《6G智能轨道交通白皮书》未来移动通信论坛

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，需要全新的移动通信网络和技术突破， 包括但不仅局限于：

（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 Communications, 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。