鐵路5G專網系統架構和組網技術研究

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，包括900 MHz GSM-R系統、450 MHz列車無線調度通信系統、站場調車和養護維修通信系統、車號自動識別系統、列車安全防護報警系統、站場寬帶無線接入系統和高速鐵路列車運行控制應答器系統［1-2］。GSM-R系統自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建設，形成以鐵路局集團公司為核心節點、覆蓋鐵路沿線的全國性網絡。

移動通信經歷了第一代到第四代發展，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網絡等新型基礎設施建設進度。4月20日，國家發展和改革委員會首次明確了“新基建”范圍，其中5G網絡作為新一代信息技術演化生成的基礎設施網絡，將從移動互聯網擴展到移動物聯網領域，與經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技術演進的研究論證工作，研究人員從業務需求、頻率適應性、高速適應性、產業鏈、工程部署實施等不同維度綜合比選，提出了5G專網的系統目標。

鐵路移動通信業務按作業區域分為正線應用、站場與生產活動場所應用、車內應用，具備“點、線、移動體”相結合的特征，因其網絡覆蓋和業務應用的特殊性，公網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）的管理維護架構和全程全網的運輸組織要求，定義鐵路5G專網的系統架構，才能更好地指導后續方案研究、裝備研制和工程建設等工作。重點對鐵路5G專網系統架構、核心網組網方案和無線網組網方案等內容開展研究。

2 系統架構

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

圖1 鐵路5G專網系統架構

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

3 組網方案

3.1 核心網

鐵路5G專網核心網以構建專用數據中心（DC）為中心，具備典型的云化系統特征，但與傳統DC相比，鐵路5G專網核心網由于直接承載處理鐵路行車安全相關業務，在系統可靠性、信息流處理、軟硬件配合、運營維護等方面均較傳統信息化數據中心架構提出了更高要求，因此宜全路統一建設、獨立維護管理［5］。

同時，由于5G核心網的服務化與NFV架構具備了虛擬化部署的條件，因此可采取集中式、區域化部署方案。分別從大區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 大區集中式組網

5G系統實現了控制與轉發平面的完全解耦，因此全路可設置若干個大區，采用將控制面網元集中設置在部分鐵路局集團公司，用戶面網元下沉部署至各鐵路局集團公司的方案。大區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3GPP TR 38.913協議規定，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。控制面時延的增加，會降低業務流程性能，從而影響業務體驗，受影響的業務流程主要包括終端側業務請求、網絡側業務請求、基站切換、網絡側專用承載建立等［6］。

10 ms的控制面時延指標為無線網絡與有線承載網絡共同承擔的時延要求，經過計算，以基站與核心網控制面網元之間的光纜距離1 500 km以內來考慮大區數量及位置設置，同時，核心網大區位置的選取還應考慮大區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，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等控制面網元，以減少控制面時延。

為充分保障大區設備的可靠性，每個大區設置雙DC，集中部署NFVO、OMC進行統一管理，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內網元可以接管所有業務，不影響業務使用，可實現鐵路5G專網核心網不停機維修，極大提高了維護效率。

大區之間實現控制面網元的異地冗余及數據備份，對于全路共用網元，北京與武漢互備；對于大區共享網元及各鐵路局集團公司的控制面網元，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（RAN）及用戶面網元UPF除與所在大區控制面網元互聯外，還需與互備大區的控制面網元互聯。大區之間網元備份主要采用主備方式，但受距離影響，當主用大區有設備故障、檢修、升級操作而啟用備用大區時，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

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

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

3.1.3 方案比選

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

由表1可知，鐵路5G專網與運營商5G網絡不同，在設備可靠性、特殊業務應用中均提出了更高需求，因此，鐵路5G專網核心網設置從系統需求、維護方式等方面考慮，仍應遵循當前國鐵生產組織架構，采用鐵路局集團公司組網方案。同時，借鑒GSM-R建網經驗，核心網作為鐵路5G專網關鍵節點，應統籌規劃、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可靠性下降。

