6G智能轨道交通白皮书|免费下载.pdf

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1、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 .12. 6G轨 道 交 通 覆 盖 技 术 概 述 .22.1. 6G轨 道 交 通 无 线 信 道 .22.2. 6G轨 道 交 通 覆 盖 技 术 .42.3. 去 蜂 窝 大 规 模 MIMO技 术 .62.4. RIS在 高 速 移 动 场 景 中 的 应 用 .83. 6G轨 道 交 通 传 输 关 键 技 术 .93.1. 面 向 未 来 高 铁 的 智 能 快 速 随 机 接 入 .93.2. 面 向 高 铁 6G演 进 的 多 址 接 入 技 术 .103.3. OTFS在 智 能 高 铁 中 的 应 用 .13

2、3.4. 太 赫 兹 通 信 在 高 速 移 动 场 景 中 的 应 用 .144. 构 建 智 能 安 全 的 6G轨 道 交 通 .164.1. 面 向 6G轨 道 交 通 的 边 缘 智 能 技 术 .164.1.1. 面 向 6G轨 道 交 通 的 边 缘 智 能 网 络 架 构 .164.1.2. 边 缘 智 能 技 术 .174.2. 轨 道 智 能 交 通 系 统 6G网 络 内 生 安 全 .184.2.1. 轨 道 交 通 6G网 络 面 临 的 安 全 威 胁 与 挑 战 .194.2.2. 轨 道 交 通 6G网 络 内 生 安 全 架 构 .204.2.3. 轨 道 交

3、 通 6G网 络 内 生 安 全 关 键 技 术 .224.3. 轨 道 交 通 数 字 孪 生 网 络 .265. 轨 道 交 通 物 联 网 技 术 .295.1. 高 铁 物 联 网 监 测 及 传 输 技 术 .295.1.1. AI助 力 的 铁 路 物 联 监 测 技 术 .295.1.2. 时 域 功 率 分 配 增 强 的 铁 路 传 输 技 术 .305.1.3. 无 线 射 频 供 电 驱 动 的 高 铁 物 联 网 技 术 .315.1.4. 无 人 机 辅 助 的 的 高 铁 物 联 网 传 输 计 算 技 术 .325.2. 绿 色 物 联 网 反 向 散 射 技 术

4、 在 6G轨 道 交 通 中 的 应 用 .335.3. 面 向 智 能 高 铁 的 基 于 6G的 海 量 机 器 类 通 信 .345.4. 通 信 感 知 一 体 化 .35参 考 文 献 .39致 谢 .4111.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

5、 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

6、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

7、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

8、 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

9、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

10、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

11、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 ，

12、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

13、 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

14、 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 Commu

15、nications, 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

16、 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

17、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

18、 、 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 ，

19、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

20、 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

21、 -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

22、 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

23、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

24、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

25、 ， 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

26、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

27、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

28、 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

29、 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

30、 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

31、 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

32、 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

33、。 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

34、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

35、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

36、 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 进 行 扩 展 覆 盖 ，并 在 地 面 轨 道 交 通 网 络 损 毁 情 况 下 提 供 高 可 靠 应 急 覆 盖 。毫 米 波 技 术 可 为 6G 轨 道 交 通 提 供 更 高 的 数 据 传 输 速

37、 率 。 然 而 轨 道 交 通 的 覆盖 范 围 较 大 ， 电 磁 波 在 毫 米 波 频 段 的 传 播 损 耗 相 比 低 频 段 要 高 很 多 ， 除 路 径 损 耗外 ， 还 会 受 到 大 气 衰 减 、 雨 衰 和 植 被 衰 减 等 因 素 的 影 响 。 因 此 ， 将 毫 米 波 用 于 轨道 交 通 无 线 覆 盖 的 主 要 问 题 在 于 如 何 克 服 高 传 播 损 耗 、 植 被 衰 减 、 阴 影 衰 落 等 因6素 的 影 响 。 一 方 面 可 以 考 虑 在 车 站 等 可 提 供 短 距 离 通 信 的 场 景 下 部 署 毫 米 波 系 统以 提

38、 升 特 定 业 务 需 求 的 传 输 速 率 ， 另 一 方 面 可 以 将 6G 超 大 规 模 MIMO 与 波 束 成形 技 术 结 合 ， 利 用 超 大 规 模 天 线 阵 列 产 生 的 高 增 益 定 向 波 束 抵 消 毫 米 波 信 号 在 传输 过 程 中 的 损 耗 ， 提 高 毫 米 波 波 束 的 覆 盖 广 度 ， 实 现 轨 道 交 通 场 景 下 覆 盖 性 能 的提 升 。 此 外 ， 全 双 工 技 术 允 许 无 线 通 信 设 备 在 同 一 频 段 上 同 时 发 送 和 接 收 信 号 ，可 成 倍 地 提 升 通 信 系 统 的 容 量 。 通

