大秦鐵路下一代移動通信系統建設方案探討

王 芳，任 和

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．中國鐵路太原局集團有限公司電務部，太原 030013)

1 建設必要性

大秦線是國內第一條開行重載組合列車的雙線電氣化鐵路，是為西煤東運而修建的運煤專用干線鐵路，其運量逐年增長，目前年運量達4.5億t。大秦鐵路專用移動通信系統為重載組合列車機車同步操控提供車地無線通信傳輸通道，為大秦線運輸生產指揮提供有力的通信保障。

大秦鐵路現有專用移動通信通過鐵路數字移動通信系統（GSM-R）實現，其無線子系統采用同站址雙基站覆蓋方式，機車同步操控業務對無線信道需求量較大，目前的GSM-R網絡基站間距小，基站載頻數量配置較多，且同站址雙基站采用相同數量的頻率配置，頻率利用非常緊湊，沒有預留頻點，這給大秦線本身及鄰近GSM-R線路的頻率規劃和優化帶來相當大的難度。

大秦線GSM-R無線子系統A、B網分別于2004年和2006年建設完成，2009年進行4億t補強，加密基站，A網于2018年完成了設備更新改造。B網無線設備已到更新改造年限，探討更新改造時采用的系統制式及組網方案已提上日程，綜合考慮GSM-R系統的生命周期及大秦線既有和新業務的需求，B網適合改造成鐵路下一代移動通信系統。

2 建設可行性

2015年，中國鐵路啟動了對鐵路下一代移動通信的技術研究，于2018年發布了《鐵路下一代移動通信業務和功能需求暫行規范》及LTE-R系統需求及組網技術要求，并進行了高速鐵路線上試驗驗證，同年，中國國家鐵路集團有限公司開始鐵路5 G移動通信應用技術研究，對5 G技術在國內外的發展現狀和走向，5 G適用于鐵路典型工作場景的切片技術、頻譜效率、邊緣計算等關鍵技術及技術指標，5 G技術適合鐵路使用的應用場景等方面開展深入研究。2019年，開始2.1 GHz頻段頻率的研究及申請工作，計劃2021年中期發布鐵路5 G業務和功能需求、系統需求及工程建設暫行規范，并爭取在2022年開始建設試驗線。

綜上，應積極探討大秦鐵路下一代移動通信系統建設方案，為將來的工程實施做好技術準備。

3 系統制式

考慮到5 G技術成熟時間與歐洲鐵路通信的規劃相適應，歐盟已計劃采用5 G技術作為下一代移動通信系統的技術演進路線。隨著5G成為國內“新基建”的重點之一，鐵路下一代移動通信系統如采用5 G技術，將為鐵路帶來新的發展契機，并可帶動鐵路沿線整個5 G產業的發展。本論文以5G系統為例，探討大秦鐵路下一代移動通信系統的建設方案。

4 網絡架構

4.1 系統構成

大秦線5 G專網系統應包括核心網、無線接入網（RAN）、用戶設備（UE）及運營與支撐系統（OSS）4部分。

核心網采用服務化網絡架構及軟件定義網絡/網絡功能虛擬化（SDN/NFV）技術，具有業務虛擬隔離（網絡切片）、轉發與控制分離、功能分布式部署、基礎設施云化等核心特征。RAN由基站（gNB）構成。UE由移動設備（ME）和通用用戶識別模塊（USIM）構成，包括機車綜合無線通信設備（CIR）、作業手持臺（OPH）、通用手持臺（GPH）及其他類型的終端。OSS由網絡管理、信令與業務數據監測、數據及USIM卡管理、終端安全管控、其他功能等設備構成。大秦線5G專網系統構成如圖1所示。

4.2 系統組網

1）核心網

考慮中國國家鐵路集團有限公司的用戶規模和管理體制等因素，全路宜統一建設5 G專網核心網。5 G核心（5GC）原生支持（NFV），因此5GC網絡應采用云化方式部署，實現資源的統一編排、靈活共享。對于核心網組網，可以采用大區集中與按局集團公司部署兩種方式。

