鐵路5G應(yīng)用的可行性及技術(shù)優(yōu)勢分析

陸曉磊，陳雍玨，鄧小市

（華為技術(shù)有限公司無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線，上海201206）

0 引言

鐵路作為我國最早應(yīng)用無線通信技術(shù)的行業(yè)之一，經(jīng)過幾十年的應(yīng)用發(fā)展和技術(shù)積累，已形成與鐵路管理體制相適應(yīng)的鐵路專用通信技術(shù)體系。進(jìn)入21世紀(jì)，為滿足我國高速鐵路的發(fā)展需要，原鐵道部正式確定了鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）的技術(shù)方向［1］，有力支撐了高速鐵路、重載鐵路、高原鐵路的列車調(diào)度通信和列車運(yùn)行控制等多項行車安全業(yè)務(wù)運(yùn)用。歷經(jīng)10多年發(fā)展，我國已建成全球最大的GSM-R網(wǎng)絡(luò)。截至2019年底，全國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋線路里程接近7萬km。

隨著智能鐵路等新的建設(shè)要求提出，GSM-R作為窄帶無線通信的技術(shù)局限性越發(fā)突出，無法滿足鐵路行車應(yīng)用和運(yùn)營維護(hù)業(yè)務(wù)的需要。國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways，法語全稱縮寫UIC）梳理了基于寬帶移動通信的大量需求［2-3］，學(xué)術(shù)界也針對5G在鐵路行業(yè)的應(yīng)用展開了深入研究［4］。從業(yè)務(wù)需求與發(fā)展趨勢看，鐵路領(lǐng)域亟待引入無線寬帶通信技術(shù)支撐智能鐵路新發(fā)展。

1 鐵路專用無線通信技術(shù)

1.1 應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)

鐵路專用無線通信技術(shù)主要為列車提供調(diào)度通信和運(yùn)行控制等行車安全業(yè)務(wù)無線承載，為鐵路移動應(yīng)用提供可靠的高速車地?zé)o線通信。根據(jù)應(yīng)用對象，鐵路專用無線通信可分為行車應(yīng)用、運(yùn)營及維護(hù)應(yīng)用、旅客服務(wù)信息應(yīng)用3類［5］；根據(jù)業(yè)務(wù)需求，則分為無線調(diào)度語音業(yè)務(wù)、無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、無線視頻業(yè)務(wù)3類:

（1）無線調(diào)度語音業(yè)務(wù)。主要實現(xiàn)調(diào)度員、司機(jī)、行車保障人員、行車指揮人員之間的基本通話、群組通話、優(yōu)先級通話等。同時，為了滿足鐵路特殊需求，還引入了功能尋址、位置尋址、鐵路緊急呼叫等功能。

（2）無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。主要用于行車類安全應(yīng)用業(yè)務(wù)承載，包括行車運(yùn)行控制（CTCS-3、ATO）、安全防護(hù)（列尾、安全預(yù)警）信息、車次號校對調(diào)度等。此類業(yè)務(wù)涉及行車安全，對于無線通信的可靠性和安全性有很高要求，是鐵路專用無線通信的核心業(yè)務(wù)。

（3）無線視頻業(yè)務(wù)。主要包括司機(jī)超視距監(jiān)控應(yīng)用中的地車及車地視頻傳輸，也包括對于列車關(guān)鍵部位（如駕駛室、列尾、轉(zhuǎn)向架等）的視頻監(jiān)視圖像通過無線方式實時傳輸至控制中心或地面監(jiān)控站，進(jìn)行集中監(jiān)控。此類業(yè)務(wù)有助于提升列車行車安全，但由于需要在列車高速運(yùn)行下實時傳送視頻，GSM-R已無法承載該類業(yè)務(wù)，需引入新的無線寬帶系統(tǒng)滿足實時回傳要求。

1.2 無線頻率

受無線電傳播特性限制，無線頻率越低，空間傳播損耗越低，傳播距離越長。與之相對應(yīng)，無線頻率越高，空間傳播損耗越大，傳播距離越小。我國采用的模擬列調(diào)和GSM-R兩種鐵路專用無線通信技術(shù)頻率均低于1 000 MHz，在傳播距離和基站覆蓋半徑上有明顯優(yōu)勢。

雖然低頻段傳播具有傳播距離優(yōu)勢，但1 000 MHz以下的頻率資源基本已被運(yùn)營商和各行業(yè)分配殆盡，無法獲得更多的頻率資源。而高頻段帶寬資源豐富、承載能力強(qiáng)、頻譜效率高，能很好滿足鐵路專用無線通信系統(tǒng)寬帶化發(fā)展需求。

