铁路5G专网系统架构和组网技术研究

周宇晖

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京100070）

1 研究背景

自20世纪50年代至今，我国部署了多种铁路专用移动通信系统，包括900 MHz GSM-R系统、450 MHz列车无线调度通信系统、站场调车和养护维修通信系统、车号自动识别系统、列车安全防护报警系统、站场宽带无线接入系统和高速铁路列车运行控制应答器系统［1-2］。GSM-R系统自2005年在青藏铁路、大秦铁路、胶济客专部署应用，至今已在全部高铁线路和部分普速干线铁路完成系统建设，形成以铁路局集团公司为核心节点、覆盖铁路沿线的全国性网络。

移动通信经历了第一代到第四代发展，当前已步入第五代移动通信（5G）商用阶段。2020年3月，中共中央政治局常务委员会召开会议，要求加快5G网络等新型基础设施建设进度。4月20日，国家发展和改革委员会首次明确了“新基建”范围，其中5G网络作为新一代信息技术演化生成的基础设施网络，将从移动互联网扩展到移动物联网领域，与经济社会各领域深度融合，属于“新基建”3个主要方面中最重要的信息基础设施［3］。

为贯彻落实党中央关于加快5G网络等新型基础设施建设的决策部署，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）启动了新一代移动通信系统技术演进的研究论证工作，研究人员从业务需求、频率适应性、高速适应性、产业链、工程部署实施等不同维度综合比选，提出了5G专网的系统目标。

铁路移动通信业务按作业区域分为正线应用、站场与生产活动场所应用、车内应用，具备“点、线、移动体”相结合的特征，因其网络覆盖和业务应用的特殊性，公网5G的技术制式和装备无法直接移植适用于铁路特殊场景与需求，应结合国铁集团、铁路局集团公司、站段、车间（工区）的管理维护架构和全程全网的运输组织要求，定义铁路5G专网的系统架构，才能更好地指导后续方案研究、装备研制和工程建设等工作。重点对铁路5G专网系统架构、核心网组网方案和无线网组网方案等内容开展研究。

2 系统架构

根据国家5G发展战略，铁路5G专网应按照独立组网（SA）方案考虑，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）四部分，系统架构见图1。

图1 铁路5G专网系统架构

与LTE相比，5G核心网具备基础设施云化、服务化架构、网络切片、生命周期闭环运维管理等特征，能够满足业务按需弹性、切片部署；5G无线网具备边缘侧增强、分场景部署等特征，能够满足业务多样化需求［4］。

3 组网方案

3.1 核心网

铁路5G专网核心网以构建专用数据中心（DC）为中心，具备典型的云化系统特征，但与传统DC相比，铁路5G专网核心网由于直接承载处理铁路行车安全相关业务，在系统可靠性、信息流处理、软硬件配合、运营维护等方面均较传统信息化数据中心架构提出了更高要求，因此宜全路统一建设、独立维护管理［5］。

同时，由于5G核心网的服务化与NFV架构具备了虚拟化部署的条件，因此可采取集中式、区域化部署方案。分别从大区集中部署和按铁路局集团公司部署2种方案进行对比分析。

3.1.1 大区集中式组网

5G系统实现了控制与转发平面的完全解耦，因此全路可设置若干个大区，采用将控制面网元集中设置在部分铁路局集团公司，用户面网元下沉部署至各铁路局集团公司的方案。大区部署的原则应该是在集约设置的情况下尽量满足控制面时延的要求，根据3GPP TR 38.913协议规定，增强型移动宽带（eMBB）和超可靠低时延通信（uRLLC）场景对控制面时延的要求均为10 ms。控制面时延的增加，会降低业务流程性能，从而影响业务体验，受影响的业务流程主要包括终端侧业务请求、网络侧业务请求、基站切换、网络侧专用承载建立等［6］。

10 ms的控制面时延指标为无线网络与有线承载网络共同承担的时延要求，经过计算，以基站与核心网控制面网元之间的光缆距离1 500 km以内来考虑大区数量及位置设置，同时，核心网大区位置的选取还应考虑大区所在铁路局集团公司的技术力量，基于此原则，全路可设置9个大区，分别设在北京、武汉、西安、上海、广州、沈阳、成都、西宁、乌鲁木齐等城市。此外，由于拉萨位置特殊，其与西宁、成都等相邻铁路局集团公司距离较远，且考虑川藏铁路未来需求，工程建设时可考虑在拉萨下沉设置AMF、SMF等控制面网元，以减少控制面时延。

