铁路5G应用的可行性及技术优势分析

陆晓磊，陈雍珏，邓小市

（华为技术有限公司无线网络产品线，上海201206）

0 引言

铁路作为我国最早应用无线通信技术的行业之一，经过几十年的应用发展和技术积累，已形成与铁路管理体制相适应的铁路专用通信技术体系。进入21世纪，为满足我国高速铁路的发展需要，原铁道部正式确定了铁路专用数字移动通信系统（GSM-R）的技术方向［1］，有力支撑了高速铁路、重载铁路、高原铁路的列车调度通信和列车运行控制等多项行车安全业务运用。历经10多年发展，我国已建成全球最大的GSM-R网络。截至2019年底，全国铁路GSM-R网络覆盖线路里程接近7万km。

随着智能铁路等新的建设要求提出，GSM-R作为窄带无线通信的技术局限性越发突出，无法满足铁路行车应用和运营维护业务的需要。国际铁路联盟（International Union of Railways，法语全称缩写UIC）梳理了基于宽带移动通信的大量需求［2-3］，学术界也针对5G在铁路行业的应用展开了深入研究［4］。从业务需求与发展趋势看，铁路领域亟待引入无线宽带通信技术支撑智能铁路新发展。

1 铁路专用无线通信技术

1.1 应用场景及业务

铁路专用无线通信技术主要为列车提供调度通信和运行控制等行车安全业务无线承载，为铁路移动应用提供可靠的高速车地无线通信。根据应用对象，铁路专用无线通信可分为行车应用、运营及维护应用、旅客服务信息应用3类［5］；根据业务需求，则分为无线调度语音业务、无线数据业务、无线视频业务3类:

（1）无线调度语音业务。主要实现调度员、司机、行车保障人员、行车指挥人员之间的基本通话、群组通话、优先级通话等。同时，为了满足铁路特殊需求，还引入了功能寻址、位置寻址、铁路紧急呼叫等功能。

（2）无线数据业务。主要用于行车类安全应用业务承载，包括行车运行控制（CTCS-3、ATO）、安全防护（列尾、安全预警）信息、车次号校对调度等。此类业务涉及行车安全，对于无线通信的可靠性和安全性有很高要求，是铁路专用无线通信的核心业务。

（3）无线视频业务。主要包括司机超视距监控应用中的地车及车地视频传输，也包括对于列车关键部位（如驾驶室、列尾、转向架等）的视频监视图像通过无线方式实时传输至控制中心或地面监控站，进行集中监控。此类业务有助于提升列车行车安全，但由于需要在列车高速运行下实时传送视频，GSM-R已无法承载该类业务，需引入新的无线宽带系统满足实时回传要求。

1.2 无线频率

受无线电传播特性限制，无线频率越低，空间传播损耗越低，传播距离越长。与之相对应，无线频率越高，空间传播损耗越大，传播距离越小。我国采用的模拟列调和GSM-R两种铁路专用无线通信技术频率均低于1 000 MHz，在传播距离和基站覆盖半径上有明显优势。

虽然低频段传播具有传播距离优势，但1 000 MHz以下的频率资源基本已被运营商和各行业分配殆尽，无法获得更多的频率资源。而高频段带宽资源丰富、承载能力强、频谱效率高，能很好满足铁路专用无线通信系统宽带化发展需求。

综合各方面因素，新的铁路专用无线通信系统需要平衡覆盖与带宽的关系，应选择适合铁路高速智能发展要求的成熟无线频段部署。

1.3 技术体制

目前，铁路部署的模拟列调及GSM-R均为窄带无线通信技术，无法满足铁路智能化发展要求。第五代移动通信技术（5G）作为最先进的无线宽带移动通信技术，设计上兼顾移动性和宽带性要求，支持的最高移动速度可达500 km/h，还能为用户提供Gb/s级别的速率体验。自2019年起，5G已在公网运营商中大规模部署，成为一种成熟的移动通信制式，非常适合于未来的铁路专用无线通信。

