鐵路5G技術創新應用探索

丁建文，孫 斌，鄭 鵬，王 瑋，代 賽，鐘章隊

2017年以來,我國高速鐵路開始向智能化方向發展［1］。隨著智能京張和智能京雄投入運營,標志著我國智能鐵路的應用格局已經初步形成。基于物聯網、移動互聯、云計算、大數據、人工智能等新技術,實現物理高鐵與信息通信等數字技術的協同融合,是構建智能高鐵的基礎［2］。作為落實國家5G新基建戰略部署的一項重要舉措,鐵路5G專網的建設應以業務和應用創新為驅動力,實現人-人通信、人-機通信和機器之間的通信,在車地之間建立面向全場景、全業務、全鏈接,支持高速移動、高速率、高可靠、高實時、高安全的通信鏈路。構建鐵路5G智能鏈接,才能確保實現智能鐵路各要素的全面感知、泛在互聯和融合處理。因此,智能鐵路應用場景是5G的一個典型場景,近年來越來越受到國際和國內學術界和工業界的極大關注［3?4］。

國際鐵路聯盟（UIC）于2012年啟動了未來鐵路移動通信系統（FRMCS）項目,開始選擇GSM-R的替代技術,以應對GSM-R系統設備逐步退網的情況。UIC從業務需求、技術可行性、頻率規劃等多方面進行了梳理,提出了調度通信、自動列車控制、車地通信、旅客移動性互聯網接入服務等68種基本通信業務要求［5］。FRMCS項目將鐵路關鍵安全業務需求通過歐洲電信標準化協會（ETSI）納入3GPP Rel16及之后的版本,為鐵路5G應用提供了參考規范。

從發展趨勢與業務需求兩方面進行分析,5G通信技術可以與智能鐵路發展緊密結合,支持鐵路信息化、數字化、智能化發展；5G也將賦予高速鐵路更快的速率與更可靠的連接,因此針對高速鐵路的應用場景和業務需求,需要發展適合鐵路通信的關鍵技術和創新應用。

1 鐵路5G的發展現狀與趨勢

中國、日本、韓國以及歐洲等的高速鐵路網迅速發展,世界范圍內的鐵路移動通信服務需求也在持續增強。未來鐵路將朝著客運服務網絡化、安全監控自動化,以及運輸組織智能化的方向發展。鐵路5G將與云計算、邊緣計算、大數據等技術結合,實現鐵路車流、人流、物流數據的實時傳輸和深度挖掘,服務于鐵路智能建造、智能裝備、智能運營、智慧出行、智慧物流和智慧平臺。

1.1 國內外鐵路通信發展現狀

電子通訊委員會（ECC）于2020年11月17日批準了UIC提出的建議,為歐洲鐵路分配了900 MHz頻段的5.6 MHz帶寬和1 900 MHz頻段的10 MHz帶寬。UIC于2020年11月正式啟動了5G歐洲鐵路項目,旨在構建和測試適用于鐵路運營的首批5G原型,FRMCS為實現鐵路數字化邁出了重要的一步［6］。諾基亞正在與德國鐵路（DB）公司合作,為DB在德國漢堡的高度自動化S-Bahn運營項目提供用于列車自動駕駛的5G獨立組網（SA）方案,該測試方案將驗證5G技術是否足夠成熟,能否用作未來數字化鐵路運營的通信技術［7］。日本NTT Docomo與日本中部鐵路公司合作,在新干線上進行了鐵路5G無線傳輸測試,成功實現了283 km/h速度下列車與基站間穩定的5G通信,以大于1 Gbps的傳輸速率實現了數據視頻的收發,同時實現了高速列車在軌道旁臨時搭建的5G基站之間的連續切換［8］。

中國移動于2016年2月成立了5G聯合創新中心,聯合交通、工業等行業領域的創新群體,共同推進基礎通信能力提升,明確行業痛點和業務需求,孵化融合創新應用和產品,為垂直行業提供創新應用與業務解決方案。鐵路5G也具備了良好的技術儲備:中國鐵路于2018年在京沈客專進行了LTE-R系統和承載多媒體調度通信等業務的試驗,為開展鐵路5G專網研究奠定了良好的基礎；國內相關研究機構陸續發布了《智能鐵路通信云技術白皮書》《鐵路下一代承載網應用技術白皮書》《綜合軌道交通5G應用技術白皮書》等［9?11］,探討了5G技術在軌道交通中的應用需求及關鍵技術,分析了未來的演進路線和面臨挑戰。2020年4月,為落實國家新型基礎設施建設部署,引領智能鐵路發展,國鐵集團決策發展鐵路5G新一代移動通信系統,開始推進5G技術應用科研攻關,開展鐵路5G技術應用研究,申請鐵路專用頻率,規劃進行高速鐵路5G專網研究試驗及公專融合承載鐵路業務試驗。

