大秦铁路下一代移动通信系统建设方案探讨

王 芳，任 和

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．中国铁路太原局集团有限公司电务部，太原 030013)

1 建设必要性

大秦线是国内第一条开行重载组合列车的双线电气化铁路，是为西煤东运而修建的运煤专用干线铁路，其运量逐年增长，目前年运量达4.5亿t。大秦铁路专用移动通信系统为重载组合列车机车同步操控提供车地无线通信传输通道，为大秦线运输生产指挥提供有力的通信保障。

大秦铁路现有专用移动通信通过铁路数字移动通信系统（GSM-R）实现，其无线子系统采用同站址双基站覆盖方式，机车同步操控业务对无线信道需求量较大，目前的GSM-R网络基站间距小，基站载频数量配置较多，且同站址双基站采用相同数量的频率配置，频率利用非常紧凑，没有预留频点，这给大秦线本身及邻近GSM-R线路的频率规划和优化带来相当大的难度。

大秦线GSM-R无线子系统A、B网分别于2004年和2006年建设完成，2009年进行4亿t补强，加密基站，A网于2018年完成了设备更新改造。B网无线设备已到更新改造年限，探讨更新改造时采用的系统制式及组网方案已提上日程，综合考虑GSM-R系统的生命周期及大秦线既有和新业务的需求，B网适合改造成铁路下一代移动通信系统。

2 建设可行性

2015年，中国铁路启动了对铁路下一代移动通信的技术研究，于2018年发布了《铁路下一代移动通信业务和功能需求暂行规范》及LTE-R系统需求及组网技术要求，并进行了高速铁路线上试验验证，同年，中国国家铁路集团有限公司开始铁路5 G移动通信应用技术研究，对5 G技术在国内外的发展现状和走向，5 G适用于铁路典型工作场景的切片技术、频谱效率、边缘计算等关键技术及技术指标，5 G技术适合铁路使用的应用场景等方面开展深入研究。2019年，开始2.1 GHz频段频率的研究及申请工作，计划2021年中期发布铁路5 G业务和功能需求、系统需求及工程建设暂行规范，并争取在2022年开始建设试验线。

综上，应积极探讨大秦铁路下一代移动通信系统建设方案，为将来的工程实施做好技术准备。

3 系统制式

考虑到5 G技术成熟时间与欧洲铁路通信的规划相适应，欧盟已计划采用5 G技术作为下一代移动通信系统的技术演进路线。随着5G成为国内“新基建”的重点之一，铁路下一代移动通信系统如采用5 G技术，将为铁路带来新的发展契机，并可带动铁路沿线整个5 G产业的发展。本论文以5G系统为例，探讨大秦铁路下一代移动通信系统的建设方案。

4 网络架构

4.1 系统构成

大秦线5 G专网系统应包括核心网、无线接入网（RAN）、用户设备（UE）及运营与支撑系统（OSS）4部分。

核心网采用服务化网络架构及软件定义网络/网络功能虚拟化（SDN/NFV）技术，具有业务虚拟隔离（网络切片）、转发与控制分离、功能分布式部署、基础设施云化等核心特征。RAN由基站（gNB）构成。UE由移动设备（ME）和通用用户识别模块（USIM）构成，包括机车综合无线通信设备（CIR）、作业手持台（OPH）、通用手持台（GPH）及其他类型的终端。OSS由网络管理、信令与业务数据监测、数据及USIM卡管理、终端安全管控、其他功能等设备构成。大秦线5G专网系统构成如图1所示。

4.2 系统组网

1）核心网

考虑中国国家铁路集团有限公司的用户规模和管理体制等因素，全路宜统一建设5 G专网核心网。5 G核心（5GC）原生支持（NFV），因此5GC网络应采用云化方式部署，实现资源的统一编排、灵活共享。对于核心网组网，可以采用大区集中与按局集团公司部署两种方式。

