铁路5G技术创新应用探索

丁建文，孙 斌，郑 鹏，王 玮，代 赛，钟章队

2017年以来,我国高速铁路开始向智能化方向发展［1］。随着智能京张和智能京雄投入运营,标志着我国智能铁路的应用格局已经初步形成。基于物联网、移动互联、云计算、大数据、人工智能等新技术,实现物理高铁与信息通信等数字技术的协同融合,是构建智能高铁的基础［2］。作为落实国家5G新基建战略部署的一项重要举措,铁路5G专网的建设应以业务和应用创新为驱动力,实现人-人通信、人-机通信和机器之间的通信,在车地之间建立面向全场景、全业务、全链接,支持高速移动、高速率、高可靠、高实时、高安全的通信链路。构建铁路5G智能链接,才能确保实现智能铁路各要素的全面感知、泛在互联和融合处理。因此,智能铁路应用场景是5G的一个典型场景,近年来越来越受到国际和国内学术界和工业界的极大关注［3−4］。

国际铁路联盟（UIC）于2012年启动了未来铁路移动通信系统（FRMCS）项目,开始选择GSM-R的替代技术,以应对GSM-R系统设备逐步退网的情况。UIC从业务需求、技术可行性、频率规划等多方面进行了梳理,提出了调度通信、自动列车控制、车地通信、旅客移动性互联网接入服务等68种基本通信业务要求［5］。FRMCS项目将铁路关键安全业务需求通过欧洲电信标准化协会（ETSI）纳入3GPP Rel16及之后的版本,为铁路5G应用提供了参考规范。

从发展趋势与业务需求两方面进行分析,5G通信技术可以与智能铁路发展紧密结合,支持铁路信息化、数字化、智能化发展；5G也将赋予高速铁路更快的速率与更可靠的连接,因此针对高速铁路的应用场景和业务需求,需要发展适合铁路通信的关键技术和创新应用。

1 铁路5G的发展现状与趋势

中国、日本、韩国以及欧洲等的高速铁路网迅速发展,世界范围内的铁路移动通信服务需求也在持续增强。未来铁路将朝着客运服务网络化、安全监控自动化,以及运输组织智能化的方向发展。铁路5G将与云计算、边缘计算、大数据等技术结合,实现铁路车流、人流、物流数据的实时传输和深度挖掘,服务于铁路智能建造、智能装备、智能运营、智慧出行、智慧物流和智慧平台。

1.1 国内外铁路通信发展现状

电子通讯委员会（ECC）于2020年11月17日批准了UIC提出的建议,为欧洲铁路分配了900 MHz频段的5.6 MHz带宽和1 900 MHz频段的10 MHz带宽。UIC于2020年11月正式启动了5G欧洲铁路项目,旨在构建和测试适用于铁路运营的首批5G原型,FRMCS为实现铁路数字化迈出了重要的一步［6］。诺基亚正在与德国铁路（DB）公司合作,为DB在德国汉堡的高度自动化S-Bahn运营项目提供用于列车自动驾驶的5G独立组网（SA）方案,该测试方案将验证5G技术是否足够成熟,能否用作未来数字化铁路运营的通信技术［7］。日本NTT Docomo与日本中部铁路公司合作,在新干线上进行了铁路5G无线传输测试,成功实现了283 km/h速度下列车与基站间稳定的5G通信,以大于1 Gbps的传输速率实现了数据视频的收发,同时实现了高速列车在轨道旁临时搭建的5G基站之间的连续切换［8］。

