鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構和組網(wǎng)技術研究

周宇暉

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京100070）

1 研究背景

自20世紀50年代至今，我國部署了多種鐵路專用移動通信系統(tǒng)，包括900 MHz GSM-R系統(tǒng)、450 MHz列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)、站場調(diào)車和養(yǎng)護維修通信系統(tǒng)、車號自動識別系統(tǒng)、列車安全防護報警系統(tǒng)、站場寬帶無線接入系統(tǒng)和高速鐵路列車運行控制應答器系統(tǒng)［1-2］。GSM-R系統(tǒng)自2005年在青藏鐵路、大秦鐵路、膠濟客專部署應用，至今已在全部高鐵線路和部分普速干線鐵路完成系統(tǒng)建設，形成以鐵路局集團公司為核心節(jié)點、覆蓋鐵路沿線的全國性網(wǎng)絡。

移動通信經(jīng)歷了第一代到第四代發(fā)展，當前已步入第五代移動通信（5G）商用階段。2020年3月，中共中央政治局常務委員會召開會議，要求加快5G網(wǎng)絡等新型基礎設施建設進度。4月20日，國家發(fā)展和改革委員會首次明確了“新基建”范圍，其中5G網(wǎng)絡作為新一代信息技術演化生成的基礎設施網(wǎng)絡，將從移動互聯(lián)網(wǎng)擴展到移動物聯(lián)網(wǎng)領域，與經(jīng)濟社會各領域深度融合，屬于“新基建”3個主要方面中最重要的信息基礎設施［3］。

為貫徹落實黨中央關于加快5G網(wǎng)絡等新型基礎設施建設的決策部署，中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）啟動了新一代移動通信系統(tǒng)技術演進的研究論證工作，研究人員從業(yè)務需求、頻率適應性、高速適應性、產(chǎn)業(yè)鏈、工程部署實施等不同維度綜合比選，提出了5G專網(wǎng)的系統(tǒng)目標。

鐵路移動通信業(yè)務按作業(yè)區(qū)域分為正線應用、站場與生產(chǎn)活動場所應用、車內(nèi)應用，具備“點、線、移動體”相結合的特征，因其網(wǎng)絡覆蓋和業(yè)務應用的特殊性，公網(wǎng)5G的技術制式和裝備無法直接移植適用于鐵路特殊場景與需求，應結合國鐵集團、鐵路局集團公司、站段、車間（工區(qū)）的管理維護架構和全程全網(wǎng)的運輸組織要求，定義鐵路5G專網(wǎng)的系統(tǒng)架構，才能更好地指導后續(xù)方案研究、裝備研制和工程建設等工作。重點對鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構、核心網(wǎng)組網(wǎng)方案和無線網(wǎng)組網(wǎng)方案等內(nèi)容開展研究。

2 系統(tǒng)架構

根據(jù)國家5G發(fā)展戰(zhàn)略，鐵路5G專網(wǎng)應按照獨立組網(wǎng)（SA）方案考慮，包括核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)（RAN）、用戶設備（UE）及運營與支撐系統(tǒng)（OSS）四部分，系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構

與LTE相比，5G核心網(wǎng)具備基礎設施云化、服務化架構、網(wǎng)絡切片、生命周期閉環(huán)運維管理等特征，能夠滿足業(yè)務按需彈性、切片部署；5G無線網(wǎng)具備邊緣側增強、分場景部署等特征，能夠滿足業(yè)務多樣化需求［4］。

3 組網(wǎng)方案

3.1 核心網(wǎng)

鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)以構建專用數(shù)據(jù)中心（DC）為中心，具備典型的云化系統(tǒng)特征，但與傳統(tǒng)DC相比，鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)由于直接承載處理鐵路行車安全相關業(yè)務，在系統(tǒng)可靠性、信息流處理、軟硬件配合、運營維護等方面均較傳統(tǒng)信息化數(shù)據(jù)中心架構提出了更高要求，因此宜全路統(tǒng)一建設、獨立維護管理［5］。

同時，由于5G核心網(wǎng)的服務化與NFV架構具備了虛擬化部署的條件，因此可采取集中式、區(qū)域化部署方案。分別從大區(qū)集中部署和按鐵路局集團公司部署2種方案進行對比分析。

3.1.1 大區(qū)集中式組網(wǎng)