在关键技术上，5G引入大规模天线阵列、多发多收、更高阶编码调制等技术，比4G的频谱效率提升了10%～20%。结合2018年原中国铁路总公司在京沈客运专线开展的LTE-R技术试验结果，预计在2×10 MHz组网，同样站间距部署条件下，5G单基站上行和下行的平均吞吐量可达约20 Mb/s和30 Mb/s，满足铁路各类行车业务需求。

综合看来，5G作为目前最新的无线通信技术，是铁路专用无线通信系统最好的选择，可为铁路提供安全可靠的无线宽带业务，满足各类行车应用需求，为铁路智能化发展奠定基础。

2 5G技术及标准发展

2.1 无线通信技术

自20世纪80年代末第一代无线通信技术问世以来，经过40年的发展，移动通信技术已经进入了5G时代。5G是由第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）制定的广域无线通信技术，具有高速率、低时延和大连接等特点。根据3GPP定义，5G技术具有以下3个愿景目标（见图1）:（1）峰值速率达到10 Gb/s；（2）空口时延低至1 ms；（3）每平方公里联接100万个设备。

图1 5G的3个愿景目标

2.2 5G标准

5G是新一代无线通信技术，3GPP将5G标准的制定分为2个主要阶段:第1阶段，R15基础版本主要面向增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景，已于2019年6月7日完成协议制定和冻结，eMBB标准化产品正式商用上市，当前各主流无线通信设备厂家均有成熟产品支持eMBB；第2阶段，R16和R17重点针对超低延时高可靠通信（ultra-Reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）和海量机器通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）2个场景进行研究。其中，R16版本于2020年7月完成uRLLC的协议制定和冻结；R17版本包含的海量机器通信场景预计在2022年完成uRLLC的协议制定和冻结。

除了协议制定，3GPP还定义了5G工作频段（见表1）。其中，n1频段属于5G最核心的黄金频段，目前中国国家铁路集团有限公司正在向国家无线电管理委员会申请n1中的1 965～1 975 MHz/2 155～2 165 MHz作为铁路5G专网无线频段。

表1 5G工作频段

2.3 5G产业

终端形态和种类的丰富程度是衡量一个产业是否成熟的重要标志。截至2020年8月，全球已累积发布401款5G终端产品，模组达64款。其中，有128款5G终端支持n1频段（见图2），同时，各模组和芯片厂家均推出支持5G的通信模组和通信芯片，为5G行业特种终端的开发奠定了基础。

图2 5G终端支持频段

此外，各地区运营商也在加速5G规模商用进展。截至2019年底，全球各主流运营商均已推出5G网络服务（见图3），首批商用用户规模上亿，进程将比4G快2～3年。

图3 全球各主流运营商5G商用情况

综合标准和产业进展分析，5G已进入高速发展和规模部署期，铁路专用无线通信系统采用5G作为技术标准的时机相对成熟，相信立足当前先进成熟的5G通信技术，加快推进我国铁路专用移动通信技术，对助力智能铁路又好又快健康发展具有重要意义。

3 铁路5G应用关键技术

在铁路行业，由于需要支持列车350 km/h的高速移动性，并向500 km/h演进，对无线网络的可靠性及高速条件下的性能提出了极高要求。5G的可靠性技术、高速技术，以及网络切片、毫米波等技术，匹配了铁路行业需求。

3.1 可靠性技术

从铁路5G专网承载的业务看，包含行车相关的C3列控、列调业务等均与行车安全高度相关，对网络可靠性提出了极高要求。针对不同应用场景，可靠性存在以下3类挑战:

（1）空口不可靠。无线信道由于阴影衰落、多径衰落、干扰、终端移动等影响，造成信道环境波动，对应空口性能产生波动。

（2）设备故障。设备由于自然灾害或老化等原因，造成单点故障影响系统运行。

（3）大业务流量冲击。在编组站、枢纽站等高容量场景，可能突然产生多业务并发情况，造成网络拥塞。

下面重点介绍能够应对以上挑战的可靠性技术。

3.1.1 AMC、HARQ、DAPS等技术

自适应编码调制技术（Adaptive Modulation and Coding，AMC）可根据用户反馈的信道质量好坏，自适应调整调制和编码方案（Modulation and Coding Sheme，MCS）在保证用户QoS的前提下，提高吞吐量及覆盖范围。