39、 过 将 全 双 工 技 术 引 入 毫 米 波 通 信 系 统 ， 部 署 在列 车 车 体 顶 部 的 中 继 基 站 ， 优 化 带 宽 资 源 的 分 配 机 制 ， 进 而 大 幅 度 提 升 6G 轨 道交 通 无 线 覆 盖 的 质 量 。然 而 ， 由 于 毫 米 波 较 大 的 穿 透 损 耗 和 较 低 的 反 散 射 能 量 ， 轨 道 侧 基 站 和 列 车终 端 之 间 的 可 用 无 线 传 播 路 径 减 少 ， 这 依 然 严 重 影 响 了 6G无 线 覆 盖 的 有 效 范 围 。为 了 进 一 步 改 善 覆 盖 ， 可 以 通 过 部 署 RIS 提 供

40、 额 外 的 反 散 射 能 量 ， 实 现 高 增 益 波束 ， 提 升 覆 盖 质 量 。 RIS 是 包 括 大 量 无 源 反 射 元 件 的 平 面 ， 每 个 无 源 反 射 元 件 能够 独 立 地 对 入 射 信 号 引 起 可 控 的 幅 度 和 /或 相 位 变 化 ， 可 用 于 6G轨 道 交 通 场 景 通信 覆 盖 及 传 输 性 能 的 提 升 ， 尤 其 适 用 于 轨 道 交 通 复 杂 场 景 下 高 可 靠 无 线 覆 盖 的 保障 。 一 方 面 ， 将 RIS 引 入 到 轨 道 交 通 通 信 系 统 中 ， 基 站 （ Base Station，

41、BS） 侧可 以 配 备 更 少 的 天 线 ， 从 而 降 低 硬 件 成 本 和 能 耗 ； 另 一 方 面 ， 通 过 适 当 部 署 RIS抵 抗 通 信 路 径 的 遮 挡 ， 扩 大 覆 盖 范 围 ， RIS 幅 度 和 相 移 的 可 编 程 属 性 也 可 用 于 解决 轨 道 交 通 场 景 中 的 多 普 勒 效 应 和 衰 落 问 题 ， 提 高 系 统 的 频 谱 效 率 。 此 外 ， 当 前RIS 的 研 究 大 多 将 反 射 面 部 署 在 建 筑 物 表 面 ， 而 轨 道 交 通 场 景 下 RIS 的 部 署 可 以更 加 灵 活 ， 可 在 轨 道 沿

42、 线 环 境 中 的 各 类 基 础 设 施 上 部 署 ， 例 如 轨 道 侧 、 列 车 车 窗 、车 厢 内 壁 等 。 RIS 也 可 部 署 在 UAV 上 ， 通 过 空 中 RIS 来 解 决 6G 轨 道 交 通 复 杂场 景 下 的 通 信 可 靠 传 输 问 题 ， 从 而 保 障 轨 道 交 通 复 杂 场 景 的 可 靠 覆 盖 。切 换 是 轨 道 交 通 无 线 通 信 系 统 的 重 要 环 节 ， 也 是 保 障 高 可 靠 连 续 性 覆 盖 的 关键 。 在 高 速 移 动 场 景 下 ， 由 于 信 道 的 快 速 时 变 特 性 ， 相 邻 基 站 之

43、间 可 能 存 在 移 动终 端 的 频 繁 切 换 ， 导 致 切 换 失 败 率 高 、 通 信 中 断 概 率 高 ， 无 法 满 足 用 户 高 速 且 稳定 的 传 输 速 率 需 求 ， 严 重 影 响 着 6G 轨 道 交 通 无 线 覆 盖 的 平 滑 度 。 此 外 ， 实 际 铁路 往 往 要 经 历 高 架 桥 、 隧 道 、 平 原 、 丘 陵 、 山 区 等 复 杂 多 样 的 地 形 ， 这 对 切 换 算法 提 出 了 更 高 的 要 求 。 在 基 于 位 置 的 切 换 算 法 中 ， 当 列 车 驶 入 重 叠 带 时 ， 相 邻 两基 站 动 态 调 整

44、波 束 成 形 增 益 ， 实 现 随 移 动 终 端 的 波 束 跟 踪 ， 该 方 法 可 以 提 高 终 端设 备 接 收 到 的 信 号 强 度 ， 进 而 达 到 提 升 切 换 成 功 率 的 目 的 。 此 外 ， 还 可 以 通 过 利用 预 测 的 参 考 切 换 点 触 发 切 换 ， 以 减 轻 切 换 过 程 中 的 中 断 概 率 ， 为 轨 道 交 通 通 信系 统 提 供 更 平 滑 的 6G 无 线 覆 盖 。2.3.去 蜂 窝 大 规 模 MIMO技 术在 高 速 移 动 场 景 中 ， 移 动 性 带 来 的 多 普 勒 频 移 会 造 成 严 重 的 通