5G系統(tǒng)實現(xiàn)了控制與轉發(fā)平面的完全解耦，因此全路可設置若干個大區(qū)，采用將控制面網(wǎng)元集中設置在部分鐵路局集團公司，用戶面網(wǎng)元下沉部署至各鐵路局集團公司的方案。大區(qū)部署的原則應該是在集約設置的情況下盡量滿足控制面時延的要求，根據(jù)3GPP TR 38.913協(xié)議規(guī)定，增強型移動寬帶（eMBB）和超可靠低時延通信（uRLLC）場景對控制面時延的要求均為10 ms?？刂泼鏁r延的增加，會降低業(yè)務流程性能，從而影響業(yè)務體驗，受影響的業(yè)務流程主要包括終端側業(yè)務請求、網(wǎng)絡側業(yè)務請求、基站切換、網(wǎng)絡側專用承載建立等［6］。

10 ms的控制面時延指標為無線網(wǎng)絡與有線承載網(wǎng)絡共同承擔的時延要求，經(jīng)過計算，以基站與核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元之間的光纜距離1 500 km以內(nèi)來考慮大區(qū)數(shù)量及位置設置，同時，核心網(wǎng)大區(qū)位置的選取還應考慮大區(qū)所在鐵路局集團公司的技術力量，基于此原則，全路可設置9個大區(qū)，分別設在北京、武漢、西安、上海、廣州、沈陽、成都、西寧、烏魯木齊等城市。此外，由于拉薩位置特殊，其與西寧、成都等相鄰鐵路局集團公司距離較遠，且考慮川藏鐵路未來需求，工程建設時可考慮在拉薩下沉設置AMF、SMF等控制面網(wǎng)元，以減少控制面時延。

為充分保障大區(qū)設備的可靠性，每個大區(qū)設置雙DC，集中部署NFVO、OMC進行統(tǒng)一管理，每個DC均部署VNFM、VIM等功能，同一VNF在2個DC上部署，相同VNF之間采用池組或主備工作方式，當1個DC故障、檢修、升級時，另1個DC內(nèi)網(wǎng)元可以接管所有業(yè)務，不影響業(yè)務使用，可實現(xiàn)鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)不停機維修，極大提高了維護效率。

大區(qū)之間實現(xiàn)控制面網(wǎng)元的異地冗余及數(shù)據(jù)備份，對于全路共用網(wǎng)元，北京與武漢互備；對于大區(qū)共享網(wǎng)元及各鐵路局集團公司的控制面網(wǎng)元，可采用異地備份方式，北京與沈陽互備，武漢與上海、廣州互備，西安與西寧、成都互備，烏魯木齊采用本地冗余備份方式。每個鐵路局集團公司的無線接入網(wǎng)（RAN）及用戶面網(wǎng)元UPF除與所在大區(qū)控制面網(wǎng)元互聯(lián)外，還需與互備大區(qū)的控制面網(wǎng)元互聯(lián)。大區(qū)之間網(wǎng)元備份主要采用主備方式，但受距離影響，當主用大區(qū)有設備故障、檢修、升級操作而啟用備用大區(qū)時，部分用戶的控制面時延將不滿足指標要求。

3.1.2 鐵路局集團公司組網(wǎng)

在北京、武漢集中設置5G-EIR、根NRF、根DNS等全路共用設備。其他控制面網(wǎng)元部署在各鐵路局集團公司所在地。用戶面網(wǎng)元UPF基于業(yè)務應用場景，可部署在鐵路局集團公司、樞紐、站場層面，并根據(jù)需要部署邊緣計算網(wǎng)元，用于大數(shù)據(jù)流（如視頻）、多接入點（如物聯(lián)網(wǎng)）、低時延（如無人調(diào)機）等業(yè)務的處理。

5G專網(wǎng)核心網(wǎng)在每個鐵路局集團公司管轄范圍內(nèi)異址部署（不同樓宇或同一樓宇不同層）冗余核心網(wǎng)，采用池組或主備方式實現(xiàn)網(wǎng)元備份，鐵路局集團公司無線接入網(wǎng)（RAN）及用戶面網(wǎng)元UPF與本鐵路局集團公司主備核心網(wǎng)間通過傳輸網(wǎng)絡互聯(lián)。

3.1.3 方案比選

分別從應用成熟性、可用性、可靠性、可維護性和經(jīng)濟性等不同維度對比鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)大區(qū)集中式組網(wǎng)和鐵路局集團公司組網(wǎng)2種方案（見表1）。