前向纠错编码和自动重传请求结合产生了混合自动重传（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ），即在1个ARQ系统中包含1个前向纠错子系统，当前向纠错子系统无法正常纠错时，通过自动重传请求反馈信道重发错误码组。5G R16标准新增支持1个时隙内实现多个HARQ-ACK传输，减少了反馈时延，从而减少空口环回时延。

5G R16新增双连接技术（Dual Active Protocol Stack，DAPS）对NR的移动性进行增强［6］。该技术在协议上允许移动终端在切换时始终保持与源小区连接，直至与目标小区开始进行收发数据为止再中断连接。原方式是先释放源小区连接，再建立与目标小区连接。现在将顺序调整，先建立与目标小区连接，再释放源小区连接，从而实现“切换0中断”。该功能需要在基站与终端同时支持。

综合以上关键技术，可大大提升空口可靠性。

3.1.2 冗余技术

冗余技术是在系统或设备完成任务起关键作用的部分增加1套以上完成相同功能的功能通道、工作元件或部件，以保证当该部分出现故障时，系统或设备仍能正常工作，减少系统或设备的故障概率，提高系统可靠性。

在铁路应用中，可采用组网冗余、设备冗余、单板冗余等方式，避免设备单点故障，提升系统可靠性。

3.1.3 设备流控

设备通过对输入、输出流量进行控制，达到防止设备过载并维持设备稳定的目的。设备流控有以下2种方式:

（1）控制面流控。假设在用户接入场景，有过多的终端用户尝试通过随机接入连接1个基站，且用户数量超出基站对应能力，基站主控单元会启动流控机制，对于已被拒绝接入的用户，丢弃该用户对应的初始接入信息，同时降低可发起随机接入的用户数。直至系统负载下降，再逐渐提升可发起随机接入的用户数。与接入场景原理类似，控制面还可进行初始接入消息流控、切换请求消息流控、寻呼消息流控等操作。

（2）用户面流控。分为下行流控和上行流控。在终端、基站、核心网的用户面协议栈（见图4），下行数据在基站中流向为GTP-U→PDCP→RLC→MAC，当RLC和MAC单元负载过重时，通知GTP-U模块降低下行报文发送速率，RLC和MAC单元同时降低下行调度用户数，通过这2种方式实现流控，直至负载恢复至可承受能力范围，再逐渐提高下行报文发送速率及调度用户数。上行流控数据流向相反，原理一致。

通过控制面和用户面流控2种方式，可避免大业务冲击造成的业务过载，维持设备稳定。

图4 终端、基站、核心网之间用户面协议栈

3.2 高速技术

铁路5G专网在高速移动场景下，其可靠性存在以下3种挑战:

（1）多普勒频偏。在高速移动场景下，受多普勒效应影响，接收端接收信号频率发生变化，导致发射频率与接收频率不同，产生OFDM符号内和符号间干扰，严重时造成接收方无法解调出发送方的发射数据，造成终端无法接入网络。

多普勒频移原理示意见图5，频偏fd如下:

式中:f为工作频率；c为光速；v为车速。

对应可计算不同车速下的上行最大多普勒频偏2fd（见表2）。

图5 多普勒频移原理示意图

表2 上行最大多普勒频偏 Hz

由表2可见，在车速500 km/h、频段2 100 MHz情况下，产生上行最大多普勒频偏2 057 Hz，对接收机解调造成巨大影响。

（2）频繁切换。在线性快速移动情况下，终端用户发生频繁切换，可能造成吞吐率下降甚至掉话，影响业务稳定性（见图6）。由此可见，频繁切换造成速率在切换区陡降，克服频繁切换是铁路高速场景的关键问题。

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3.2.1 上行频率纠偏

在高速场景下，上行信号会叠加基站到终端、终端到基站2次的频率偏移，上行的多普勒频偏更大。可通过上行频率纠偏的方式，减小上行频偏。

基站根据终端的物理上行共享信道（DeModulation Reference Signal，DMRS）导频信号进行频移估计，所得频偏作为UE频率纠正的持续输入。频偏对信号的影响在时域上表现为信号的相位旋转。基站利用上行成对的DMRS符号进行频偏估计，利用接收到信号子帧内相邻2个DMRS符号的相位差，计算2个导频符号时间间隔相位旋转对应的频偏fd，fd为UE发射频率纠正的持续输入。