45、信 系 统 性 能 损失 。 而 去 蜂 窝 大 规 模 MIMO 技 术 能 够 充 分 利 用 空 间 自 由 度 及 宏 分 集 增 益 ， 从 而获 得 高 系 统 性 能 和 均 匀 网 络 覆 盖 ， 使 其 成 为 面 向 未 来 无 线 通 信 高 移 动 性 要 求 的 潜在 技 术 之 一 。 去 蜂 窝 大 规 模 MIMO 技 术 是 传 统 大 规 模 MIMO 的 演 进 技 术 ， 同 时也 是 蜂 窝 网 络 迈 向 无 蜂 窝 网 络 架 构 的 巨 大 跳 跃 。 去 蜂 窝 大 规 模 MIMO 系 统 包 含多 个 分 布 式 接 入 点 （ Acces

46、s Point, AP） ， 这 些 AP 通 过 前 传 链 路 连 接 到 中 央 处理 单 元 （ Central Processing Unit, CPU） ， 并 利 用 相 同 的 时 频 资 源 为 网 络 中 的 所7有 用 户 同 时 进 行 服 务 。 因 此 去 蜂 窝 大 规 模 MIMO 技 术 能 够 增 强 网 络 覆 盖 ， 提 供均 匀 的 频 谱 效 率 ， 并 且 该 网 络 架 构 中 不 存 在 传 统 的 小 区 概 念 和 小 区 边 缘 效 应 。由 于 铁 路 特 别 是 高 铁 的 蓬 勃 发 展 ， 高 铁 通 信 也 引 起 了 学 术

47、界 和 工 业 界 的 极 大关 注 。 高 架 桥 和 隧 道 是 高 铁 无 线 传 播 环 境 中 的 两 种 典 型 场 景 ， 比 如 京 沪 高 铁86.5%的 路 段 使 用 高 架 桥 ， 这 就 导 致 高 铁 场 景 无 线 传 播 环 境 几 乎 不 存 在 散 射 和 反射 路 径 ， 因 此 视 距 （ Line-of-Sight， LoS） 信 道 的 假 设 被 广 泛 用 于 高 铁 无 线 通 信 的分 析 。 然 而 在 高 铁 实 际 场 景 中 无 线 传 播 环 境 是 极 其 多 样 化 的 ， 除 高 架 桥 、 隧 道 外 ，列 车 还 可 能

48、在 车 站 、 山 区 、 森 林 、 市 区 等 多 种 地 形 中 行 驶 ， 这 些 场 景 下 无 线 传 播环 境 存 在 丰 富 的 散 射 路 径 。 因 此 ， 还 需 要 考 虑 非 视 距 （ Non-Line-of-Sight， NLoS）路 径 来 准 确 刻 画 高 铁 无 线 通 信 信 道 。 基 于 K 因 子 的 莱 斯 （ Rician） 衰 落 信 道 能 够有 效 描 述 高 铁 通 信 中 无 线 信 道 的 LoS 和 NLoS 分 量 ， 因 此 可 以 被 用 于 高 铁 通 信 的信 道 建 模 以 得 到 重 要 的 分 析 结 论 。此 外

49、 ， 正 交 频 分 复 用 （ Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）技 术 被 应 用 于 铁 路 长 期 演 进 技 术 （ Long-Term Evolution for Railway， LTE-R） 以实 现 与 现 有 地 面 蜂 窝 网 络 的 无 缝 连 接 。 然 而 ， 在 高 铁 的 高 速 移 动 场 景 中 多 普 勒 频偏 会 造 成 严 重 的 子 载 波 间 干 扰 从 而 降 低 高 铁 通 信 系 统 的 性 能 。 另 外 在 高 速 移 动 下的 快 速 信 号 处 理 和 频 繁 的 基 站

50、 切 换 也 是 高 铁 通 信 系 统 设 计 的 两 个 挑 战 。 而 解 决 这些 问 题 可 能 的 有 效 方 法 是 采 用 分 布 式 的 大 规 模 MIMO 网 络 架 构 ， 原 因 是 分 布 式天 线 系 统 架 构 可 以 减 少 不 必 要 的 基 站 切 换 ， 从 而 降 低 切 换 失 败 和 链 路 中 断 的 概 率 。但 在 分 布 式 天 线 系 统 中 仍 然 需 要 简 单 的 基 站 快 速 切 换 方 案 来 提 供 超 可 靠 和 低 延迟 的 高 铁 通 信 。 而 去 蜂 窝 大 规 模 MIMO 系 统 作 为 分 布 式 大 规 模