第一，大區集中式組網。核心網控制面功能網元遵循虛擬化、大容量、少局所、集中化原則，集中部署在大區數據中心，全路可設置若干個大區，每個大區負責若干個局集團公司的5 G專網業務，局集團公司層面部署用戶面功能（UPF）網元，UPF基于業務應用場景，分層部署在局集團公司、樞紐、站場層面。

第二，按局集團公司組網。集中設置全路共用設備，5GC控制面功能網元部署在各局集團公司。用戶面功能（UPF）網元基于業務應用場景，部署在局集團公司、樞紐、站場層面。

方案比選：大區集中式組網架構的優勢在于集約和統一，包括核心控制面功能網元統一部署與管理，信令處理資源共享和全國性業務統一制定發放；同時，控制面功能網元高度集中將有助于減少UE移動過程中接入管理功能/會話管理功能（AMF/SMF）重選帶來的性能影響。但是，大區集中式組網也存在不足和挑戰，首先，控制面高度集中將直接影響控制面時延性能，可能無法滿足低時延業務需求；其次，控制面功能網元高度集中需要大量的承載網資源；最后，對容災提出了較高的要求。以局集團公司為單位統一建設局核心網，與中國鐵路生產組織架構相適應，可以沿用現有運維管理模式及經驗，各局可靈活開展業務，但資源利用率相對較低。

圖1 大秦線5G專網系統構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of 5G private network system composition for Datong-Qinhuangdao railway

2）無線接入網

估算小區邊緣吞吐量進行鏈路預算，并進行空間波和漏纜覆蓋預測，可得出理論上的基站間距。對于大秦線來說，如果能利用既有GSM-R基站站址進行5G專網系統的無線覆蓋，無疑是比較理想的，既可以節省投資，又可以加快更新改造進度。大秦線正線653 km，建有153處GSM-R基站，平均基站間距為4.3 km，采用2.1 GHz頻段、2×10 MHz系統帶寬、頻分雙工（FDD）制式部署5 G基站時，如果完全利用既有GSM-R基站站址，不考慮新增站址，在終端發射功率為200 mW的情況下，需要以犧牲小區邊緣速率為代價，即在小區邊緣，5G系統只能承載與行車相關的業務及部分重要的運營及維護應用，可能無法承載相關的視頻應用。

5G系統主要采用分布式基站，對于2.1 GHz頻段，目前主要提供基帶單元（BBU）+射頻拉遠單元（RRU）+傳統天線形態的基站設備。大秦線5 G專網系統無線接入網組網需要考慮諸多因素，既有GSM-R無線覆蓋采用同站址雙基站冗余方式，將GSM-R無線子系統B網更新改造為5G系統后，5 G系統本身采用冗余組網方式，還是與剛剛更新改造完的GSM-R無線子系統A網形成冗余覆蓋，需要進一步分析論證。如果考慮與既有GSM-R系統形成冗余，則5 G系統基站配置只要滿足“任一單板或模塊故障時gNB仍能提供服務”的要求，采用非冗余組網即可。非冗余組網可以有兩種方式，一種為一套BBU帶一套RRU，同址設置，將分布式基站比照宏基站對待進行部署，這種方式需要的BBU及相應的承載網設備多、投資高，但網絡可靠性高；另一種方式為一套BBU帶多套RRU，RRU分布式部署，BBU與RRU之間環型組網，這種方式需要較少的BBU及相應的承載網設備，但BBU與拉遠的RRU之間需要較多的光纖資源，投資低，網絡可靠性較高。

如果考慮5 G系統建成以后，既有GSM-R無線子系統A網逐步退網，則5 G無線接入網需要冗余組網。在2×10 MHz系統帶寬條件下，可以考慮單基站冗余組網或單RRU冗余組網，這種組網方式可靠性高；也可以考慮跨BBU冗余組網，跨BBU冗余組網可以是比照宏基站部署形式，也可以是分布式部署形式，這種組網方式主、輔BBU需要同站址部署，因此可靠性較高。但目前5 G系統設備廠家尚不支持跨BBU冗余組網方式，需要根據鐵路需求定制開發。