由表1可知，鐵路5G專網(wǎng)與運營商5G網(wǎng)絡不同，在設備可靠性、特殊業(yè)務應用中均提出了更高需求，因此，鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)設置從系統(tǒng)需求、維護方式等方面考慮，仍應遵循當前國鐵生產(chǎn)組織架構，采用鐵路局集團公司組網(wǎng)方案。同時，借鑒GSM-R建網(wǎng)經(jīng)驗，核心網(wǎng)作為鐵路5G專網(wǎng)關鍵節(jié)點，應統(tǒng)籌規(guī)劃、集中建設、提前實施，避免按線建設頻繁擴容升級導致的系統(tǒng)可靠性下降。

表1 鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)方案比選

3.2 無線網(wǎng)

無線場強覆蓋采取按需覆蓋原則，GSM-R系統(tǒng)受技術制式和系統(tǒng)容量限制，在高速鐵路建設過程中主要是為行車安全類（列控系統(tǒng)）、行車調(diào)度指揮類（調(diào)度通信、調(diào)度命令、進路預告等）提供服務，因此主要覆蓋區(qū)域為鐵路正線，對車內(nèi)、站內(nèi)和站場等區(qū)域并無對應覆蓋設計方案，實際運用中效果較差。如果要發(fā)揮鐵路5G專網(wǎng)在鐵路運輸組織和運營管理中的重要作用，則應將鐵路5G專網(wǎng)深入覆蓋至鐵路運營生產(chǎn)每個環(huán)節(jié)，利用無線網(wǎng)絡鏈接形成廣域“物聯(lián)網(wǎng)”架構。

3.2.1 冗余組網(wǎng)方案

自3G起，由于運營商對單節(jié)點的故障敏感性不高、同頻率無線組網(wǎng)、控制建設成本等原因，開始采用基站主控單元和射頻單元分離的分布式基站（BBU+RRU）方案替代傳統(tǒng)宏基站，此方案一直延續(xù)至5G時代。但在CTCS-3級列控線路、重載鐵路等區(qū)段，為確保無線基站設備故障時業(yè)務不受影響，對無線覆蓋的冗余性提出了要求。因此，鐵路5G專網(wǎng)無線冗余組網(wǎng)是鐵路專用移動通信特有需求，需設備廠商進行定制化開發(fā)。

為滿足冗余需要，且將頻譜利用效率最大化，滿足更多業(yè)務承載在鐵路5G專網(wǎng)上，可采用同站址設置雙套RRU設備，并同址采用同頻的方式進行組網(wǎng)，當BBU或RRU故障時，同站址另1套設備仍能提供覆蓋，暫定義為“跨BBU共小區(qū)同址雙網(wǎng)”，組網(wǎng)方案見圖2。

圖2 跨BBU共小區(qū)同址雙網(wǎng)組網(wǎng)方案

由圖2可知，同站址2套RRU覆蓋相同區(qū)域，1個RRU故障不會影響該區(qū)域的5G網(wǎng)絡。為了實現(xiàn)更高的可靠性，使得單個BBU故障后業(yè)務不受影響，2套BBU需采用云化基帶（Cloud BB）架構，不同的BBU通過同步交換模塊互聯(lián)在一起?？鏐BU應用時，正常情況下只有1個BBU工作，該BBU為主BBU，另1個BBU為輔BBU，同站址的2套RRU同時工作。當主BBU宕機時，輔BBU自動接管RRU，繼續(xù)提供服務，減少業(yè)務中斷時間［7］。

采用跨BBU冗余組網(wǎng)方式時，各站址RRU可工作在共小區(qū)或非共小區(qū)模式，應根據(jù)實際需要靈活選擇。

3.2.2 場景組網(wǎng)分析

鐵路5G專網(wǎng)在不同場景應采取不同的覆蓋方案和基站設備，根據(jù)場景可分為正線，站場/車站，局/段/所等生產(chǎn)活動場所，交叉、并線區(qū)段，隧道和車內(nèi)等6類。

（1）正線。正線相比于站場/車站和交叉、并線區(qū)段，對通信容量的需求相對較小，可采用BBU+RRU+無源天線的基站設備，當前產(chǎn)業(yè)中該形態(tài)的設備支持2T2R、4T4R，未來根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展預計可支持8T8R，基本能夠滿足行車應用的需要。

