融合5G鐵路全連接智能信息網絡研究

劉默涵 曲成昊

【摘要】 ? ?5G新技術將改變鐵路信息網絡。本文通過對5G技術進行研究結合鐵路信息網絡的業務需求，提出了適用于鐵路信息網路的全連接解決方案， 并對融合性進行了研究。

【關鍵詞】 ? ?鐵路信息網絡 ? ?5G ? ? 切片

一、概述

國家新基建發展的新理念，將會引領以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型和智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系建設的發展思路。而鐵路網的建設（特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通建設）以及鐵路網輔助應用（高清晰視頻監控、高精度鐵路網管控、高質量人臉識別對鐵路系統的智能監控、高體驗的鐵路票務系統服務、高效率鐵路智能倉儲配送）都需要與新技術網絡進行結合，推從5G網絡與鐵路高質量應用發展相結合，實現信息基礎設施在鐵路實體基礎設施建設的深度融合，發展出5G網絡+鐵路應用服務網絡的融合基礎發展和創新基礎發展，實現十四五計劃中鐵路網絡服務滿足國家新基建和戰略層面發展的需求。

隨著智能鐵路的發展和物聯網技術的普及，鐵路基礎設備設施監測檢測的業務需求使得越來越多的設備通過各種網絡技術實現了數據回傳，2、3、4G網絡已經為鐵路發展提供一張基礎的物聯網。這張網已經提供了包括在鐵路網應用的終端管理、數據傳輸安全、SIM卡管理等基本管理能力，解決了鐵路網的分散獨立發展的瓶頸，完成了鐵路信息網絡海量終端的有效管理，實現了鐵路在生產、運營、監控和服務方面的網絡應用承載和集中核心管理的能力。

二、5G網絡特性在鐵路服務中的應用支撐

5G 具有三大網絡能力：增強型移動寬帶（eMBB，簡稱大帶寬）、低時延高可靠通信（uRLLC，簡稱低時延）及海量機器類通信（ mMTC，簡稱大連接）。這些特性在千行百業中發揮了重大的信息化、數字化轉型的強有力的支撐，同樣在鐵路信息網絡的發展中也有廣大的應用發展空間。

5G的高帶寬特性是來源于在5G網絡中應用了新型64通道的大規模天線應用，同時采用了新型的波束賦形的技術，讓5G網絡在應用承載中的頻譜利用率有了很大的提升，同時在5G基站的配置中采用了DU/CU分離的結構設計理念，讓5G基站的基帶資源得到了共享，并實現了無線接入的切片和云化的能力。這些技術都為5G的高速率帶寬打下了技術基礎，在5G網絡中的應用上傳和下載速率有了極大的提升：

在5G網絡的典型配置下，5G網絡單點下行峰值容量可達5.2Gbps，上行峰值容量761Mbps，這為5G行業應用提供了新應用速率支撐，針對單用戶上下行峰值分別為190Mbps和1.74Gbps，相比4G網絡的上下行速率，提高了上行速率提升了10倍、下行速率提升了100倍。這就給鐵路信息網絡應用的拓展提供更大的空間，以往的鐵路高清視頻監控、鐵路自動無人巡檢、鐵路遠程會診維修都需要高帶寬上行，而鐵路應用由于與鐵路機車的移動性、鐵路的覆蓋廣特性影響，無法按照其他行業通過專線、裸光纖等固定數據能力進行網絡部署，而4G網絡的上行帶寬在沒有網絡特殊保障的情況下往往只能達到5M～10M的帶寬，對于高清視頻監控、高清設備視頻維修檢測、高清巡檢都需要大于20M的帶寬上行帶寬傳輸，原有的4G物聯網無法支撐這種移動性的高帶寬視頻承載，而5G網絡的基站特性為行業應用提供了100M～200M的上行特性，從而就能結合視頻監控終端、視頻檢查設備的升級到5G模組的植入，在產業鏈形成5G端到端的鐵路高清視頻監控網。

鐵路信息網絡承載鐵路北斗基礎設施檢測、應急處置綜合管理應用、機務段運營統一管理等應用，同時還承載著聚合支付、應急通信等基礎服務，這就要求有相應的低時延和數據隔離的安全保障。隨著5G網絡的應用廣發性提升，低時延和安全隔離性也成為行業對高科技網絡的迫切需求。

5G切片技術就是在解決行業應用中對遠程低時延控制和網絡專用、網絡隔離的需求中應用而生的，5G網絡使用了多重隔離技術，這些隔離技術可以靈活的應用組合，構建不同隔離等級的軟/硬切片，滿足不同應用和不同行業對網絡隔離的需求：

無線切片隔離：可以采用不同頻段的硬隔離，也可以采用基于切片優先級調度的軟隔離，同時采用切片的接納控制手段對無線側的RB QCI等無線資源和QoS保障等級的控制;

承載切片隔離：可以采用FlexE的能力進行傳輸網的硬隔離，可以用使用SR VPN的技術實現邏輯軟隔離;

核心網切片隔離：可以采用5GC獨立布設核心網的方式進行硬隔離，也可以通過控制面和轉發面的共享優先級調度控制，通過全局的NSSAI切片標識進行帶寬、時延的控制，實現同一個5GC核心網的能力預留和能力調用，從而實現核心網的軟隔離。