5 互聯互通

新建的5 G專網系統需要與既有的鐵路有線調度通信系統互聯，實現有線、無線統一調度，互聯通過核心網設置的網關設備完成，調度交換機側利用既有類型的接口互聯，不需要對既有調度系統進行升級改造。

5 G專網系統需要與既有的GSM-R系統互聯，實現兩個系統用戶之間的通信，同樣，互聯通過核心網設置的網關設備完成，移動交換中心（MSC）側利用既有類型的接口互聯，不需要對既有GSM-R系統進行升級改造。

5 G專網系統與既有調度集中（CTC）系統的互聯，可以通過既有GPRS接口服務器（GRIS）設備完成，需要對既有GRIS進行硬件改造，同時需對其部分軟件和配置數據進行修改。

當采用5 G專網系統承載機車同步操控及可控列尾業務時，機車同步操控信息傳送系統側理論上可不再設置地面接入節點（AN）設備。當仍考慮設置AN時，同一臺AN設備可同時與5 G專網系統及GSM-R系統互聯，同時處理分別由5 G專網系統和GSM-R系統承載的機車同步操控及可控列尾業務。對于同一列組合列車的主控和從控機車，當部分由5 G承載業務，部分由GSM-R承載業務時，能否實現通信，有待試驗驗證。5 G專網系統可通過既有GRIS設備與AN設備互聯，也可新設應用業務統一接入平臺實現與AN及CTC設備的互聯。

大秦線單元列車需要實現雙模貨物列車尾部安全防護信息傳送，雙模列尾系統的設備主要包括列尾機車臺、列尾主機，以及機車車號確認儀、列尾主機檢測臺、出入庫檢測設備等，這些設備都是作為5 G專網系統的用戶設備在工作，在5 G核心網側不存在與雙模列尾系統的互聯互通。

5 G專網系統建成以后，可以承載之前GSM-R系統無法承載的寬帶業務，如車載監測信息傳送。車載監測信息可以通過車載寬帶綜合傳輸平臺（WTP）實現，此平臺在地面設置監測信息GPRS接口服務器（M-GRIS），5 G專網系統的UPF設備與M-GRIS互聯，M-GRIS與WTP系統的地面接入網關互聯，地面接入網關與業務系統地面設備互聯，進而實現WTP通過5 G專網系統與業務系統地面設備之間的信息交互。

可考慮在湖東、柳村南等編組場設置邊緣核心，將UPF下沉，并設置移動邊緣計算平臺（MEC），滿足編組場大容量低時延應用業務需求，邊緣核心通過MEC與編組場的應用業務系統互聯。

6 工作方式

在5 G專網系統與GSM-R系統共存的情況下，如何實現兩個系統正常情況時，其中一個系統滿載、檢修、升級或故障時應用業務的承載，是需要探討的問題。

要實現5 G專網系統與GSM-R系統之間的冗余備份，首先，用戶設備需要采用雙模終端，支持兩種系統制式5 G/GSM-R，雙模終端包括手持臺、CIR、機車同步操控車載通信單元（OCU）、可控列尾等，對于WTP，除了支持5 G/GSM-R，還將支持公網3 G/4 G/5 G等通信模式。其次，在核心網側，應用業務系統地面設備需要同時與5 G和GSM-R兩個系統互聯。

5 G與GSM-R兩個系統可以工作于主備方式，即正常情況下，所有應用業務由5 G專網系統承載，當5 G某一處基站故障，此基站下的手持臺、CIR、WTP等終端正在進行的業務將中斷，但隨即終端將注冊到GSM-R系統，在GSM-R網絡下開展業務，當終端運行到5 G系統下一處正常的基站，可通過配置，返回5 G系統工作，或繼續工作于GSM-R系統。對于OCU和可控列尾等涉及行車安全的終端，則需要雙模同時工作，應用業務系統同時接收來自5 G和GSM-R系統傳送的應用業務信息，并優先使用5G系統傳送的信息。