为充分保障大区设备的可靠性，每个大区设置双DC，集中部署NFVO、OMC进行统一管理，每个DC均部署VNFM、VIM等功能，同一VNF在2个DC上部署，相同VNF之间采用池组或主备工作方式，当1个DC故障、检修、升级时，另1个DC内网元可以接管所有业务，不影响业务使用，可实现铁路5G专网核心网不停机维修，极大提高了维护效率。

大区之间实现控制面网元的异地冗余及数据备份，对于全路共用网元，北京与武汉互备；对于大区共享网元及各铁路局集团公司的控制面网元，可采用异地备份方式，北京与沈阳互备，武汉与上海、广州互备，西安与西宁、成都互备，乌鲁木齐采用本地冗余备份方式。每个铁路局集团公司的无线接入网（RAN）及用户面网元UPF除与所在大区控制面网元互联外，还需与互备大区的控制面网元互联。大区之间网元备份主要采用主备方式，但受距离影响，当主用大区有设备故障、检修、升级操作而启用备用大区时，部分用户的控制面时延将不满足指标要求。

3.1.2 铁路局集团公司组网

在北京、武汉集中设置5G-EIR、根NRF、根DNS等全路共用设备。其他控制面网元部署在各铁路局集团公司所在地。用户面网元UPF基于业务应用场景，可部署在铁路局集团公司、枢纽、站场层面，并根据需要部署边缘计算网元，用于大数据流（如视频）、多接入点（如物联网）、低时延（如无人调机）等业务的处理。

5G专网核心网在每个铁路局集团公司管辖范围内异址部署（不同楼宇或同一楼宇不同层）冗余核心网，采用池组或主备方式实现网元备份，铁路局集团公司无线接入网（RAN）及用户面网元UPF与本铁路局集团公司主备核心网间通过传输网络互联。

3.1.3 方案比选

分别从应用成熟性、可用性、可靠性、可维护性和经济性等不同维度对比铁路5G专网核心网大区集中式组网和铁路局集团公司组网2种方案（见表1）。

由表1可知，铁路5G专网与运营商5G网络不同，在设备可靠性、特殊业务应用中均提出了更高需求，因此，铁路5G专网核心网设置从系统需求、维护方式等方面考虑，仍应遵循当前国铁生产组织架构，采用铁路局集团公司组网方案。同时，借鉴GSM-R建网经验，核心网作为铁路5G专网关键节点，应统筹规划、集中建设、提前实施，避免按线建设频繁扩容升级导致的系统可靠性下降。

表1 铁路5G专网核心网组网方案比选

3.2 无线网

无线场强覆盖采取按需覆盖原则，GSM-R系统受技术制式和系统容量限制，在高速铁路建设过程中主要是为行车安全类（列控系统）、行车调度指挥类（调度通信、调度命令、进路预告等）提供服务，因此主要覆盖区域为铁路正线，对车内、站内和站场等区域并无对应覆盖设计方案，实际运用中效果较差。如果要发挥铁路5G专网在铁路运输组织和运营管理中的重要作用，则应将铁路5G专网深入覆盖至铁路运营生产每个环节，利用无线网络链接形成广域“物联网”架构。

3.2.1 冗余组网方案

自3G起，由于运营商对单节点的故障敏感性不高、同频率无线组网、控制建设成本等原因，开始采用基站主控单元和射频单元分离的分布式基站（BBU+RRU）方案替代传统宏基站，此方案一直延续至5G时代。但在CTCS-3级列控线路、重载铁路等区段，为确保无线基站设备故障时业务不受影响，对无线覆盖的冗余性提出了要求。因此，铁路5G专网无线冗余组网是铁路专用移动通信特有需求，需设备厂商进行定制化开发。

为满足冗余需要，且将频谱利用效率最大化，满足更多业务承载在铁路5G专网上，可采用同站址设置双套RRU设备，并同址采用同频的方式进行组网，当BBU或RRU故障时，同站址另1套设备仍能提供覆盖，暂定义为“跨BBU共小区同址双网”，组网方案见图2。

图2 跨BBU共小区同址双网组网方案

由图2可知，同站址2套RRU覆盖相同区域，1个RRU故障不会影响该区域的5G网络。为了实现更高的可靠性，使得单个BBU故障后业务不受影响，2套BBU需采用云化基带（Cloud BB）架构，不同的BBU通过同步交换模块互联在一起。跨BBU应用时，正常情况下只有1个BBU工作，该BBU为主BBU，另1个BBU为辅BBU，同站址的2套RRU同时工作。当主BBU宕机时，辅BBU自动接管RRU，继续提供服务，减少业务中断时间［7］。

