轨道交通场景5g关键技术

重介绍大规模 MIMO(massive MIMO)、毫米波(millimeter wave)以及非正交多址(non-orthogonal multiple access,

NOMA)3项5G关键技术的简要原理以及我国相关的研究情况。同时，阐述3项5G关键技术在轨道交通场景中

的应用与研究现状，指出其在轨道交通场景的研究热点。结果表明，未来5G的多种关键技术将会渗透到轨道交

通系统中的各项应用中，包括列车控制、乘客娱乐、高清视频、设备监测等，为实现轨道交通的智能升级提供有

力的支撑。关键词：第五代移动通信系统；轨道交通移动通信；大规模MIMO；毫米波；非正交多址 中图分类号:U298

文献标志码：A

文章编号:1672-6073(2019)05-0038-06Fifth-generation (5G) Key Technologies of Rail Transit ScenarioAI Bo, MA Guoyu, ZHONG Zhangdui(State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)Abstract: Based on the overview of three core use cases, standard organization and standardization of the fifth-generation

(5G) mobile communications system, this paper focuses on the three key 5G technologies: massive MIMO, millimeter wave,

and non-orthogonal multiple access. The underlying principles and relevant research situations in China are briefly described. The paper also demonstrates the application and research status of these three technologies, and identifies research hotspots in the rail transit scenario. Additionally, this paper discusses the manner in which several upcoming 5G key technologies will

penetrate into various applications in the rail transit system, including train control, passenger entertainment, high-definition

video, equipment monitoring, etc., which provides powerful support for the need of intelligent upgradation of existing rail

transits.Keywords: fifth-generation mobile communications system; rail transit mobile communications; massive MIMO; millimeter

wave; non-orthogonal multiple Access截至2018年底，我国铁路运营总里程达到

13.1万km,高铁总里程达到2.7万km,城市轨道交

通产业升级目前，人工智能、云计算、物联网等

前瞻技术成为各行业产业升级的核心驱动力，而5G

通总里程达到5 670 km[,-2]o为了推行未来交通出行方 是促使这些新兴技术应用的关键。因此，5G是实现轨

式的智慧化，轨道交通智能化被提出，以促使轨道交道交通智能化的重要支撑，同时轨道交通也是5G的

重要应用场景之一,5G在轨道交通场景中的应用是一

收稿日期：2019-03-11 修回日期：2019-03-24第一作者：艾渤，男，工学博士，教授，主要从事高铁移动通信

个值得深入探讨的课题。1 5G概况经过前四代移动通信系统的演进，人与人之间的 通信服务质量得到了巨大的提升，从而带动了移动互

的研究，boai@bjtu.edu.cn基金项目：国家重点研发一国家战略性国际合作重点专项项目

(2016YFE0200900);国家重点研发计划重点专项子

课题(2016YFB1200102-04)；国家自然科学基金委员 会纵向项目(61725101, U1834210);北京市科委纵

联网等信息产业的蓬勃发展。然而，随着未来老龄化

社会的逐步到来，移动互联网等以人为直接服务对象 的信息产业需求会逐渐饱和，而诸如人工智能、云计

向项目(L172020, Z181100003218010)

38 URBAN RAPID RAIL TRANSIT算、物联网等以机器设备为直接服务对象的信息产业 将会出现巨大的需求缺口。因此，相较于前四代移动 通信系统,5G在继续提升人与人之间通信服务质量的

基础上，更侧重于满足物与物之间的通信服务需求， 致力实现''增强宽带、万物互联”，从而保障未来新型 信息产业的应用。如图1所示，相较于之前的通信系

统，5G不仅在原移动宽带(mobile broadband, MBB)

的基础上提出增强型移动宽带(enhanced mobile

broadband, eMBB)以继续提升通信速率，并且提出了

超可靠低时延通信(ultra-reliable low latency communi­

cations, uRLLC)及大规模机器通信(massive machine­type communications, mMTC)两个新核心场景以实现

超可靠传输及低功耗大规模连接⑷。以上5G三大核心 场景将面向不同的未来信息产业应用，其中eMBB将 为未来如超高清视频、虚拟现实/增强现实(virtual

reality/augment reality, VR/AR)等大流量移动宽带业务

提供支撑；uRLLC将满足未来如无人驾驶、工业自动

化、远程医疗等超可靠业务需求；mMTC将为未来物 联网中海量的传感器及作动器提供低功耗连接。图1 5G三大核心场景

Fig. 1 Three core use cases in 5G2 5G标准组织及标准情况2.1 5G相关标准组织目前在全世界范围内已经形成了多个与5G相关 的标准组织。其中，国际电信联盟(International teleco­

mmunication union, ITU)和第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project, 3GPP)是制定 5G 国际标

