5G-R无线通信系统承载重载铁路机车同步操控业务研究

庞萌萌

重载铁路是我国铁路重要的运输方式之一，是提高铁路货运能力的主要方向。重载运输的主要特点是利用多机车牵引，加大列车重量（万t以上）、加长列车编组（千米以上）和实现全程直达运输，充分发挥铁路集中统一调度，适用于大宗商品长距离、全天候运输优势，提高铁路运输能力和效率［1］。从上世纪八十年代，我国铁路就瞄准了世界铁路科技发展前沿，把重载运输作为主攻方向。2006年3月28日，我国第一条重载铁路——大秦铁路，正式开行了2万吨重载组合列车，此后，朔黄铁路（2万t）、瓦日铁路（1万t）、蒙华铁路（1万t）等多条重载铁路相继开通［2］，我国重载铁路形成规模化发展，并形成一整套具有自主知识产权的重载运输技术装备体系，有效推动了我国的煤炭及矿产的运输发展。

无线通信在重载铁路运输及安全生产过程中起着至关重要的基础保障作用，尤其为重载铁路多机车之间的机车同步操控起到了重要的通信保障作用。机车同步操控是指当列车编组中的机车数量大于1时，为了使列车安全稳定运行，对各机车的控制必须实现同步，如同步加速、同步制动等，否则容易引起机车之间的挤压或者脱钩，造成列车运行事故。目前只有2万t及以上运量的重载列车需具备机车同步操控业务实现多机车牵引，如大秦铁路和朔黄铁路。大秦铁路采用GSMR无线通信系统承载机车同步操控业务，朔黄铁路采用LTE无线通信系统承载机车同步操控业务。

无线通信制式持续进行技术迭代、制式演进，2020年初，国铁集团经过业务需求分析、技术方案和经济效益比选，结合我国加快5G网络等新型基础设施建设的决策部署，基本明确了5G专网的系统建设目标［3-4］。5G具有大带宽、大连接、低时延等优势，可实现人与物、物与物的泛在互联，是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施［5］。承载重载铁路机车同步操控业务的无线通信系统也随之进行演进，且由于GSM-R系统面临产业链萎缩等实际情况，因此，研究5G-R系统承载重载铁路应用是非常迫切且十分必要的。

1 机车同步操控业务

机车同步操控业务是指利用5G-R系统为同一编组的重载组合列车的主控机车和从控机车，与地面设备之间提供无线数据传输通道，传输数据包括机车同步操控信息、状态信息等。

同一编组的各个机车均设置车载设备，车载设备通过5G-R网络与地面设备建立无线通信链路，携带机车号和车次号向地面设备注册。车次号标识同一编组的一个数据会议组，机车号标识同一编组的不同机车。地面设备通过查看车次号和机车号信息，将同一编组的主控机车车载设备与从控机车车载设备编在一组，形成一个数据会议组，会议组以车次号标识，会议组内成员以机车号进行区分。车载设备可通过注册/注销加入/退出特定编组。地面设备的主要功能为安全认证、组建数据会议组、转发主从机车车载设备间的控车信息，且只允许组内的机车之间传递数据［6］。

2 5G-R系统承载机车同步操控业务组网方案

2.1 组网架构

5G-R系统包括核心网、无线接入网（RAN）、用户设备（UE）、运营与支撑系统（OSS）、应用接口/接入管理设备等5部分［7］，实现机车同步操控业务主要应用到前4部分功能，组网架构见图1。

图1 铁路5G-R系统承载机车同步操控业务组网架构

2.1.1 核心网

核心网需配置以下网元：接入和移动管理功能（AMF），实现接入管理和移动性管理；会话管理功能（SMF），实现会话管理；统一数据管理（UDM），实现用户数据管理与业务管理；认证服务器功能（AUSF），实现鉴权管理；用户面功能（UPF），实现数据路由转发。上述网元均可采用网络功能虚拟化（NFV）架构部署［8］，网元之间采用服务化接口。核心网网元需采用冗余部署方式［9］，冗余的网元部署在不同的数据中心（DC）内。

通过地面设备转发主从机车车载设备之间的控车信息实现重载铁路机车同步操控业务，地面设备需与核心网中的UPF网元进行互联。

2.1.2 无线接入网

无线接入网负责提供无线覆盖，包括基站、天线与馈线、漏泄同轴电缆等。重载铁路沿线需设置5G-R基站提供无线信号连续覆盖，开阔区利用天线覆盖，隧道等弱场区域利用漏泄同轴电缆覆盖。5G-R基站为分布式基站，由基带单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）组成，或由集中单元（CU）+分布单元（DU）+射频拉远单元（RRU）组成。