中国移动于2016年2月成立了5G联合创新中心,联合交通、工业等行业领域的创新群体,共同推进基础通信能力提升,明确行业痛点和业务需求,孵化融合创新应用和产品,为垂直行业提供创新应用与业务解决方案。铁路5G也具备了良好的技术储备:中国铁路于2018年在京沈客专进行了LTE-R系统和承载多媒体调度通信等业务的试验,为开展铁路5G专网研究奠定了良好的基础；国内相关研究机构陆续发布了《智能铁路通信云技术白皮书》《铁路下一代承载网应用技术白皮书》《综合轨道交通5G应用技术白皮书》等［9−11］,探讨了5G技术在轨道交通中的应用需求及关键技术,分析了未来的演进路线和面临挑战。2020年4月,为落实国家新型基础设施建设部署,引领智能铁路发展,国铁集团决策发展铁路5G新一代移动通信系统,开始推进5G技术应用科研攻关,开展铁路5G技术应用研究,申请铁路专用频率,规划进行高速铁路5G专网研究试验及公专融合承载铁路业务试验。

1.2 铁路移动通信的发展趋势

近年来,世界各国铁路均面临着铁路业务定制化、客货运输需求增长快速化等挑战。通过结合新一代移动通信技术,提升铁路系统效率与收益已经成为铁路行业发展趋势。以德国铁路发展为例,德国铁路公司以数字化智能铁路为发展契机,于2016年提出《铁路数字化战略》,深入运营、维护、乘客交互等环节进行技术变革,致力于构造现代化铁路通信系统［12］。与此同时,德国铁路计划2023−2024年进行5G承载铁路业务的试验；2025−2029年在部分区域部署5G,采用900 MHz频段GSM-R系统和900 MHz/1.9 GHz频段5G系统混合组网；2029−2034年大规模部署5G,GSM-R系统所用频谱逐步重耕为5G系统。

国内外铁路积极发展新一代信息技术,并结合铁路业务需求和应用发展方向制定了一系列中长期智能铁路战略规划［13］。从国内看,5G不仅具有良好的商业和政策环境,而且也将成为支撑各行业数字化和智能化转型的关键技术。因此构建铁路5G网络,从铁路5G专网与公专融合的技术路线出发,研究铁路5G创新应用是十分必要的。同时,随着万物互联、数据驱动的数字化时代的到来,世界各国铁路都面临着客货运输需求大幅增长、运输安全泛在化等重大挑战。结合新一代移动通信技术实现铁路智能化已经成为了世界铁路未来发展的重要方向［14］。

2 铁路5G网络侧关键技术

与传统的GSM-R系统不同,铁路5G系统的信息化和智能化水平将大幅提高,需要满足全业务、全场景、全链接、强安全的需求。选择并发展适用于铁路的5G技术,可以赋予高速铁路更可靠的连接、更快的速率、更低的时延以及更广阔的网络覆盖,以满足智能铁路网对宽带移动通信的需求［15−16］。因此,本节将从铁路5G的关键技术出发,分析未来铁路5G专网系统的功能,并探索铁路5G的创新应用方案。

2.1 网络功能虚拟化与软件自定义网络

GSM-R系统中的核心网及无线网设备主要由各个网络实体组成,因此对于GSM-R系统来说,无法实现网元的快速部署和替换。然而,在铁路5G系统中,通过网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）技术,可以实现基于云数据中心的铁路5G网络快速部署。铁路5G NFV架构见图1。铁路系统可基于SDN和NFV的控制域建立一个组件化的核心网络,再由核心网将各网元软件化,并灵活地重建网络功能,例如接入和移动管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、用户面管理功能（UPF）等。同时,采用SDN技术实现铁路5G系统中数据转发域和控制域的完全分离。数据转发域专注于拓扑感知的路由和用户数据的分布式转发,控制域则进行信令面处理和网络集中控制。

图1 铁路5G NFV架构

2.2 多接入边缘计算（MEC）

在高铁场景下,列车的高速行驶面临着信道的快速时变和有效吞吐量的急剧下降；在铁路站场业务场景下,作业范围是一个固定的区域,无线调车业务对时延要求非常敏感,对数据安全和可靠性要求也极高。针对上述场景下铁路5G的新应用,包括车载实时高清视频监控、车载设备状态监测与分析、客运服务、站场作业等,如果将大量的业务数据全部回传至地面云中心进行处理,一方面需要大量的承载网带宽资源,另一方面也会导致较大的时延和网络拥堵,因此需要在网络边缘靠近基站侧或在列车上部署MEC设备,提供更强大的计算能力和更低的处理延迟［17］,通过在本地为时延敏感业务提供服务,减少回传网络的压力。MEC将是铁路5G中的一项新型关键技术,它将云计算的能力扩展到网络的边缘,实现“云网融合,云边协同”,降低列车与地面基站之间、地面基站与核心网之间的带宽要求,提高业务数据传输的实时性。铁路5G网络中MEC集成部署见图2。

