周宇暉

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京100070）

1 研究背景

自20世紀(jì)50年代至今，我國(guó)部署了多種鐵路專用移動(dòng)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(chǎng)調(diào)車和養(yǎng)護(hù)維修通信系統(tǒng)、車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、列車安全防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)、站場(chǎng)寬帶無線接入系統(tǒng)和高速鐵路列車運(yùn)行控制應(yīng)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(jì)客專部署應(yīng)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(shè)，形成以鐵路局集團(tuán)公司為核心節(jié)點(diǎn)、覆蓋鐵路沿線的全國(guó)性網(wǎng)絡(luò)。

移動(dòng)通信經(jīng)歷了第一代到第四代發(fā)展，當(dāng)前已步入第五代移動(dòng)通信（5G）商用階段。2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)召開會(huì)議，要求加快5G網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。4月20日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)首次明確了“新基建”范圍，其中5G網(wǎng)絡(luò)作為新一代信息技術(shù)演化生成的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，將從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，與經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深度融合，屬于“新基建”3個(gè)主要方面中最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施［3］。

為貫徹落實(shí)黨中央關(guān)于加快5G網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的決策部署，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán)）啟動(dòng)了新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)的研究論證工作，研究人員從業(yè)務(wù)需求、頻率適應(yīng)性、高速適應(yīng)性、產(chǎn)業(yè)鏈、工程部署實(shí)施等不同維度綜合比選，提出了5G專網(wǎng)的系統(tǒng)目標(biāo)。

鐵路移動(dòng)通信業(yè)務(wù)按作業(yè)區(qū)域分為正線應(yīng)用、站場(chǎng)與生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)所應(yīng)用、車內(nèi)應(yīng)用，具備“點(diǎn)、線、移動(dòng)體”相結(jié)合的特征，因其網(wǎng)絡(luò)覆蓋和業(yè)務(wù)應(yīng)用的特殊性，公網(wǎng)5G的技術(shù)制式和裝備無法直接移植適用于鐵路特殊場(chǎng)景與需求，應(yīng)結(jié)合國(guó)鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司、站段、車間（工區(qū)）的管理維護(hù)架構(gòu)和全程全網(wǎng)的運(yùn)輸組織要求，定義鐵路5G專網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，才能更好地指導(dǎo)后續(xù)方案研究、裝備研制和工程建設(shè)等工作。重點(diǎn)對(duì)鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、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(gòu)

根據(jù)國(guó)家5G發(fā)展戰(zhàn)略，鐵路5G專網(wǎng)應(yīng)按照獨(dú)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(shè)備（UE）及運(yùn)營(yíng)與支撐系統(tǒng)（OSS）四部分，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

與LTE相比，5G核心網(wǎng)具備基礎(chǔ)設(shè)施云化、服務(wù)化架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片、生命周期閉環(huán)運(yùn)維管理等特征，能夠滿足業(yè)務(wù)按需彈性、切片部署；5G無線網(wǎng)具備邊緣側(cè)增強(qiáng)、分場(chǎng)景部署等特征，能夠滿足業(yè)務(wù)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(gòu)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(guān)業(yè)務(wù)，在系統(tǒng)可靠性、信息流處理、軟硬件配合、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面均較傳統(tǒng)信息化數(shù)據(jù)中心架構(gòu)提出了更高要求，因此宜全路統(tǒng)一建設(shè)、獨(dú)立維護(hù)管理［5］。

同時(shí)，由于5G核心網(wǎng)的服務(wù)化與NFV架構(gòu)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(tuán)公司部署2種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1.1 大區(qū)集中式組網(wǎng)

5G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)平面的完全解耦，因此全路可設(shè)置若干個(gè)大區(qū)，采用將控制面網(wǎng)元集中設(shè)置在部分鐵路局集團(tuán)公司，用戶面網(wǎng)元下沉部署至各鐵路局集團(tuán)公司的方案。大區(qū)部署的原則應(yīng)該是在集約設(shè)置的情況下盡量滿足控制面時(shí)延的要求，根據(jù)3GPP TR 38.913協(xié)議規(guī)定，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）和超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）場(chǎng)景對(duì)控制面時(shí)延的要求均為10 ms?？刂泼鏁r(shí)延的增加，會(huì)降低業(yè)務(wù)流程性能，從而影響業(yè)務(wù)體驗(yàn)，受影響的業(yè)務(wù)流程主要包括終端側(cè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求、網(wǎng)絡(luò)側(cè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求、基站切換、網(wǎng)絡(luò)側(cè)專用承載建立等［6］。

10 ms的控制面時(shí)延指標(biāo)為無線網(wǎng)絡(luò)與有線承載網(wǎng)絡(luò)共同承擔(dān)的時(shí)延要求，經(jīng)過計(jì)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(shè)置，同時(shí)，核心網(wǎng)大區(qū)位置的選取還應(yīng)考慮大區(qū)所在鐵路局集團(tuán)公司的技術(shù)力量，基于此原則，全路可設(shè)置9個(gè)大區(qū)，分別設(shè)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(tuán)公司距離較遠(yuǎn)，且考慮川藏鐵路未來需求，工程建設(shè)時(shí)可考慮在拉薩下沉設(shè)置AMF、SMF等控制面網(wǎng)元，以減少控制面時(shí)延。