为保障重载铁路应用业务，尤其是机车同步操控业务的可靠性，无线接入网需进行冗余组网。目前较为成熟的无线接入网冗余组网方案［10］有2种：①单BBU无线组网，即只有RRU进行冗余，BBU/CU+DU不冗余；②双BBU冗余无线组网，即BBU/CU+DU和RRU均进行冗余。建议重载铁路考虑第2种可靠性比较高的冗余组网方式，即主备双套BBU/CU+DU异址设置，每个位置组（站址）设置2套RRU，RRU可共用站址和天线，同址的2套RRU同时工作，双套BBU/CU+DU为主备工作方式，双套设备之间设置心跳检测进行故障切换。BBU/CU+DU与核心网中的AMF、UPF网元全连接。

2.1.3 用户设备

重载铁路主从机车需配置车载终端（具备5G-R数据分组功能），实现机车同步操控业务的数据传输。在重载列车跨不同制式的无线网络覆盖线路的情况下，车载终端需配置为5G-R/GSM-R双模或5G-R/LTE双模方式，实现跨线路的平滑通信。

2.1.4 运营与支撑系统

运营与支撑系统包括网络管理、终端数据管理、密钥及终端安全管理、网络数据管理、监测、智能管控平台、维修工装等设备/功能单元，面向运维人员提供设备管理、数据管理、SIM卡管理、监测数据采集与分析等功能，重载铁路可根据运维需求进行配置［11］。

2.2 业务实现方式

2.2.1 数据路由

机车同步操控业务以分组域数据方式承载，在考虑地面设备只与归属局UPF互联的情况下，机车同步操控业务需要将会话锚点建立在归属局UPF，数据路由需经过归属局UPF到达地面设备，具体数据路径如下：

1）非漫游方式下，归属局gNB→归属局UPF→机车同步操控系统地面设备。

2）漫游方式下，拜访局gNB→拜访局UPF→归属局UPF→机车同步操控系统地面设备。

会话锚点的建立与数据网络名称（DNN）相关，可为机车同步操控业务分配独立的DNN，并在DNN设置中标明归属地路由信息。

2.2.2 会话和服务连续模式

5G-R网络支持3种会话和服务连续（Session and Service Continuity，SSC）模式，分别为SSC模式1、SSC模式2和SSC模式3。

SSC模式1：始终支持业务的连续性，整个协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话过程中，用户IP地址不变，作为PDU会话锚点的UPF也是不变的。

SSC模式2：因存在跨局漫游等情况，网络会释放旧的PDU会话和IP地址，重新建立一个新的PDU会话，可能会选择一个新的UPF，分配新的IP地址。

SSC模式3：因存在跨局漫游等情况，在旧的PDU会话释放之前，通过新的PDU会话锚点建立新的连接，之后再释放旧的PDU会话，以此来保证会话和业务的连续性，这个过程中用户IP地址会发生改变。

由于机车同步操控业务始终将会话锚点建立在归属局，因此SSC模式设置为SSC模式1，即在跨局漫游过程中，会话锚点不变。相应的车载终端的IP地址在跨局过程中也不改变。

2.2.3 IP地址分配

1）SMF静态/动态分配方式

车载终端的IP地址可由SMF静态/动态分配，建立PDU会话时，SMF根据DNN对应的IP地址分配要求，静态/动态分配IP地址。车载终端在向地面设备注册时，携带机车号、车次号、IP地址等信息，地面设备利用上述信息维护同一列重载列车的机车会议组信息。地面设备转发控车信息时，将机车会议组信息直接转发至对应的IP地址。

SMF静态分配方式的优点为：模块的IP地址不变，在脱网重新入网后，仍然是原来的IP地址；缺点为：需要在网络中预置大量的IP地址，资源固化，利用率较低。

SMF动态分配方式的优点为：IP地址运用较为灵活，无需预置数据；缺点为：终端在脱网重新入网后，网络可能会分配新的IP地址，进而可能影响地面设备对会议组的维护。

2）RADIUS动态分配方式

车载终端的IP地址可由远程用户拨号认证服务（RADIUS）进行动态分配，在图1的网络架构中需要增加RADIUS网元和DNS网元，用于解决上述SMF静态/动态分配IP地址的不足。RADIUS与SMF互联，DNS、RADIUS与地面设备互联。5G-R系统承载机车同步操控业务增强型网络架构示意见图2。

图2 铁路5G-R系统承载机车同步操控业务增强型网络架构示意

在PDU会话建立时，SMF在处理会话请求时，对由机车号组成的用户名和密码进行二次认证，RADIUS进行用户层面的认证，并为模块分配动态的IP地址。RADIUS生成机车号域名与所分配IP地址的对应关系，并向DNS发起动态域名注册。车载终端在向地面设备注册时，携带机车号、车次号、IP地址等信息，地面设备利用上述信息维护同一列重载列车的机车会议组信息。地面设备根据机车号域名查询DNS，得到对应的IP地址，再转发控车信息。