（2）站場/車站。站場/車站包括編組站、貨運站、技術作業(yè)站、客運站、動車段和集裝箱中心站，涉及用戶種類較多，需要實現(xiàn)調(diào)車組成員間的語音、數(shù)據(jù)通信；實現(xiàn)貨檢、列檢、車號值班員與地面作業(yè)人員的語音、數(shù)據(jù)通信；實現(xiàn)客貨運語音、數(shù)據(jù)及圖像通信；實現(xiàn)調(diào)車與地面控制中心間的數(shù)據(jù)通信等。用戶容量較大，對帶寬需求較高，鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)在僅有10 MHz帶寬情況下無法承載所有應用業(yè)務。因此，站場/車站的鐵路5G專網(wǎng)應以承載行車相關應用及部分運營維護應用為主，其余業(yè)務可考慮由5G公網(wǎng)承載。

（3）局/段/所等生產(chǎn)活動場所。與GSM-R不同，鐵路5G專網(wǎng)將為鐵路信息化、智能化提供有力支撐，覆蓋面越廣、覆蓋人員越多，越能實現(xiàn)廣泛數(shù)據(jù)采集，為運營決策提供基礎數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，鐵路5G專網(wǎng)預計將覆蓋所有生產(chǎn)活動場所，如局/段/所等辦公場所。由于生產(chǎn)活動場所多為室內(nèi)區(qū)域，建筑物遮擋較為嚴重，正線所采用的BBU+RRU設備形態(tài)不適于該場景的覆蓋，可采用白盒基站或Pico基站等造價低的設備形態(tài)，并為運營生產(chǎn)人員配置定制化通用型手持終端，既可滿足應用需求，又能降低工程造價。

（4）交叉、并線區(qū)段。我國路網(wǎng)成規(guī)模后，線路之間的交叉、交越、并線情況不斷增加，而且涉及的線路等級不同，當同一區(qū)域內(nèi)存在多條線路時，給鐵路5G專網(wǎng)無線覆蓋帶來了挑戰(zhàn)。

對于交叉、交越區(qū)段，可采用多條線路共用基站的方式，基站設置在交叉或交越點附近，共用基站設置多副天線滿足多條線路覆蓋需求，利用RRU共小區(qū)技術，將不同物理站址的RRU在邏輯上合成為同一個小區(qū)，改善切換和重選次數(shù)，從而提升網(wǎng)絡性能。

對于并線區(qū)段，需要根據(jù)線路之間平行間距采取適合的無線覆蓋方案，通過現(xiàn)場測試和踏勘，確定是否共用基站，為避免相互之間產(chǎn)生干擾，可考慮采用窄波瓣天線，將能量集中在各自線路上。

對于樞紐地區(qū)，應利用5G超級小區(qū)的特性，廣播信道共小區(qū)，業(yè)務信道相互獨立調(diào)度，既可有效解決系統(tǒng)同頻干擾，又能滿足樞紐地區(qū)多業(yè)務并發(fā)的容量需要。

（5）隧道。由于5G公網(wǎng)在隧道等弱場區(qū)段同樣有覆蓋需求，因此在隧道內(nèi)采用漏纜覆蓋時，可考慮采用寬頻段漏纜，將鐵路5G專網(wǎng)和部分運營商5G公網(wǎng)同漏纜覆蓋，減少隧道內(nèi)設施布置和維護工作量，提高5G共建共享率。

（6）車內(nèi)。由于5G頻段較高，列車車體的穿透損耗很大，通過軌旁基站無法對車內(nèi)產(chǎn)生良好覆蓋，為滿足車輛運行狀態(tài)大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測（PHM）、車內(nèi)作業(yè)人員通信、客運站車信息交互等業(yè)務需求，需在車內(nèi)進行鐵路5G專網(wǎng)及5G公網(wǎng)信號覆蓋。此項工作還需結合國家無線電管理及運營商“5G公網(wǎng)上車”等政策進一步開展研究。

4 結束語

5G網(wǎng)絡作為新一代信息技術基礎設施網(wǎng)絡，從誕生之初就被賦予了改變社會生活的目標愿景，通信也不再是傳統(tǒng)的管道技術，而是與業(yè)務緊密耦合，采用信息通信技術（ICT）的全新架構進一步為業(yè)務應用賦能。鐵路專用移動通信歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，在技術迭代的關口，結合國家“新基建”決策部署，率先在鐵路行業(yè)提出5G專網(wǎng)的概念和系統(tǒng)目標，在我國各行業(yè)乃至全球均屬首創(chuàng)。但全國鐵路已成網(wǎng)運行，既有系統(tǒng)的更新、技術演進與業(yè)務適配應用，仍需在頻率運用、場景耦合、關鍵技術研究和人才隊伍建設等方面開展深入研究［8］，共同推動鐵路現(xiàn)代化發(fā)展，實現(xiàn)“交通強國、鐵路先行”的總體目標。