軌道交通控制與安全國家重點實驗室信息通信研究室副主任；長期從事無線通信、信號處理、人工智能技術研究，并圍繞高維信息感知和處理、5G海量機器類通信、物聯網智慧信息采集和傳輸、智慧交通開展研究工作；作為負責人承擔省部級及以上項目10余項；在高水平國際期刊和國際會議上發表論文70余篇，包括期刊論文20篇。

艾渤，北京交通大學教授、博士生導師、電子信息工程學院副院長，軌道交通控制與安全國家重點實驗室常務副主任，國家6G技術研發總體專家組專家，中國移動集團軌道交通聯盟5G產業推進委員會主任，IET Fellow，IEEE VTS杰出講師，中共中央組織部“萬人計劃”領軍人才，科技部中青年創新領軍人才；獲國家自然科學基金委杰出青年基金、優秀青年基金，以及國家自然科學基金委-英國皇家學會牛頓高級學者基金資助；發表論文150余篇，獲授權發明專利32項。