綜合各方面因素，新的鐵路專用無線通信系統(tǒng)需要平衡覆蓋與帶寬的關(guān)系，應(yīng)選擇適合鐵路高速智能發(fā)展要求的成熟無線頻段部署。

1.3 技術(shù)體制

目前，鐵路部署的模擬列調(diào)及GSM-R均為窄帶無線通信技術(shù)，無法滿足鐵路智能化發(fā)展要求。第五代移動通信技術(shù)（5G）作為最先進(jìn)的無線寬帶移動通信技術(shù)，設(shè)計上兼顧移動性和寬帶性要求，支持的最高移動速度可達(dá)500 km/h，還能為用戶提供Gb/s級別的速率體驗。自2019年起，5G已在公網(wǎng)運(yùn)營商中大規(guī)模部署，成為一種成熟的移動通信制式，非常適合于未來的鐵路專用無線通信。

在關(guān)鍵技術(shù)上，5G引入大規(guī)模天線陣列、多發(fā)多收、更高階編碼調(diào)制等技術(shù)，比4G的頻譜效率提升了10%～20%。結(jié)合2018年原中國鐵路總公司在京沈客運(yùn)專線開展的LTE-R技術(shù)試驗結(jié)果，預(yù)計在2×10 MHz組網(wǎng)，同樣站間距部署條件下，5G單基站上行和下行的平均吞吐量可達(dá)約20 Mb/s和30 Mb/s，滿足鐵路各類行車業(yè)務(wù)需求。

綜合看來，5G作為目前最新的無線通信技術(shù)，是鐵路專用無線通信系統(tǒng)最好的選擇，可為鐵路提供安全可靠的無線寬帶業(yè)務(wù)，滿足各類行車應(yīng)用需求，為鐵路智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2 5G技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

2.1 無線通信技術(shù)

自20世紀(jì)80年代末第一代無線通信技術(shù)問世以來，經(jīng)過40年的發(fā)展，移動通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了5G時代。5G是由第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）制定的廣域無線通信技術(shù)，具有高速率、低時延和大連接等特點。根據(jù)3GPP定義，5G技術(shù)具有以下3個愿景目標(biāo)（見圖1）:（1）峰值速率達(dá)到10 Gb/s；（2）空口時延低至1 ms；（3）每平方公里聯(lián)接100萬個設(shè)備。

圖1 5G的3個愿景目標(biāo)

2.2 5G標(biāo)準(zhǔn)

5G是新一代無線通信技術(shù)，3GPP將5G標(biāo)準(zhǔn)的制定分為2個主要階段:第1階段，R15基礎(chǔ)版本主要面向增強(qiáng)移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景，已于2019年6月7日完成協(xié)議制定和凍結(jié)，eMBB標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品正式商用上市，當(dāng)前各主流無線通信設(shè)備廠家均有成熟產(chǎn)品支持eMBB；第2階段，R16和R17重點針對超低延時高可靠通信（ultra-Reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）和海量機(jī)器通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）2個場景進(jìn)行研究。其中，R16版本于2020年7月完成uRLLC的協(xié)議制定和凍結(jié)；R17版本包含的海量機(jī)器通信場景預(yù)計在2022年完成uRLLC的協(xié)議制定和凍結(jié)。

除了協(xié)議制定，3GPP還定義了5G工作頻段（見表1）。其中，n1頻段屬于5G最核心的黃金頻段，目前中國國家鐵路集團(tuán)有限公司正在向國家無線電管理委員會申請n1中的1 965～1 975 MHz/2 155～2 165 MHz作為鐵路5G專網(wǎng)無線頻段。

表1 5G工作頻段

2.3 5G產(chǎn)業(yè)

終端形態(tài)和種類的豐富程度是衡量一個產(chǎn)業(yè)是否成熟的重要標(biāo)志。截至2020年8月，全球已累積發(fā)布401款5G終端產(chǎn)品，模組達(dá)64款。其中，有128款5G終端支持n1頻段（見圖2），同時，各模組和芯片廠家均推出支持5G的通信模組和通信芯片，為5G行業(yè)特種終端的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 5G終端支持頻段

此外，各地區(qū)運(yùn)營商也在加速5G規(guī)模商用進(jìn)展。截至2019年底，全球各主流運(yùn)營商均已推出5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（見圖3），首批商用用戶規(guī)模上億，進(jìn)程將比4G快2～3年。