准的两个主要标准化组织。另外，欧盟成立了 5G基础

设施公私伙伴关系(the 5G infrastructure public private

partnership, 5GPPP)组织并启动了针对5G研发的

METIS项目，美国成立了 5G Americas组织，韩国成

立了 5GForum论坛，而我国也成立了 IMT-2020推进 组。下面将对这些标准化组织做简要介绍。轨道交通场景5G关键技术1) ITU。ITU是联合国下属的一个专门负责处理

与信息和通信技术有关问题的机构。在5G中，ITU 侧重于制定相应系统需求、指标以及性能评价体系，同

时向全球征集潜在的技术方案，并开展相应评估、确 认和批准5G标准。2) 3GPPo 3GPP最早是针对第三代移动通信(the

third generation, 3G)而成立的电信标准发展协会组建

的合作伙伴组织，旨在为各个电信协会制定技术报告

和规范提供一个稳定的平台。在5G中，3GPP将一如

既往地从事具体的标准化技术讨论和规范制定工作。3) 5GPPPo 5GPPP是欧盟委员会联合欧洲信息通

信技术制造商、电信运营商、服务提供商、中小企业

和研究机构而成立的合作组织。其将为5G基础设施 提供解决方案、架构、技术与标准，旨在确保欧洲在

5G及相关潜在市场中的领导地位，从而加强欧洲工

业，以在全球市场的竞争中获得成功并开辟新的创新 机会。4) METIS项目。METIS全称为2020信息社会移

动与无线通信使能者项目(mobile and wireless commu­

nications enablers for twenty-twenty (2020) information society)o其在2013年初由欧盟委员会资助，研究团

队由爱立信、法国电信和一些欧洲学术机构的29名成 员组成，旨在为解决未来移动和无线通信系统发展相

关的基本问题提供一个重要平台，并为未来的标准化 铺平道路。5) 5G Americaso 5G Americas 是一家由国际领先

的电信运营和制造商组成的行业贸易组织。该组织的 使命是倡导并促进美洲LTE无线技术的发展及其向

5G的演进。6) 5GForum。5GForum是由韩国政府发起的面向 5G的技术论坛，其成员包括全球移动网络运营商、设

备制造商、研究机构、大学和政府，旨在通过定期研

讨会、小组委员会、月度电子杂志及年度白皮书在5G

的所有相关方之间建立相互的合作关系。7) IMT-2020推进组。IMT-2020推进组由我国工

业与信息化部、国家发展和改革委员会及科学技术部

在2013年初联合推动成立。IMT-2020是由ITU无线

电信部门(ITU radiocommunication sector, ITU-R)确定

的5G的法定名称。IMT-2020推进组旨在联合全球顶 级移动运营商、设备制造商、研究机构及大学来推动

5G研发及技术方案评估试验等工作，同时组织协调中

国公司面向3GPP提交5G相关解决方案及技术自评

URBAN RAPID RAIL TRANSIT 39都市快轨交通•第32卷第5期2019年40月估结果，并完成ITU的独立评估工作。至2017年6月9日进行了 Release 14的发展，对LTE-A

Pro做进一步的完善。其主要内容包括多用户叠加传

可以看到，在标准制定中，ITU、3GPP及其他各 标准化组织存在一定的层级关系。ITU并不做具体的

输技术(multi-user superposition transmission, MUST)> 车对车通信(vehicle to vehicle, V2V),及对 3DMIMO、 协作通信(coordinated multipoint, CoMP)、许可频谱辅 助接入和LTE WLAN聚合的进一步增强等。2017年

12 月，3GPP 完成非独立组网(non-stand alone, NSA)

技术和标准化规范制定工作，而是将3GPP制定好的

具体标准规范提交到ITU进行评估，在满足ITU的 相关指标后则会被批准为全球5G标准。3GPP制定

的具体标准规范是由如5GPPP> IMT-2020推进组等

标准化组统筹协调全球各运营商、制造商或研究机构 来提供的。的5G NR规范，使用现有4G LTE网络作为连接5G 的锚点。2018年6月14 S, 3GPP在美国圣迭戈召 开3GPP RAN全会，宣布按时完成了独立组网(stand