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

大區(qū)之間實(shí)現(xiàn)控制面網(wǎng)元的異地冗余及數(shù)據(jù)備份，對(duì)于全路共用網(wǎng)元，北京與武漢互備；對(duì)于大區(qū)共享網(wǎng)元及各鐵路局集團(tuán)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(gè)鐵路局集團(tuán)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(dāng)主用大區(qū)有設(shè)備故障、檢修、升級(jí)操作而啟用備用大區(qū)時(shí)，部分用戶的控制面時(shí)延將不滿足指標(biāo)要求。

3.1.2 鐵路局集團(tuán)公司組網(wǎng)

在北京、武漢集中設(shè)置5G-EIR、根NRF、根DNS等全路共用設(shè)備。其他控制面網(wǎng)元部署在各鐵路局集團(tuán)公司所在地。用戶面網(wǎng)元UPF基于業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，可部署在鐵路局集團(tuán)公司、樞紐、站場(chǎng)層面，并根據(jù)需要部署邊緣計(jì)算網(wǎng)元，用于大數(shù)據(jù)流（如視頻）、多接入點(diǎn)（如物聯(lián)網(wǎng)）、低時(shí)延（如無人調(diào)機(jī)）等業(yè)務(wù)的處理。

5G專網(wǎng)核心網(wǎng)在每個(gè)鐵路局集團(tuán)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)元備份，鐵路局集團(tuán)公司無線接入網(wǎng)（RAN）及用戶面網(wǎng)元UPF與本鐵路局集團(tuán)公司主備核心網(wǎng)間通過傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

3.1.3 方案比選

分別從應(yīng)用成熟性、可用性、可靠性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性等不同維度對(duì)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(tuán)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(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)不同，在設(shè)備可靠性、特殊業(yè)務(wù)應(yīng)用中均提出了更高需求，因此，鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)置從系統(tǒng)需求、維護(hù)方式等方面考慮，仍應(yīng)遵循當(dāng)前國(guó)鐵生產(chǎn)組織架構(gòu)，采用鐵路局集團(tuán)公司組網(wǎng)方案。同時(shí)，借鑒GSM-R建網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，核心網(wǎng)作為鐵路5G專網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃、集中建設(shè)、提前實(shí)施，避免按線建設(shè)頻繁擴(kuò)容升級(jí)導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)覆蓋采取按需覆蓋原則，GSM-R系統(tǒng)受技術(shù)制式和系統(tǒng)容量限制，在高速鐵路建設(shè)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(jìn)路預(yù)告等）提供服務(wù)，因此主要覆蓋區(qū)域?yàn)殍F路正線，對(duì)車內(nèi)、站內(nèi)和站場(chǎng)等區(qū)域并無對(duì)應(yīng)覆蓋設(shè)計(jì)方案，實(shí)際運(yùn)用中效果較差。如果要發(fā)揮鐵路5G專網(wǎng)在鐵路運(yùn)輸組織和運(yùn)營(yíng)管理中的重要作用，則應(yīng)將鐵路5G專網(wǎng)深入覆蓋至鐵路運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)每個(gè)環(huán)節(jié)，利用無線網(wǎng)絡(luò)鏈接形成廣域“物聯(lián)網(wǎng)”架構(gòu)。

3.2.1 冗余組網(wǎng)方案

自3G起，由于運(yùn)營(yíng)商對(duì)單節(jié)點(diǎn)的故障敏感性不高、同頻率無線組網(wǎng)、控制建設(shè)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(shí)代。但在CTCS-3級(jí)列控線路、重載鐵路等區(qū)段，為確保無線基站設(shè)備故障時(shí)業(yè)務(wù)不受影響，對(duì)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(dòng)通信特有需求，需設(shè)備廠商進(jìn)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(wù)承載在鐵路5G專網(wǎng)上，可采用同站址設(shè)置雙套R(shí)RU設(shè)備，并同址采用同頻的方式進(jìn)行組網(wǎng)，當(dāng)BBU或RRU故障時(shí)，同站址另1套設(shè)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R(shí)RU覆蓋相同區(qū)域，1個(gè)RRU故障不會(huì)影響該區(qū)域的5G網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，使得單個(gè)BBU故障后業(yè)務(wù)不受影響，2套BBU需采用云化基帶（Cloud BB）架構(gòu)，不同的BBU通過同步交換模塊互聯(lián)在一起。跨BBU應(yīng)用時(shí)，正常情況下只有1個(gè)BBU工作，該BBU為主BBU，另1個(gè)BBU為輔BBU，同站址的2套R(shí)RU同時(shí)工作。當(dāng)主BBU宕機(jī)時(shí)，輔BBU自動(dòng)接管RRU，繼續(xù)提供服務(wù)，減少業(yè)務(wù)中斷時(shí)間［7］。