有了這三層的5G切片隔離技術，就能為鐵路行業應用提供定制化的切片，以端到端切片能力開放的理念構建業務管理層;以統籌編排統一部署的策略實現無線＼核心＼傳輸層資源配置。通過5G的端到端切片能力，可以在北斗基礎設施檢測、應急處置綜合管理應用、機務段運營統一管理等應用，聚合支付應用等多個應用中，形成不同的業務切片，業務之間的數據傳遞、數據控制都分別在各自的網絡端到端的切片中進行執行，切片的隔離讓不同的應用跑在不同的通道上，而不同的5G網絡通道可以設置不同的上/下行數據的速率和帶寬保證，比如在北斗基礎設施檢測中，對帶寬的要求更高一些，因此該5G切片主要保障上行帶寬;而應急處置管理應用由于控制的需要，要求控制時延和響應時延要高，對帶寬次之，這就可以設置該切片的能力保障以時延保障為主;而不同的應用數據和控制消息也隔離在不同的切片中，確保了應用之間的安全性，防止應用數據竊取和應用控制被外來攻擊。

5G+邊緣計算能力結合，又能為鐵路信息網絡的發展提供了另外一個拓展空間和應用利器。充分利用5G網絡UPF下沉的能力，讓邊緣計算的應用成為可能，MEC是集通訊、網絡能力，云，智能，以及應用能力為一體的DICT智能信息節點，這個節點讓5G、IoT和AI的應用能力結合在一起，滿足鐵路應用系統對數據處理提出了新的技術要求。例如在采集人臉識別，表情識別等數據，實現安防及客戶感知監控與優化的應用中，就能采用5G+邊緣計算的網絡能力。在鐵路信息網絡的布設中，由于是全網布設，應用都是集中到核心服務器進行處理，如果在廣州進行人臉識別的應用，往往需要從廣州的終端節點跑到其他城市（應用服務器放置在哪個省，就會在哪個省核心服務提供）。這就造成了極大的數據處理的無法實時快速響應。而當該應用的部署依托了5G網絡的數據下沉能力，結合UPF的特性，將服務應用的數據中心從“云+端”集中式架構向“云+邊+端”分布式架構演變。

三、5G鐵路專網建設思路和應用承接方案

5G網絡的誕生使能千行萬業不斷發展，上述所涉及的5G網絡性能：高帶寬、低時延和大鏈接的三大5G網絡特性和兩大5G網絡能力：5G切片能力和5G邊緣計算能力給行業帶來了高質量的服務，為了更好滿足而對于鐵路網絡應用需求，運營商已經開始為垂直行業的需求為目標，進行5G網絡的建設。

這就讓鐵路信息網絡的發展可以按照專屬的網絡覆蓋、專用的網絡資源和專有的網絡服務轉型，啟動5G鐵路專網的建設，以發揮業務的專業沉淀，塑造精品的5G鐵路專網形成布局優勢 。

5G鐵路專網的應該基于“靈活組網、按需定制” 原則，按照不同業務需求、不同城市特點和不同服務區域來進行專網的建設落地。結合業務場景與實際需求進行能力組合，按照5G專網的建設，5G鐵路信息網絡專網可以按照以下的兩個建設模式進行：

公網5G鐵路信息網絡專網建設共用模式：提供無線網絡增強覆蓋，通過邊緣計算技術，實現本地業務處理，滿足數據不出場、超低時延等需求，為多類鐵路應用提供專屬網絡服務。在這種建設模式下，可以通過5G無線側增強覆蓋，按需補點，按需調優實現無線側的網絡專屬服務，通過UPF及MEP按需下沉實現核心網媒體面資源獨享。

專用5G鐵路信息網絡專網建設專用模式：通過對基站、頻率等專建共用，為鐵路服務應用構建專用無線網絡，提供高安全性、高隔離度的專用定制化建網，在無線側采用基站或者頻率專用，通過獨占無線側資源，實現高隔離、高可靠;在核心網采用專用SA核心網，按需提供控制面資源（AMF/SMF/UDM）。

公網共用和專網專用的兩個模式的關鍵技術、網絡功能和服務功能也有一些差別，可以結合鐵路業務和應用特性來決定采用哪種5G專網建設模式來進行。

例如針對鐵路車站、鐵路重點路段的監控需求，制定5G立體化指揮防控應用解決方案，就可以通過共用的方式，構建立體化數字安防體系以及情報、指揮、行動一體化的5G專用網絡，實現了5G網絡技術與人工智能、云計算、大數據等新技術的緊密融合。通過網絡切片技術實現5G在鐵路車站的安檢、安控和立體指揮防控：

1、解決智能預警網絡無法實時交互瓶頸：5G低時延，高清視頻人臉識別和危險物品識別的實時性和準確性依賴移動網絡;

2、立體安防需要越來越豐富的立體數據采集，5G大帶寬滿足各類感知設備中的多路數據并行傳輸需求，如指揮車（現場指揮能力從分局下移），巡邏車的數據傳遞要求;

3、提高警務數據安全性：5G切片支持當下警務數據移動數據上大網，需要更高的端到端的QoS和安全性保障，靈活的數據調度。

四、小結

2020年疫情后，國家增加鐵路建設資本金，同時強調了加強新型基礎設施建設，發展新一代信息網絡，拓展5G應用。因此高速鐵路網的投建和高速鐵路信息網的建設需要同步進行、相輔相成。要擁抱“新基建”，建設交通強國，就要實現鐵路信息網絡的信息承載網絡的快速轉型，實現對5G技術的深入了解和深度融合，鐵路發展離不開創新驅動，在創新驅動的引領下，在5G網絡的輔助下，未來動車組的智能化程度會越來越高，而5G、大數據等技術應用，將更快的提升鐵路的基礎設施的智能化水平。