alone, SA)的 5G 新空口(5G new radio, 5G NR)规范。

2.2 5G标准情况为ITU与3GPP针对5G制定的标准化时间表见

表1。对于ITU而言，第1个阶段是到2015年底，也 就是在2015年世界无线电大会之前，重点完成5G宏

这套新规范将利用5G核心网以部署5G NR,支持端 到端新特性，包括网络切片和支持更精细的服务质量

(quality of service, QoS)模型。同时，Release 15 的主

观描述，包括5G的愿景、5G技术趋势、5G候选频

段和ITU的相关决议，并在2015年世界无线电大会 上获得必要的频率资源。第2个阶段是2016年到2017 年底，为技术准备阶段。在此期间ITU主要完成技术

要版本宣布冻结。目前，Release 16正在制定过程中。

3GPP开展了约25项Release 16研究，涉及多个主题，

包括多媒体优先服务、车联网、5G卫星接入、5G中 的局域网支持、5G无线和有线融合、终端定位和定位、 垂直域通信和网络自动化以及新颖的无线电技术。其 技术报告也正在开发中，以将3GPP技术扩大到对非

的需求与评估方案，提交候选技术所需要的模板等内 容，并正式向全世界发出征集5G候选技术的通函。

在这段时间内，业界应积极开展5G技术研究，做好

向ITU提交候选技术的准备。第3个阶段是收集候选 技术的阶段。从2017年底开始，各个国家和国际组织 就可以向ITU提交候选技术。ITU将对收到的候选技 术进行评估，组织技术讨论，并力争在世界范围内达成

陆地无线电接入和海洋方面领域。2.3我国在制定5G标准中的作用与地位在5G的标准制定中，我国发挥了主导作用。以 中国移动为代表的中国电信运营商及以华为、中兴为 代表的电信设备商在5G标准制定方面有显著的贡献。

2017年，包括中国移动、中国电信、中国联通、华为、

—致。最后在2020年底，ITU将发布正式的5G标准。表1 ITU与3GPP制定的5G标准化时间Tab. 1 5G standardization timetable establishedby ITaU and 3GPP

项目中兴、联发科技等多个中国企业参与了首个5G标准

的制定。同时有报告指岀，截至2018年3月，我国提

2013—20152016—20172018—20192020交的5G国际标准文稿占全球的32%,主导标准化项 目占比达40%同。2016年11月,以华为主推的polar 码成为5G eMBB场景下控制信道的信道编码方案。

标准前期 研究技术需求与 候选方案征

评估方案集与评估标准化信道编码是通信链路中最核心的部分之一，由中国公

司主推的编码方案成为5G的信道编码标准，代表了

Release 13 (4G Advanced)Release 14 (5G SI)Release 15 (5G SI/WI)Release 16 (5G Advanced)我国在5G标准制定中已经具有举足轻重的地位。3 5G关键技术为ITU制定的5G系统性能指标见表2,可以看 出，5G分别针对eMBB、uRLLC及mMTC三大核心

对于3GPP, 2013年9月30日至2016年3月11 日进行了 Released的发展，主要对载波聚合、机器 通信、LTE-U、室内定位、MIM0和多用户叠加编码

场景提出10 Gbit/s的峰值速率，1 ms的空口传输时延

及100万/kn?的连接密度叫为了实现上述指标，各 通信运营商、设备制造商、大学及研究机构提出了若 干5G关键技术。下面简要介绍其中几种热门5G关键

等进行增强。Released在后来也被称为LTE-A Pro,

俗称4.5G,即向5G过渡的意义。2014年9月17日

40 URBAN RAPID RAIL TRANSIT技术，包括大规模MIMO技术、毫米波技术以及

NOMA技术等。表2 ITU制定的5G系统性能指标Tab. 2 5G performance metrics established by ITU指标名称指标需求峰值速率10 GbiVs用户体验速率0.1-1 Gbit/s传输时延1 ms连接数密度lxl06/km2流量密度10 Tbit/(s-km2)移动性500 km/h3.1大规模MIMO技术大规模MIMO技术最早由贝尔实验室(Bell labo­