圖3 全球各主流運(yùn)營商5G商用情況

綜合標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展分析，5G已進(jìn)入高速發(fā)展和規(guī)模部署期，鐵路專用無線通信系統(tǒng)采用5G作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的時機(jī)相對成熟，相信立足當(dāng)前先進(jìn)成熟的5G通信技術(shù)，加快推進(jìn)我國鐵路專用移動通信技術(shù)，對助力智能鐵路又好又快健康發(fā)展具有重要意義。

3 鐵路5G應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

在鐵路行業(yè)，由于需要支持列車350 km/h的高速移動性，并向500 km/h演進(jìn)，對無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性及高速條件下的性能提出了極高要求。5G的可靠性技術(shù)、高速技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)切片、毫米波等技術(shù)，匹配了鐵路行業(yè)需求。

3.1 可靠性技術(shù)

從鐵路5G專網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)看，包含行車相關(guān)的C3列控、列調(diào)業(yè)務(wù)等均與行車安全高度相關(guān)，對網(wǎng)絡(luò)可靠性提出了極高要求。針對不同應(yīng)用場景，可靠性存在以下3類挑戰(zhàn):

（1）空口不可靠。無線信道由于陰影衰落、多徑衰落、干擾、終端移動等影響，造成信道環(huán)境波動，對應(yīng)空口性能產(chǎn)生波動。

（2）設(shè)備故障。設(shè)備由于自然災(zāi)害或老化等原因，造成單點故障影響系統(tǒng)運(yùn)行。

（3）大業(yè)務(wù)流量沖擊。在編組站、樞紐站等高容量場景，可能突然產(chǎn)生多業(yè)務(wù)并發(fā)情況，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

下面重點介紹能夠應(yīng)對以上挑戰(zhàn)的可靠性技術(shù)。

3.1.1 AMC、HARQ、DAPS等技術(shù)

自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)（Adaptive Modulation and Coding，AMC）可根據(jù)用戶反饋的信道質(zhì)量好壞，自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制和編碼方案（Modulation and Coding Sheme，MCS）在保證用戶QoS的前提下，提高吞吐量及覆蓋范圍。

前向糾錯編碼和自動重傳請求結(jié)合產(chǎn)生了混合自動重傳（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ），即在1個ARQ系統(tǒng)中包含1個前向糾錯子系統(tǒng)，當(dāng)前向糾錯子系統(tǒng)無法正常糾錯時，通過自動重傳請求反饋信道重發(fā)錯誤碼組。5G R16標(biāo)準(zhǔn)新增支持1個時隙內(nèi)實現(xiàn)多個HARQ-ACK傳輸，減少了反饋時延，從而減少空口環(huán)回時延。

5G R16新增雙連接技術(shù)（Dual Active Protocol Stack，DAPS）對NR的移動性進(jìn)行增強(qiáng)［6］。該技術(shù)在協(xié)議上允許移動終端在切換時始終保持與源小區(qū)連接，直至與目標(biāo)小區(qū)開始進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)為止再中斷連接。原方式是先釋放源小區(qū)連接，再建立與目標(biāo)小區(qū)連接?，F(xiàn)在將順序調(diào)整，先建立與目標(biāo)小區(qū)連接，再釋放源小區(qū)連接，從而實現(xiàn)“切換0中斷”。該功能需要在基站與終端同時支持。

綜合以上關(guān)鍵技術(shù)，可大大提升空口可靠性。

3.1.2 冗余技術(shù)

冗余技術(shù)是在系統(tǒng)或設(shè)備完成任務(wù)起關(guān)鍵作用的部分增加1套以上完成相同功能的功能通道、工作元件或部件，以保證當(dāng)該部分出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)或設(shè)備仍能正常工作，減少系統(tǒng)或設(shè)備的故障概率，提高系統(tǒng)可靠性。

在鐵路應(yīng)用中，可采用組網(wǎng)冗余、設(shè)備冗余、單板冗余等方式，避免設(shè)備單點故障，提升系統(tǒng)可靠性。

3.1.3 設(shè)備流控

設(shè)備通過對輸入、輸出流量進(jìn)行控制，達(dá)到防止設(shè)備過載并維持設(shè)備穩(wěn)定的目的。設(shè)備流控有以下2種方式:

（1）控制面流控。假設(shè)在用戶接入場景，有過多的終端用戶嘗試通過隨機(jī)接入連接1個基站，且用戶數(shù)量超出基站對應(yīng)能力，基站主控單元會啟動流控機(jī)制，對于已被拒絕接入的用戶，丟棄該用戶對應(yīng)的初始接入信息，同時降低可發(fā)起隨機(jī)接入的用戶數(shù)。直至系統(tǒng)負(fù)載下降，再逐漸提升可發(fā)起隨機(jī)接入的用戶數(shù)。與接入場景原理類似，控制面還可進(jìn)行初始接入消息流控、切換請求消息流控、尋呼消息流控等操作。

（2）用戶面流控。分為下行流控和上行流控。在終端、基站、核心網(wǎng)的用戶面協(xié)議棧（見圖4），下行數(shù)據(jù)在基站中流向為GTP-U→PDCP→RLC→MAC，當(dāng)RLC和MAC單元負(fù)載過重時，通知GTP-U模塊降低下行報文發(fā)送速率，RLC和MAC單元同時降低下行調(diào)度用戶數(shù)，通過這2種方式實現(xiàn)流控，直至負(fù)載恢復(fù)至可承受能力范圍，再逐漸提高下行報文發(fā)送速率及調(diào)度用戶數(shù)。上行流控數(shù)據(jù)流向相反，原理一致。

通過控制面和用戶面流控2種方式，可避免大業(yè)務(wù)沖擊造成的業(yè)務(wù)過載，維持設(shè)備穩(wěn)定。

圖4 終端、基站、核心網(wǎng)之間用戶面協(xié)議棧

3.2 高速技術(shù)

鐵路5G專網(wǎng)在高速移動場景下，其可靠性存在以下3種挑戰(zhàn):

（1）多普勒頻偏。在高速移動場景下，受多普勒效應(yīng)影響，接收端接收信號頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)射頻率與接收頻率不同，產(chǎn)生OFDM符號內(nèi)和符號間干擾，嚴(yán)重時造成接收方無法解調(diào)出發(fā)送方的發(fā)射數(shù)據(jù)，造成終端無法接入網(wǎng)絡(luò)。

多普勒頻移原理示意見圖5，頻偏fd如下:

式中:f為工作頻率；c為光速；v為車速。

對應(yīng)可計算不同車速下的上行最大多普勒頻偏2fd（見表2）。

圖5 多普勒頻移原理示意圖

表2 上行最大多普勒頻偏 Hz

由表2可見，在車速500 km/h、頻段2 100 MHz情況下，產(chǎn)生上行最大多普勒頻偏2 057 Hz，對接收機(jī)解調(diào)造成巨大影響。

（2）頻繁切換。在線性快速移動情況下，終端用戶發(fā)生頻繁切換，可能造成吞吐率下降甚至掉話，影響業(yè)務(wù)穩(wěn)定性（見圖6）。由此可見，頻繁切換造成速率在切換區(qū)陡降，克服頻繁切換是鐵路高速場景的關(guān)鍵問題。

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3.2.1 上行頻率糾偏

在高速場景下，上行信號會疊加基站到終端、終端到基站2次的頻率偏移，上行的多普勒頻偏更大?？赏ㄟ^上行頻率糾偏的方式，減小上行頻偏。

基站根據(jù)終端的物理上行共享信道（DeModulation Reference Signal，DMRS）導(dǎo)頻信號進(jìn)行頻移估計，所得頻偏作為UE頻率糾正的持續(xù)輸入。頻偏對信號的影響在時域上表現(xiàn)為信號的相位旋轉(zhuǎn)?；纠蒙闲谐蓪Φ腄MRS符號進(jìn)行頻偏估計，利用接收到信號子幀內(nèi)相鄰2個DMRS符號的相位差，計算2個導(dǎo)頻符號時間間隔相位旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的頻偏fd，fd為UE發(fā)射頻率糾正的持續(xù)輸入。

通過該技術(shù)，可提升小區(qū)上行吞吐率，從而保障鐵路終端在高速場景下吞吐率，以及正常接入能力。

3.2.2 Hyper Cell

Hyper Cell是一種組網(wǎng)技術(shù)，將多個物理小區(qū)合并為1個邏輯小區(qū)的技術(shù)，終端在不同物理小區(qū)之間移動，不需要進(jìn)行切換，不感知小區(qū)邊界，提高用戶體驗。Hyper Cell技術(shù)原理示意見圖7。

圖7 Hyper Cell技術(shù)原理示意圖

Hyper Cell小區(qū)內(nèi)用戶接入時，基站根據(jù)收發(fā)點（Transmission Reception Point，TRP）測量的導(dǎo)頻信號參考信號接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP），選擇RSRP更高的TRP作為該用戶的服務(wù)TRP，在該服務(wù)TRP上接入該用戶。