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

3.2.2 場(chǎng)景組網(wǎng)分析

鐵路5G專網(wǎng)在不同場(chǎng)景應(yīng)采取不同的覆蓋方案和基站設(shè)備，根據(jù)場(chǎng)景可分為正線，站場(chǎng)/車站，局/段/所等生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)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(chǎng)/車站和交叉、并線區(qū)段，對(duì)通信容量的需求相對(duì)較小，可采用BBU+RRU+無源天線的基站設(shè)備，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)中該形態(tài)的設(shè)備支持2T2R、4T4R，未來根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)計(jì)可支持8T8R，基本能夠滿足行車應(yīng)用的需要。

（2）站場(chǎng)/車站。站場(chǎng)/車站包括編組站、貨運(yùn)站、技術(shù)作業(yè)站、客運(yùn)站、動(dòng)車段和集裝箱中心站，涉及用戶種類較多，需要實(shí)現(xiàn)調(diào)車組成員間的語音、數(shù)據(jù)通信；實(shí)現(xiàn)貨檢、列檢、車號(hào)值班員與地面作業(yè)人員的語音、數(shù)據(jù)通信；實(shí)現(xiàn)客貨運(yùn)語音、數(shù)據(jù)及圖像通信；實(shí)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(duì)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(yīng)用業(yè)務(wù)。因此，站場(chǎng)/車站的鐵路5G專網(wǎng)應(yīng)以承載行車相關(guān)應(yīng)用及部分運(yùn)營(yíng)維護(hù)應(yīng)用為主，其余業(yè)務(wù)可考慮由5G公網(wǎng)承載。

（3）局/段/所等生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)廣泛數(shù)據(jù)采集，為運(yùn)營(yíng)決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，鐵路5G專網(wǎng)預(yù)計(jì)將覆蓋所有生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)所，如局/段/所等辦公場(chǎng)所。由于生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)所多為室內(nèi)區(qū)域，建筑物遮擋較為嚴(yán)重，正線所采用的BBU+RRU設(shè)備形態(tài)不適于該場(chǎng)景的覆蓋，可采用白盒基站或Pico基站等造價(jià)低的設(shè)備形態(tài)，并為運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)人員配置定制化通用型手持終端，既可滿足應(yīng)用需求，又能降低工程造價(jià)。

（4）交叉、并線區(qū)段。我國(guó)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(jí)不同，當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)存在多條線路時(shí)，給鐵路5G專網(wǎng)無線覆蓋帶來了挑戰(zhàn)。

對(duì)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(shè)置在交叉或交越點(diǎn)附近，共用基站設(shè)置多副天線滿足多條線路覆蓋需求，利用RRU共小區(qū)技術(shù)，將不同物理站址的RRU在邏輯上合成為同一個(gè)小區(qū)，改善切換和重選次數(shù)，從而提升網(wǎng)絡(luò)性能。

對(duì)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(chǎng)測(cè)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(duì)于樞紐地區(qū)，應(yīng)利用5G超級(jí)小區(qū)的特性，廣播信道共小區(qū)，業(yè)務(wù)信道相互獨(dú)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(wù)并發(fā)的容量需要。

（5）隧道。由于5G公網(wǎng)在隧道等弱場(chǎng)區(qū)段同樣有覆蓋需求，因此在隧道內(nèi)采用漏纜覆蓋時(shí)，可考慮采用寬頻段漏纜，將鐵路5G專網(wǎng)和部分運(yùn)營(yíng)商5G公網(wǎng)同漏纜覆蓋，減少隧道內(nèi)設(shè)施布置和維護(hù)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(duì)車內(nèi)產(chǎn)生良好覆蓋，為滿足車輛運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測(cè)（PHM）、車內(nèi)作業(yè)人員通信、客運(yùn)站車信息交互等業(yè)務(wù)需求，需在車內(nèi)進(jìn)行鐵路5G專網(wǎng)及5G公網(wǎng)信號(hào)覆蓋。此項(xiàng)工作還需結(jié)合國(guó)家無線電管理及運(yùn)營(yíng)商“5G公網(wǎng)上車”等政策進(jìn)一步開展研究。

4 結(jié)束語

5G網(wǎng)絡(luò)作為新一代信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，從誕生之初就被賦予了改變社會(huì)生活的目標(biāo)愿景，通信也不再是傳統(tǒng)的管道技術(shù)，而是與業(yè)務(wù)緊密耦合，采用信息通信技術(shù)（ICT）的全新架構(gòu)進(jìn)一步為業(yè)務(wù)應(yīng)用賦能。鐵路專用移動(dòng)通信歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，在技術(shù)迭代的關(guān)口，結(jié)合國(guó)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(biāo)，在我國(guó)各行業(yè)乃至全球均屬首創(chuàng)。但全國(guó)鐵路已成網(wǎng)運(yùn)行，既有系統(tǒng)的更新、技術(shù)演進(jìn)與業(yè)務(wù)適配應(yīng)用，仍需在頻率運(yùn)用、場(chǎng)景耦合、關(guān)鍵技術(shù)研究和人才隊(duì)伍建設(shè)等方面開展深入研究［8］，共同推動(dòng)鐵路現(xiàn)代化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”的總體目標(biāo)。