ratories) 的Marzetta引出，随后在全球范围内展开了广

泛的研究⑺。如图2所示，大规模MIMO旨在收发端 安置了大量天线以形成大规模的天线阵列。相较于以 往的仅有2〜8根天线的MIMO系统，大规模MIMO

具有诸多优势与潜力同。一方面，大规模MIMO可以 将系统容量提升10倍，且同时能将系统的能量效率提 升100倍。系统的容量可以从系统的频谱效率来反映，

频谱效率的提升源自于在大规模MIMO下，空间复用 可以进行大量的使用，因为有大量的天线可以在同一

个时频资源内服务。另一方面，能量效率的提升是由 于在大规模MIMO中，大量的天线可以使能量集中在

一个十分狭窄的波束范围内，即从相干叠加上来说， 大量的天线可以使发射出的电磁波在一个很小的范围 内形成相长干涉，而在其他地方形成相消干涉。其次,

在大规模MIMO中，原先高成本高能耗的放大器及其 他硬件可以被大量的低成本低能耗的放大器件所替

代。大规模MIMO提供了大量的自由度，由此在信号图2大规模MIMO系统

Fig. 2 Massive MIMO system轨道交通场景5G关键技术赋形中可以更好地设计适合硬件的信号波形。第三， 在大规模MIMO中，大数定律得到了充分的利用。首 先，由于大数定律，信道的小尺度衰落被消除；其次，

噪声及硬件缺陷所带来的负面影响可以通过大量的天

线来进行平均忽略；再次，由于大数定律，信道中的 衰落波谷可以被很好地避免，从而可以缩短通信的时

延；最后，大量的天线数量也可以将人为的干扰进行

平均。因此，整个通信的鲁棒性可以通过大规模MIMO 的天线数量来得到大幅度的提升。3.2毫米波技术毫米波是指频率在30-300 GHz频段,波长为1〜

10 mm的电磁波。由于毫米波存在极为丰富的频谱资

源和极大的带宽，因此毫米波技术具有十分重要的战 略意义。毫米波通信起源于二战时期，由于毫米波具

有波长短、频段宽的特性，毫米波雷达具有高精度和 高分辨率的特性，深受军事通信的青睐，到20世纪

50年代，毫米波技术的研究已经取得许多显著成就。

毫米波之所以受到未来5G通信的青睐，主要是因为 它具有以下优势：毫米波系统从30 GHz到300 GHz

的频率范围使得它拥有极为丰富的频谱资源；由于毫 米波波长短，使得在相同的天线尺寸下，比微波的波 束要窄很多，因此不同传输信号之间的干扰比较小，

同时，由于毫米波频谱利用率低，因此干扰源很少， 具有相对稳定的信道条件；毫米波通信的载波频率非

常高，因此它具有更短的波长，毫米波的天线尺寸也 小，为有限物理空间下大规模天线技术提供可能。3.3 NOMA 技术由ITU制定的5G性能指标可知，未来的移动通 信系统将面临10 Gbit/s的峰值速率需求，1 ms时延的 可靠性需求及100万/kn?的连接数需求。然而，对于

有限的无线电资源，传统的正交多址(orthogonal

multiple access, OMA)中难以实现高频谱效率、高可

靠性和大规模连接。因此，NOMA的概念被引入。在

NOMA中，资源配置是非正交分配的，以实现更高的

eMBB多路复用增益，更高的uRLLC分集增益和 mMTC的大规模连接。目前，已有多种NOMA技术

被提出田°】。其大致被分类为基于功率域的NOMA技

术和基于码域的NOMA技术。图3展示了基于功率

域的NOMA系统。在该系统中，两个下行用户占用 同一时频资源，但发射端利用不同的发射功率将两个

用户的信号进行叠加，而后在用户接收端利用串行干

扰消除(successive interference cancellation, SIC)将叠

URBAN RAPID RAIL TRANSIT 41都市快轨交通•第32卷第5期2019年10月加信号予以区分从而正确接收相应的信号。相似地， 组提交研究文稿17篇〔山。在NOMA方面，我国多家

基于码域的NOMA技术也是将多个用户的信号在码 域进行非正交叠加，而后在接收端利用SIC等先进接

设备商相继提出了各自的NOMA技术，其中已有多

项技术成为5G的核心候选NOMA技术。典型的代表 包括中兴提出的多用户共享接入技术(multi-user shared

access, MUSA),华为提出的稀疏码多址接入技术(sparse

code multiple access, SCMA)以及大唐提出的图案分多址

收机将信号区分开来。例如基于扩频的码域NOMA, 其利用非正交的扩频序列将多个用户的信号进行叠

加，而后在接收端利用先进接收算法来消除由于非正 交扩频序列互相关性而造成的干扰以实现用户区分及

技术(pattern division multiple access, PDMA)。由上 可以看出，我国在5G关键技术的研发中具有十分显 著的作用，极大地推动了全球5G关键技术研发的 进程。信号检测。4 5G在轨道交通场景中的研究轨道交通场景中的移动通信系统是铁路的关键基