第一，大区集中式组网。核心网控制面功能网元遵循虚拟化、大容量、少局所、集中化原则，集中部署在大区数据中心，全路可设置若干个大区，每个大区负责若干个局集团公司的5 G专网业务，局集团公司层面部署用户面功能（UPF）网元，UPF基于业务应用场景，分层部署在局集团公司、枢纽、站场层面。

第二，按局集团公司组网。集中设置全路共用设备，5GC控制面功能网元部署在各局集团公司。用户面功能（UPF）网元基于业务应用场景，部署在局集团公司、枢纽、站场层面。

方案比选：大区集中式组网架构的优势在于集约和统一，包括核心控制面功能网元统一部署与管理，信令处理资源共享和全国性业务统一制定发放；同时，控制面功能网元高度集中将有助于减少UE移动过程中接入管理功能/会话管理功能（AMF/SMF）重选带来的性能影响。但是，大区集中式组网也存在不足和挑战，首先，控制面高度集中将直接影响控制面时延性能，可能无法满足低时延业务需求；其次，控制面功能网元高度集中需要大量的承载网资源；最后，对容灾提出了较高的要求。以局集团公司为单位统一建设局核心网，与中国铁路生产组织架构相适应，可以沿用现有运维管理模式及经验，各局可灵活开展业务，但资源利用率相对较低。

图1 大秦线5G专网系统构成示意图Fig.1 Schematic diagram of 5G private network system composition for Datong-Qinhuangdao railway

2）无线接入网

估算小区边缘吞吐量进行链路预算，并进行空间波和漏缆覆盖预测，可得出理论上的基站间距。对于大秦线来说，如果能利用既有GSM-R基站站址进行5G专网系统的无线覆盖，无疑是比较理想的，既可以节省投资，又可以加快更新改造进度。大秦线正线653 km，建有153处GSM-R基站，平均基站间距为4.3 km，采用2.1 GHz频段、2×10 MHz系统带宽、频分双工（FDD）制式部署5 G基站时，如果完全利用既有GSM-R基站站址，不考虑新增站址，在终端发射功率为200 mW的情况下，需要以牺牲小区边缘速率为代价，即在小区边缘，5G系统只能承载与行车相关的业务及部分重要的运营及维护应用，可能无法承载相关的视频应用。

5G系统主要采用分布式基站，对于2.1 GHz频段，目前主要提供基带单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）+传统天线形态的基站设备。大秦线5 G专网系统无线接入网组网需要考虑诸多因素，既有GSM-R无线覆盖采用同站址双基站冗余方式，将GSM-R无线子系统B网更新改造为5G系统后，5 G系统本身采用冗余组网方式，还是与刚刚更新改造完的GSM-R无线子系统A网形成冗余覆盖，需要进一步分析论证。如果考虑与既有GSM-R系统形成冗余，则5 G系统基站配置只要满足“任一单板或模块故障时gNB仍能提供服务”的要求，采用非冗余组网即可。非冗余组网可以有两种方式，一种为一套BBU带一套RRU，同址设置，将分布式基站比照宏基站对待进行部署，这种方式需要的BBU及相应的承载网设备多、投资高，但网络可靠性高；另一种方式为一套BBU带多套RRU，RRU分布式部署，BBU与RRU之间环型组网，这种方式需要较少的BBU及相应的承载网设备，但BBU与拉远的RRU之间需要较多的光纤资源，投资低，网络可靠性较高。

如果考虑5 G系统建成以后，既有GSM-R无线子系统A网逐步退网，则5 G无线接入网需要冗余组网。在2×10 MHz系统带宽条件下，可以考虑单基站冗余组网或单RRU冗余组网，这种组网方式可靠性高；也可以考虑跨BBU冗余组网，跨BBU冗余组网可以是比照宏基站部署形式，也可以是分布式部署形式，这种组网方式主、辅BBU需要同站址部署，因此可靠性较高。但目前5 G系统设备厂家尚不支持跨BBU冗余组网方式，需要根据铁路需求定制开发。