通过该技术，可提升小区上行吞吐率，从而保障铁路终端在高速场景下吞吐率，以及正常接入能力。

3.2.2 Hyper Cell

Hyper Cell是一种组网技术，将多个物理小区合并为1个逻辑小区的技术，终端在不同物理小区之间移动，不需要进行切换，不感知小区边界，提高用户体验。Hyper Cell技术原理示意见图7。

图7 Hyper Cell技术原理示意图

Hyper Cell小区内用户接入时，基站根据收发点（Transmission Reception Point，TRP）测量的导频信号参考信号接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP），选择RSRP更高的TRP作为该用户的服务TRP，在该服务TRP上接入该用户。

终端在不同TRP间移动时，基站会测量用户在各TRP下的上行信道探测参考信号（Sounding Reference Signal，SRS）的RSRP，并据此判断是否存在RSRP更好的候选TRP。当存在RSRP更好的候选TRP时，系统会将该候选TRP作为新的服务TRP，然后在新的服务TRP下对用户进行调度和分配资源，无需进行信令重配，实现无缝切换。

通过Hyper Cell，同一逻辑小区的收发点之间，可实现无切换，将原来频繁切换造成的吞吐率下降、甚至掉话等问题规避。若按照6个小区合并进行计算，可减少80%以上切换次数，极大减少切换次数。

3.3 其他技术

除了以上技术，网络切片、毫米波、物联网mMTC、免授权接入等5G技术也可应用于铁路领域。随着行业标准的发展、铁路宽带专用无线通信的应用深化，这些技术也必将成为进一步研究方向。

4 发展要素协同

铁路5G专网的发展，除了标准支持、产业成熟、技术匹配，还需要以下要素协同。

4.1 独立自主，创新发展

借鉴欧洲铁路无线通信发展经验引入GSM-R技术，我国是GSM-R领域的跟随者。但在铁路移动宽带技术方面，尤其在5G领域，我国已经远远领先于欧洲国家［7-9］。按照UIC规划，预计2025年以后，欧洲国家才启动铁路5G专网的标准制定工作。因此，发展铁路5G专网没有先例可循，需要依靠自主创新，加快5G无线通信技术在铁路领域的部署应用，引领全球铁路无线通信技术进步［10］。

4.2 科学规划，合理投资

相对于450 MHz的模拟列调和900 MHz的GSM-R，铁路5G专网的2 100 MHz频段面临着覆盖距离变短、站点更密等问题，需要科学规划频率和站点资源，重点解决铁路专用无线频率与其他无线系统频率干扰和共存，降低铁路5G专网站点投资，平衡网络质量和成本投资，实现成本和质量的最优组合。

4.3 多元化应用，丰富业务

受频率资源和无线带宽的限制，在GSM-R时期主要考虑正线行车业务需求，无法满足铁路其他场景（如编组站、货运站、客运站等）的无线通信需求。引入5G无线通信技术后，要考虑更多场景的需求，逐步丰富铁路5G专网的业务和应用，使其承载更多业务，使铁路5G专网“由专变精”，带动铁路智能化发展。

4.4 营造环境，深化发展

铁路5G专网的发展离不开各方努力，各科研单位、设备生产厂家应联合起来，在关键技术、核心装备等方面深化合作，取得突破，壮大产业链和生态，为铁路5G专网营造健康稳健的发展环境。

5 结束语

当前，铁路专用无线通信正向宽带化演进，结合已冻结的5G国际标准，成熟的产业，匹配的关键技术，尤其是铁路特有的可靠性及高速技术，5G成为铁路无线专网的建设方向。未来，应立足成熟的无线通信技术，抓住铁路智能化发展有利条件，加快铁路5G专网建设，推动铁路技术装备升级，加快铁路装备“走出去”，使铁路成为“中国制造”的璀璨名片。