图2 铁路5G网络中MEC的集成部署

在铁路5G网络的服务化架构（SBA）中,需要在网络资源功能（NRF）中注册各网元业务并激活。在铁路5G网络中,由MEC平台的服务注册模块注册MEC应用程序提供的服务。服务注册是应用程序启动功能的一部分。

用户平面功能（UPF）对于在铁路5G网络中部署MEC起着关键作用。从MEC系统的角度来看,UPF可以看作是一个分布式的、可配置的数据平面。该数据平面的控制,即流量规则配置,遵循NEF-PCF-SMF路由。因此,在控制面,MEC作为铁路应用系统与核心网控制面对接,调用5G网络提供的能力,同时,可以通过MEC平台（MEP）为边缘应用提供网络能力；在用户面,本地UPF是MEC的一部分,通过N6接口对接MEC主机。铁路MEC可以处理列车高速运行期间生成的高速率传输的数据和铁路站场产生的要求极低时延的数据,使铁路5G系统中的数据处理更加实时高效。

3 铁路5G的应用场景与业务分类

3.1 铁路5G的应用场景

与前四代移动通信系统相比,5G在继续提升人与人之间通信服务的基础上,更侧重于满足人与物之间、物与物之间的通信服务需求,从而更适用于行业应用需求。作为5G的典型应用场景之一,高速移动场景受到学术界和工业界的广泛关注,因此铁路5G具有广泛的应用场景［18］。铁路5G以应用业务为中心,通过实现超宽带、低时延、海量连接等功能,灵活地提供最佳用户体验［19］。随着我国铁路通信技术的发展,车地之间的通信业务需求在不断拓展,列车车况信息远程实时监测、优化控制和自动驾驶、铁路物联网等各种新的业务需求不断涌现并日益迫切。根据铁路5G应用需求,其应用场景主要分为4类:铁路正线连续广域覆盖、铁路站场和枢纽等热点区域、铁路沿线基础设施监测和智能列车宽带应用。应用场景分类与相应特点见表1。相应地,铁路5G业务属性可分为与行车相关业务、运营及维护应用业务、铁路物联网业务和旅客服务业务。

表1 铁路5G的应用场景分类

1）铁路正线场景,包括高铁、客专、普速及货运线路。主要涉及列车与地面各应用系统间的通信。由于列车移动速度快,且通信区域为广域,因此对业务的可靠性要求较高。该场景下的业务主要包括:调度通信业务、行车安全数据业务和车载设备监测数据业务等。

2）铁路站场和枢纽等热点场景,包括大型客运站、动车所、编组场等。该区域内,作业人员密集、车辆密集、业务量大,但用户移动速率低。该场景下的业务主要包括:编组站通信业务、站场维护作业和多媒体通信业务等。

3）铁路沿线基础设施监测场景,包括铁路沿线电务、工务、供电等专业基础设施监测和自然灾害监测等。该场景下的业务为地面基础设施监测数据传送,其主要特点是连接数量大,数据带宽需求小。

4）智能列车宽带应用场景。各车厢间相对为静止状态,车地间业务数据量大,以地-车下行业务为主,例如车厢上网服务、乘客信息系统等。正线无法满足通信需求时,在车站或出入库时进行数据集中传输。