5 互联互通

新建的5 G专网系统需要与既有的铁路有线调度通信系统互联，实现有线、无线统一调度，互联通过核心网设置的网关设备完成，调度交换机侧利用既有类型的接口互联，不需要对既有调度系统进行升级改造。

5 G专网系统需要与既有的GSM-R系统互联，实现两个系统用户之间的通信，同样，互联通过核心网设置的网关设备完成，移动交换中心（MSC）侧利用既有类型的接口互联，不需要对既有GSM-R系统进行升级改造。

5 G专网系统与既有调度集中（CTC）系统的互联，可以通过既有GPRS接口服务器（GRIS）设备完成，需要对既有GRIS进行硬件改造，同时需对其部分软件和配置数据进行修改。

当采用5 G专网系统承载机车同步操控及可控列尾业务时，机车同步操控信息传送系统侧理论上可不再设置地面接入节点（AN）设备。当仍考虑设置AN时，同一台AN设备可同时与5 G专网系统及GSM-R系统互联，同时处理分别由5 G专网系统和GSM-R系统承载的机车同步操控及可控列尾业务。对于同一列组合列车的主控和从控机车，当部分由5 G承载业务，部分由GSM-R承载业务时，能否实现通信，有待试验验证。5 G专网系统可通过既有GRIS设备与AN设备互联，也可新设应用业务统一接入平台实现与AN及CTC设备的互联。

大秦线单元列车需要实现双模货物列车尾部安全防护信息传送，双模列尾系统的设备主要包括列尾机车台、列尾主机，以及机车车号确认仪、列尾主机检测台、出入库检测设备等，这些设备都是作为5 G专网系统的用户设备在工作，在5 G核心网侧不存在与双模列尾系统的互联互通。

5 G专网系统建成以后，可以承载之前GSM-R系统无法承载的宽带业务，如车载监测信息传送。车载监测信息可以通过车载宽带综合传输平台（WTP）实现，此平台在地面设置监测信息GPRS接口服务器（M-GRIS），5 G专网系统的UPF设备与M-GRIS互联，M-GRIS与WTP系统的地面接入网关互联，地面接入网关与业务系统地面设备互联，进而实现WTP通过5 G专网系统与业务系统地面设备之间的信息交互。

可考虑在湖东、柳村南等编组场设置边缘核心，将UPF下沉，并设置移动边缘计算平台（MEC），满足编组场大容量低时延应用业务需求，边缘核心通过MEC与编组场的应用业务系统互联。

6 工作方式

在5 G专网系统与GSM-R系统共存的情况下，如何实现两个系统正常情况时，其中一个系统满载、检修、升级或故障时应用业务的承载，是需要探讨的问题。

要实现5 G专网系统与GSM-R系统之间的冗余备份，首先，用户设备需要采用双模终端，支持两种系统制式5 G/GSM-R，双模终端包括手持台、CIR、机车同步操控车载通信单元（OCU）、可控列尾等，对于WTP，除了支持5 G/GSM-R，还将支持公网3 G/4 G/5 G等通信模式。其次，在核心网侧，应用业务系统地面设备需要同时与5 G和GSM-R两个系统互联。

5 G与GSM-R两个系统可以工作于主备方式，即正常情况下，所有应用业务由5 G专网系统承载，当5 G某一处基站故障，此基站下的手持台、CIR、WTP等终端正在进行的业务将中断，但随即终端将注册到GSM-R系统，在GSM-R网络下开展业务，当终端运行到5 G系统下一处正常的基站，可通过配置，返回5 G系统工作，或继续工作于GSM-R系统。对于OCU和可控列尾等涉及行车安全的终端，则需要双模同时工作，应用业务系统同时接收来自5 G和GSM-R系统传送的应用业务信息，并优先使用5G系统传送的信息。