础设施，承载了铁路调度指挥、列车运行控制、故障 预警等与列车行车安全息息相关的重要业务。未来轨

道交通中安全、绿色、舒适、人性化这些新的需求导 致其新的移动通信业务不断涌现，例如轨道交通多媒 体调度指挥通信、列车远程视频监控、铁路物联网、 移动售票等。这些新的业务和应用对轨道交通移动通

信系统提出了大带宽、高容量、高可靠传输的要求， 是目前基于2G的铁路窄带移动通信系统(global system

of mobile communication for railway, GSM-R),以及基

于4G的铁路宽带移动通信系统(long term evolution

图3基于功率域的非正交多址技术Fig. 3 Power-based non-orthogonal multiple accessfor railway, LTE-R)所无法满足的。然而，5G将具有

高频谱效率、高传输速率以及高传输可靠性的特征。

3.4我国在5G关键技术研发中的作用与地位我国在5G早期就开始对5G各关键技术进行研 究，并已取得了显著的成果。在大规模MIM0方面， 东南大学等多个高校相继实现了大规模MIMO原型 验证系统。另外，中国移动在2015年就 成功完成了世界上首个商用4G网络的

图4所示为5G在高速铁路场景中的应用，车地间超 可靠通信及车内海量传感器的超可靠接入将为未来先 进列车运行控制系统、先进的设备检测及自动驾驶提

供强有力的支撑。因此将5G理论与核心技术应用于

大规模MIMO部署。华为已具有相对成

熟的大规模MIMO技术，其在2017年为

LG U+实现了在韩国首尔江南区的5G商

用测试。在毫米波方面，ITU为世界无线

电通信大会设立了 1.13议题，旨在对毫

米波等高频的候选频段进行研究。针对 该议题，国家无线电管理局在2016年亲

自牵头，联合国际无线电监测中心、中 国移动、华为、北京邮电大学等20余家 单位成立了 1.13议题研究组。目前，该 研究组已初步完成多个毫米波频段的兼 容共存研究报告，并向该议题特设工作

图4 5G在轨道交通场景中的应用Fig. 4 5G applications in rail transit scenario42 URBAN RAPID RAIL TRANSIT轨道交通场景5G关键技术轨道交通移动通信系统，是提升其网络容量以及传输 在未来渗透到轨道交通系统中，为实现智能轨道交通 提供有力支撑。可靠性，实现未来轨道交通安全、绿色、舒适、人性

化建设目标的有效途径[12-13]o以下将介绍5G若干关

键技术在轨道交通场景中的研究情况。1） 大规模MIMO技术在轨道交通场景的研究。

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数百个天线进行波束赋形，大规模MIMO在理论上可

以实现上述的高数据速率、高频谱效率和高能效。目 前的相关研究点包括智能高铁场景下分布式大规模天

线低复杂度信道估计算法、高精度预编码算法及混合 波束赋形算法等。2） 毫米波技术在轨道交通场景的研究。通过毫米

波技术，未来的轨道交通移动通信系统可以占用较高

频带的时频资源，从而缓解原先低频带的资源紧张以 支持未来日益增长的数据速率需求。毫米波将与大规 模MIMO技术相结合以实现未来车站场景及车厢场 景的高速率业务。因此，目前关于毫米波的研究点集

中在基于毫米波的大规模MIMO技术，包括针对铁

路通信的毫米波波束赋形与切换、大规模MIMO毫 米波信号检测、基于大规模MIMO的毫米波无线回

传等。3） NOMA技术在轨道交通场景的研究。目前对于

NOMA技术在轨道交通场景的研究主要集中在高铁

物联网领域，即mMTC系统。mMTC可以在未来的

高铁应用场景中为大规模小型化设备提供通信服务。 然而，有限的轨道交通无线电资源无法利用NOMA

来支持mMTC中的大规模连接，因此在设计多址接入

协议时需要适度利用NOMA技术。因此，目前的一 个研究热点就是针对未来智能高速铁路满足大规模用

户传感器随机接入及可靠通信需求的NOMA方案。

另外，轨道交通场景中的移动性将会给NOMA在接 收端的检测带来额外的干扰。因此，目前的研究热点

就在于如何设计适应性的NOMA方案来缓解由移动

性而造成的系统性能下降。5总结针对5G系统进行了简要介绍，其中包括5G的概

况、5G的标准化情况、5G的关键技术以及5G在轨

道交通场景中的研究情况。可以看出，5G在未来产业 升级核心驱动技术中具有十分关键的作用。通过5G

技术在轨道交通场景的研究可以看到,5G核心技术将

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