该分配方式的优点为：IP地址运用灵活，且避免了终端掉网重新登录后IP地址变化的风险。缺点为：地面设备转发信息时增加了网元节点，处理时延会有所增加。

IP地址分配是分组域数据业务中重要的环节，分配方式也与业务的可靠运用息息相关，上述3种方式均可满足业务需求，在应用中还需根据具体场景进行分析后选定。

3 工程应用方案

对于新建重载线路，5G-R系统的工程应用较为简单，地面网络建设完成后，车载终端配置具备数据传输功能的5G-R无线通信模块即可。对于既有重载线路改造为由5G-R网络承载机车同步操控业务，则情况比较复杂，下面分别以采用GSM-R网络的大秦线和采用LTE-R网络的朔黄线为例，分析探讨重载线路的改造情况。

3.1 大秦线改造

3.1.1 既有网络

大秦线利用GSM-R系统电路域数据承载机车同步操控业务，主要的核心网网元MSC为主备冗余设置，无线网为同站址双网冗余覆盖，双网为主备的工作方式。同一机车的2个机车同步操控车载终端采用主备工作方式，正常情况下只有主用侧工作。

3.1.2 5G-R网络建设方案

大秦线GSM-R系统改造为5G-R系统，可分别建设5G-R核心网和无线接入网，并对车载终端进行相应改造。5G-R核心网在路局集中部署且冗余组网，按图1所示的双BBU冗余无线组网方式新建5G-R无线接入网，替代既有GSM-R网络。5G-R无线接入网可利用既有GSM-R无线网的站址和杆塔资源。

3.1.3 机车同步操控系统地面设备改造

1）接口及协议改造：既有地面设备通过E1接口与GSM-R网络MSC互联，通过电路域数据交换协议实现数据传送，GSM-R网络改造为5G-R网络后，地面设备需通过IP接口与5G-R网络UPF互联，通过IP协议实现数据传送。

2）兼容性升级［12］：如既有线路较长，5G-R网络可能分段建设，则地面设备需要兼容GSM-R和5G-R两种网络制式，除增加上述针对5G-R制式的接口和协议外，还需要增强数据会议组的处理机制，能够将同一编组、处于不同制式的多个机车加入数据会议组，将基于GSM-R方式的车次号+机车号+移动台综合业务数字网号码（MSISDN）、基于5G-R方式的车次号+机车号+IP地址2种方式的会议组注册/注销信息兼容管理。

3.1.4 机车同步操控系统车载终端改造

机车同步操控系统车载终端包括控制单元（CIU）+车载通信单元（OCU）。OCU需要改造为双模，增加5G-R车载模块或者将既有GSM-R模块升级为双模模块；CIU应能够识别5G-R与GSM-R网络的分界点（公里标等位置信息），控制OCU工作在相应的网络制式下。机车同步操控系统车载终端改造示意见图3。

图3 机车同步操控系统车载终端改造示意

3.2 朔黄线改造

3.2.1 既有网络

朔黄线利用LTE 网络进行无线信号覆盖，2套核心网采用负荷分担方式工作，无线接入网在同一站址设置2套独立基站，分别接入主备核心网，形成双层网络。同一机车的2个机车同步操控车载终端分别附着在一个网络同时工作，相同的机车同步操控信息通过2个终端分别发送至地面设备，实现了无线链路的冗余。

3.2.2 5G-R网络建设方案

朔黄线LTE系统改造为5G-R系统，可分别建设冗余的5G-R核心网和无线接入网，并对车载终端进行相应改造。无线接入网可利用既有的站址和杆塔资源。

5G-R无线接入网可采用图1所示的双BBU冗余无线组网方式，考虑到与既有LTE双网模式相匹配，5G-R无线接入网也可采用双网冗余的组网方式，如图4所示。A网和B网分别采用不同的频段，且为负荷分担的工作方式，机车同步操控信息可以在A、B网中分别传送，提高业务的可靠性。

3.2.3 机车同步操控系统改造

机车同步操控系统的地面设备需要进行接口和协议适配升级，车载终端需要进行5G-R/LTE双模改造，与3.1节类似，不再赘述。

4 结束语

铁路5G专网作为我国铁路新一代移动通信系统的演进方向，其系统架构、系统功能、系统性能、组网技术等问题已逐步形成系统性、阶段性成果，但仍需进一步研究其在具体线路场景中的应用。我国有高速铁路、重载铁路、普速铁路等多种应用场景，重载铁路作为其中一种重要的应用场景，未来将通过5G-R系统实现机车同步操控等与行车安全密切相关的业务。本文通过研究，形成了初步的适用于重载铁路的5G-R网络架构、业务实现及工程应用方案，而如何运用网络切片、边缘计算［13-15］等5G特有的技术优势，并将重载铁路既有移动通信系统承载的业务平滑迁移至新建的5G-R系统，是未来继续深化5G-R系统应用于重载铁路的研究方向之一。