終端在不同TRP間移動時，基站會測量用戶在各TRP下的上行信道探測參考信號（Sounding Reference Signal，SRS）的RSRP，并據(jù)此判斷是否存在RSRP更好的候選TRP。當(dāng)存在RSRP更好的候選TRP時，系統(tǒng)會將該候選TRP作為新的服務(wù)TRP，然后在新的服務(wù)TRP下對用戶進(jìn)行調(diào)度和分配資源，無需進(jìn)行信令重配，實現(xiàn)無縫切換。

通過Hyper Cell，同一邏輯小區(qū)的收發(fā)點之間，可實現(xiàn)無切換，將原來頻繁切換造成的吞吐率下降、甚至掉話等問題規(guī)避。若按照6個小區(qū)合并進(jìn)行計算，可減少80%以上切換次數(shù)，極大減少切換次數(shù)。

3.3 其他技術(shù)

除了以上技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)切片、毫米波、物聯(lián)網(wǎng)mMTC、免授權(quán)接入等5G技術(shù)也可應(yīng)用于鐵路領(lǐng)域。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展、鐵路寬帶專用無線通信的應(yīng)用深化，這些技術(shù)也必將成為進(jìn)一步研究方向。

4 發(fā)展要素協(xié)同

鐵路5G專網(wǎng)的發(fā)展，除了標(biāo)準(zhǔn)支持、產(chǎn)業(yè)成熟、技術(shù)匹配，還需要以下要素協(xié)同。

4.1 獨立自主，創(chuàng)新發(fā)展

借鑒歐洲鐵路無線通信發(fā)展經(jīng)驗引入GSM-R技術(shù)，我國是GSM-R領(lǐng)域的跟隨者。但在鐵路移動寬帶技術(shù)方面，尤其在5G領(lǐng)域，我國已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于歐洲國家［7-9］。按照UIC規(guī)劃，預(yù)計2025年以后，歐洲國家才啟動鐵路5G專網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。因此，發(fā)展鐵路5G專網(wǎng)沒有先例可循，需要依靠自主創(chuàng)新，加快5G無線通信技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的部署應(yīng)用，引領(lǐng)全球鐵路無線通信技術(shù)進(jìn)步［10］。

4.2 科學(xué)規(guī)劃，合理投資

相對于450 MHz的模擬列調(diào)和900 MHz的GSM-R，鐵路5G專網(wǎng)的2 100 MHz頻段面臨著覆蓋距離變短、站點更密等問題，需要科學(xué)規(guī)劃頻率和站點資源，重點解決鐵路專用無線頻率與其他無線系統(tǒng)頻率干擾和共存，降低鐵路5G專網(wǎng)站點投資，平衡網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和成本投資，實現(xiàn)成本和質(zhì)量的最優(yōu)組合。

4.3 多元化應(yīng)用，豐富業(yè)務(wù)

受頻率資源和無線帶寬的限制，在GSM-R時期主要考慮正線行車業(yè)務(wù)需求，無法滿足鐵路其他場景（如編組站、貨運(yùn)站、客運(yùn)站等）的無線通信需求。引入5G無線通信技術(shù)后，要考慮更多場景的需求，逐步豐富鐵路5G專網(wǎng)的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，使其承載更多業(yè)務(wù)，使鐵路5G專網(wǎng)“由專變精”，帶動鐵路智能化發(fā)展。

4.4 營造環(huán)境，深化發(fā)展

鐵路5G專網(wǎng)的發(fā)展離不開各方努力，各科研單位、設(shè)備生產(chǎn)廠家應(yīng)聯(lián)合起來，在關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備等方面深化合作，取得突破，壯大產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)，為鐵路5G專網(wǎng)營造健康穩(wěn)健的發(fā)展環(huán)境。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，鐵路專用無線通信正向?qū)拵Щ葸M(jìn)，結(jié)合已凍結(jié)的5G國際標(biāo)準(zhǔn)，成熟的產(chǎn)業(yè)，匹配的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是鐵路特有的可靠性及高速技術(shù)，5G成為鐵路無線專網(wǎng)的建設(shè)方向。未來，應(yīng)立足成熟的無線通信技術(shù)，抓住鐵路智能化發(fā)展有利條件，加快鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)，推動鐵路技術(shù)裝備升級，加快鐵路裝備“走出去”，使鐵路成為“中國制造”的璀璨名片。