采用跨BBU冗余组网方式时，各站址RRU可工作在共小区或非共小区模式，应根据实际需要灵活选择。

3.2.2 场景组网分析

铁路5G专网在不同场景应采取不同的覆盖方案和基站设备，根据场景可分为正线，站场/车站，局/段/所等生产活动场所，交叉、并线区段，隧道和车内等6类。

（1）正线。正线相比于站场/车站和交叉、并线区段，对通信容量的需求相对较小，可采用BBU+RRU+无源天线的基站设备，当前产业中该形态的设备支持2T2R、4T4R，未来根据产业发展预计可支持8T8R，基本能够满足行车应用的需要。

（2）站场/车站。站场/车站包括编组站、货运站、技术作业站、客运站、动车段和集装箱中心站，涉及用户种类较多，需要实现调车组成员间的语音、数据通信；实现货检、列检、车号值班员与地面作业人员的语音、数据通信；实现客货运语音、数据及图像通信；实现调车与地面控制中心间的数据通信等。用户容量较大，对带宽需求较高，铁路5G专网系统在仅有10 MHz带宽情况下无法承载所有应用业务。因此，站场/车站的铁路5G专网应以承载行车相关应用及部分运营维护应用为主，其余业务可考虑由5G公网承载。

（3）局/段/所等生产活动场所。与GSM-R不同，铁路5G专网将为铁路信息化、智能化提供有力支撑，覆盖面越广、覆盖人员越多，越能实现广泛数据采集，为运营决策提供基础数据依据。因此，铁路5G专网预计将覆盖所有生产活动场所，如局/段/所等办公场所。由于生产活动场所多为室内区域，建筑物遮挡较为严重，正线所采用的BBU+RRU设备形态不适于该场景的覆盖，可采用白盒基站或Pico基站等造价低的设备形态，并为运营生产人员配置定制化通用型手持终端，既可满足应用需求，又能降低工程造价。

（4）交叉、并线区段。我国路网成规模后，线路之间的交叉、交越、并线情况不断增加，而且涉及的线路等级不同，当同一区域内存在多条线路时，给铁路5G专网无线覆盖带来了挑战。

对于交叉、交越区段，可采用多条线路共用基站的方式，基站设置在交叉或交越点附近，共用基站设置多副天线满足多条线路覆盖需求，利用RRU共小区技术，将不同物理站址的RRU在逻辑上合成为同一个小区，改善切换和重选次数，从而提升网络性能。

对于并线区段，需要根据线路之间平行间距采取适合的无线覆盖方案，通过现场测试和踏勘，确定是否共用基站，为避免相互之间产生干扰，可考虑采用窄波瓣天线，将能量集中在各自线路上。

对于枢纽地区，应利用5G超级小区的特性，广播信道共小区，业务信道相互独立调度，既可有效解决系统同频干扰，又能满足枢纽地区多业务并发的容量需要。

（5）隧道。由于5G公网在隧道等弱场区段同样有覆盖需求，因此在隧道内采用漏缆覆盖时，可考虑采用宽频段漏缆，将铁路5G专网和部分运营商5G公网同漏缆覆盖，减少隧道内设施布置和维护工作量，提高5G共建共享率。

（6）车内。由于5G频段较高，列车车体的穿透损耗很大，通过轨旁基站无法对车内产生良好覆盖，为满足车辆运行状态大数据健康监测（PHM）、车内作业人员通信、客运站车信息交互等业务需求，需在车内进行铁路5G专网及5G公网信号覆盖。此项工作还需结合国家无线电管理及运营商“5G公网上车”等政策进一步开展研究。

4 结束语

5G网络作为新一代信息技术基础设施网络，从诞生之初就被赋予了改变社会生活的目标愿景，通信也不再是传统的管道技术，而是与业务紧密耦合，采用信息通信技术（ICT）的全新架构进一步为业务应用赋能。铁路专用移动通信历经数十年的发展，在技术迭代的关口，结合国家“新基建”决策部署，率先在铁路行业提出5G专网的概念和系统目标，在我国各行业乃至全球均属首创。但全国铁路已成网运行，既有系统的更新、技术演进与业务适配应用，仍需在频率运用、场景耦合、关键技术研究和人才队伍建设等方面开展深入研究［8］，共同推动铁路现代化发展，实现“交通强国、铁路先行”的总体目标。