3.2 铁路5G的业务分类

根据铁路行车安全业务对安全性和可靠性等方面的需求,铁路5G系统必须申请相应的专用频率,基于专用频率部署全套的铁路5G专网。但是由于频谱资源紧张,铁路5G专网的现有频段无法满足所有业务,故仍需使用公网授权频谱进行分流。综合考虑,铁路5G系统将采用专网和公网融合架构,协同完成铁路5G中的各项业务。根据不同业务的时延、紧急程度、带宽需求,可将铁路5G业务分配至相应的专网、公网、专网公网融合的架构中。铁路5G业务分类见图3。

图3 铁路5G业务分类

从铁路5G业务的使用范围分析,又可将铁路5G应用业务分为全路业务、路局级业务,以及站场业务。全路业务和路局级业务包括CTCS-3级列控业务、多媒体调度通信、调度命令无线车次号校核传送、车车通信列车接近预警、超视距轨道环境监测预警等；站场级业务包括站场无线调车、无感进出站、室内精准定位、可视化生产指挥调度等。

4 铁路5G的创新应用方案

结合铁路5G的不同组网方式,提出以下典型应用方案。例如,基于铁路5G专网的创新应用:多媒体调度通信和下一代列控信息传送；基于铁路5G公专网融合的创新应用:基于车车通信的列车接近预警信息传送；基于5G公网的铁路创新应用:基于5G的列车多媒体信息服务。

4.1 基于铁路5G专网的创新应用

4.1.1 多媒体调度通信

基于铁路5G的多媒体调度通信不仅能够解决语音传输,还可以支持铁路通信中的视频传输业务。通过任务关键型通信（MCx）系统,可以实现铁路5G专网用户之间的语音、数据和视频通信,5G专网与GSM-R、铁路有线调度通信等系统的语音业务互联互通。图4给出了铁路5G专网系统中的MCx组网,平台层以铁路5G专网、SIP核心（SIP Core）为承载,实现通信业务处理和智能分析,形成一套完整的应用服务平台。多媒体调度通信将支持更加丰富的终端类型,例如行车调度台、多媒体手持终端等。在全IP传输的模式下,铁路5G的多媒体调度通信能够支持调度台、手持台等多类终端间的语音单呼与组呼、视频单呼与组呼、紧急呼叫、文本数据传输等多样化铁路通信专用业务。基于铁路5G专网的多媒体调度通信相比基于GSM-R的传统有线调度通信系统,在以下方面有所提升:由纯语音通信变为语音、视频通信,能够实时可视行车运行状态；接入地理信息系统（GIS）地图,能够更直观地动态展示列车运行状态信息；在呼叫建立时延、话权抢占时延、语音质量等体验质量（QoE）性能指标方面有质的提升,呼叫建立时延能够在1 s内完成,极大地提高了用户体验。

图4 基于铁路5G专网的多媒体调度通信

4.1.2 下一代列控信息传送

列车运行控制系统是保障高铁安全高效运行的核心装备,是指挥列车运行的控制中枢。作为国际公认的发展方向,下一代智能列控系统将充分利用卫星导航技术、宽带移动通信技术等,实现减少轨旁设备、多元融合测速、移动闭塞和车车协同智能控制［20］。

我国铁路自2009年以来,已经实现了基于GSM-R的CTCS-3级列车运行控制系统,未来需要向铁路5G专网承载的下一代列控系统演进。考虑到车载终端设备的更新改造进度和网络建设进度,需要实现从GSM-R网络承载向铁路5G专网承载的平滑过渡、GSM-R线路与铁路5G专网线路无缝切换；同时,支持无线链路冗余,保障系统的可靠性和数据传输的实时性。通过铁路5G专网承载下一代列控安全信息传输,其系统架构见图5。基于铁路5G专网的下一代列控系统由车载设备和地面控制器构成。车载设备无线传输单元实现铁路5G专网链路建立、保持、监视通信链路及数据传输等功能；车载设备通过卫星定位和列车完整性检查,将车载定位信息通过5G专网发送到地面控制器；地面控制器根据前后车位置、线路信息等计算出行车许可,发送给车载设备。