表1 鐵路5G專網核心網組網方案比選

3.2 無線網

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

3.2.1 冗余組網方案

自3G起，由于運營商對單節點的故障敏感性不高、同頻率無線組網、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）方案替代傳統宏基站，此方案一直延續至5G時代。但在CTCS-3級列控線路、重載鐵路等區段，為確保無線基站設備故障時業務不受影響，對無線覆蓋的冗余性提出了要求。因此，鐵路5G專網無線冗余組網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。

為滿足冗余需要，且將頻譜利用效率最大化，滿足更多業務承載在鐵路5G專網上，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，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共小區同址雙網”，組網方案見圖2。

圖2 跨BBU共小區同址雙網組網方案

由圖2可知，同站址2套RRU覆蓋相同區域，1個RRU故障不會影響該區域的5G網絡。為了實現更高的可靠性，使得單個BBU故障后業務不受影響，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在一起。跨BBU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，繼續提供服務，減少業務中斷時間［7］。

采用跨BBU冗余組網方式時，各站址RRU可工作在共小區或非共小區模式，應根據實際需要靈活選擇。

3.2.2 場景組網分析

鐵路5G專網在不同場景應采取不同的覆蓋方案和基站設備，根據場景可分為正線，站場/車站，局/段/所等生產活動場所，交叉、并線區段，隧道和車內等6類。

（1）正線。正線相比于站場/車站和交叉、并線區段，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，當前產業中該形態的設備支持2T2R、4T4R，未來根據產業發展預計可支持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，需要實現調車組成員間的語音、數據通信；實現貨檢、列檢、車號值班員與地面作業人員的語音、數據通信；實現客貨運語音、數據及圖像通信；實現調車與地面控制中心間的數據通信等。用戶容量較大，對帶寬需求較高，鐵路5G專網系統在僅有10 MHz帶寬情況下無法承載所有應用業務。因此，站場/車站的鐵路5G專網應以承載行車相關應用及部分運營維護應用為主，其余業務可考慮由5G公網承載。

（3）局/段/所等生產活動場所。與GSM-R不同，鐵路5G專網將為鐵路信息化、智能化提供有力支撐，覆蓋面越廣、覆蓋人員越多，越能實現廣泛數據采集，為運營決策提供基礎數據依據。因此，鐵路5G專網預計將覆蓋所有生產活動場所，如局/段/所等辦公場所。由于生產活動場所多為室內區域，建筑物遮擋較為嚴重，正線所采用的BBU+RRU設備形態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，并為運營生產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、并線區段。我國路網成規模后，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，當同一區域內存在多條線路時，給鐵路5G專網無線覆蓋帶來了挑戰。

對于交叉、交越區段，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共小區技術，將不同物理站址的RRU在邏輯上合成為同一個小區，改善切換和重選次數，從而提升網絡性能。

對于并線區段，需要根據線路之間平行間距采取適合的無線覆蓋方案，通過現場測試和踏勘，確定是否共用基站，為避免相互之間產生干擾，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，應利用5G超級小區的特性，廣播信道共小區，業務信道相互獨立調度，既可有效解決系統同頻干擾，又能滿足樞紐地區多業務并發的容量需要。

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

（6）車內。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產生良好覆蓋，為滿足車輛運行狀態大數據健康監測（PHM）、車內作業人員通信、客運站車信息交互等業務需求，需在車內進行鐵路5G專網及5G公網信號覆蓋。此項工作還需結合國家無線電管理及運營商“5G公網上車”等政策進一步開展研究。

4 結束語

5G網絡作為新一代信息技術基礎設施網絡，從誕生之初就被賦予了改變社會生活的目標愿景，通信也不再是傳統的管道技術，而是與業務緊密耦合，采用信息通信技術（ICT）的全新架構進一步為業務應用賦能。鐵路專用移動通信歷經數十年的發展，在技術迭代的關口，結合國家“新基建”決策部署，率先在鐵路行業提出5G專網的概念和系統目標，在我國各行業乃至全球均屬首創。但全國鐵路已成網運行，既有系統的更新、技術演進與業務適配應用，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］，共同推動鐵路現代化發展，實現“交通強國、鐵路先行”的總體目標。