图5 基于铁路5G专网的下一代列控安全信息传输

根据下一代列控系统的总体需求,需实现移动闭塞和列车主动防护。在移动闭塞中,地面控制器基于列车向地面设备发送的列车位置信息、列车长度和列车完整性信息来判断列车占用轨道资源的情况。在列车主动防护中,通过铁路5G专网提供的全IP通道,前车可以将位置、状态等信息通过车车通信发送给后车,使后车增加了获取前车位置的渠道,综合地面设备发送的信息,增强了主动防护能力。下一代列控信息传送对铁路5G专网的可靠性、可用性提出了更高的要求。

4.2 基于公专融合组网的铁路5G创新应用

基于车车通信的列车接近预警信息传送系统通过公专融合的方式实现实时通信,通过点对点或点对多点数据传输,实现车车间的位置信息传送,其系统架构见图6。其中,公专融合组网可分为无线和有线两部分。无线侧包括铁路5G专网和5G公网网络切片；有线侧通过安全网关为应用系统在铁路内网和5G公网之间传输实时数据。

图6 基于车车通信的列车接近预警信息传送系统架构

列车在开车前通过铁路5G网络向当前列车位置控制器（TLC）注册,利用GNSS全球定位系统并结合多传感器技术实现列车自主定位,采用车地间5G无线通信技术实现信息传输。位置信息主要包括列车运行速度、方向、公里标、线路号、时间戳等。列车位置控制器可以结合线路号和其余在途列车所上报的位置信息进行综合检测和分析,实时向当前列车汇报其前/后车的关联关系。当前列车根据列车控制器反馈的前/后车关联信息,进行位置报告,对自身所处位置进行预警逻辑运算。通过列车位置控制器,列车可动态计算与前/后车的距离,当车-车间距离小于预设安全门限时,列车司机可获得预警提示。

4.3 基于公网的铁路5G创新应用

5G作为先进的移动通信技术,可以服务于智能铁路智慧出行服务,为旅客列车提供多媒体信息服务、旅客5G上网服务、高清视频转播、智慧观赛等。未来冬奥会时,可以在动车组上进行基于5G网络的赛事超高清直播。由于旅客列车多媒体信息服务的下行带宽需求大、安全性要求较低、与行车业务无关,因此可以通过5G公网来承载相关业务。

基于5G的列车多媒体信息服务系统通过列车中心服务器中的5G公网模块和车载天线接入铁路沿线公网5G网络,从视频直播源运营平台实时获取视频源,经多个运营商5G网络汇聚后,发送到车载平台,车载平台进行直播流的分发、汇聚、拉流和编解码,通过车厢内无线局域网为旅客提供直播和转播服务。其系统架构见图7。车载平台由中心服务器、单车服务器、AP、车载多频段天线和交换机等组成。其中,中心服务器同时接入多个运营商5G公网,实现直播流的拉流和动态缓存,同时将直播流分发给各个车厢的单车服务器,单车服务器通过WiFi AP为旅客提供视频流的直播,并可根据需求进行视频流切换。

图7 基于5G的列车多媒体信息服务系统架构

5 总结与展望

在高铁移动通信领域,我国已经从GSM-R领域的跟随者逐步转变为铁路5G网络的领跑者。将5G技术引入铁路通信,能够使GSM-R时代很多只能展望的应用业务逐步实现,同时提升了铁路通信业务的灵活性和场景适应性。基于铁路5G专网和公专融合的各项创新应用能够满足智能铁路的发展要求,有效提升高速铁路的安全性、可靠性和运营效率,促进铁路智能化和智慧化的实现。本文根据铁路5G网络的发展趋势和当今高速铁路智能化发展的业务需求与挑战,分析了适合未来铁路发展的5G关键技术,给出了基于铁路5G的典型创新应用方案。未来铁路5G的发展需要坚持融合创新的理念,以解决铁路多种多样的业务需求为导向,从而打造可管、可控、可信、可测、可视、可靠的新一代宽带移动通信系统。