1.2 鐵路移動通信的發展趨勢

近年來,世界各國鐵路均面臨著鐵路業務定制化、客貨運輸需求增長快速化等挑戰。通過結合新一代移動通信技術,提升鐵路系統效率與收益已經成為鐵路行業發展趨勢。以德國鐵路發展為例,德國鐵路公司以數字化智能鐵路為發展契機,于2016年提出《鐵路數字化戰略》,深入運營、維護、乘客交互等環節進行技術變革,致力于構造現代化鐵路通信系統［12］。與此同時,德國鐵路計劃2023?2024年進行5G承載鐵路業務的試驗；2025?2029年在部分區域部署5G,采用900 MHz頻段GSM-R系統和900 MHz/1.9 GHz頻段5G系統混合組網；2029?2034年大規模部署5G,GSM-R系統所用頻譜逐步重耕為5G系統。

國內外鐵路積極發展新一代信息技術,并結合鐵路業務需求和應用發展方向制定了一系列中長期智能鐵路戰略規劃［13］。從國內看,5G不僅具有良好的商業和政策環境,而且也將成為支撐各行業數字化和智能化轉型的關鍵技術。因此構建鐵路5G網絡,從鐵路5G專網與公專融合的技術路線出發,研究鐵路5G創新應用是十分必要的。同時,隨著萬物互聯、數據驅動的數字化時代的到來,世界各國鐵路都面臨著客貨運輸需求大幅增長、運輸安全泛在化等重大挑戰。結合新一代移動通信技術實現鐵路智能化已經成為了世界鐵路未來發展的重要方向［14］。

2 鐵路5G網絡側關鍵技術

與傳統的GSM-R系統不同,鐵路5G系統的信息化和智能化水平將大幅提高,需要滿足全業務、全場景、全鏈接、強安全的需求。選擇并發展適用于鐵路的5G技術,可以賦予高速鐵路更可靠的連接、更快的速率、更低的時延以及更廣闊的網絡覆蓋,以滿足智能鐵路網對寬帶移動通信的需求［15?16］。因此,本節將從鐵路5G的關鍵技術出發,分析未來鐵路5G專網系統的功能,并探索鐵路5G的創新應用方案。

2.1 網絡功能虛擬化與軟件自定義網絡

GSM-R系統中的核心網及無線網設備主要由各個網絡實體組成,因此對于GSM-R系統來說,無法實現網元的快速部署和替換。然而,在鐵路5G系統中,通過網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）技術,可以實現基于云數據中心的鐵路5G網絡快速部署。鐵路5G NFV架構見圖1。鐵路系統可基于SDN和NFV的控制域建立一個組件化的核心網絡,再由核心網將各網元軟件化,并靈活地重建網絡功能,例如接入和移動管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、用戶面管理功能（UPF）等。同時,采用SDN技術實現鐵路5G系統中數據轉發域和控制域的完全分離。數據轉發域專注于拓撲感知的路由和用戶數據的分布式轉發,控制域則進行信令面處理和網絡集中控制。

圖1 鐵路5G NFV架構

2.2 多接入邊緣計算（MEC）

在高鐵場景下,列車的高速行駛面臨著信道的快速時變和有效吞吐量的急劇下降；在鐵路站場業務場景下,作業范圍是一個固定的區域,無線調車業務對時延要求非常敏感,對數據安全和可靠性要求也極高。針對上述場景下鐵路5G的新應用,包括車載實時高清視頻監控、車載設備狀態監測與分析、客運服務、站場作業等,如果將大量的業務數據全部回傳至地面云中心進行處理,一方面需要大量的承載網帶寬資源,另一方面也會導致較大的時延和網絡擁堵,因此需要在網絡邊緣靠近基站側或在列車上部署MEC設備,提供更強大的計算能力和更低的處理延遲［17］,通過在本地為時延敏感業務提供服務,減少回傳網絡的壓力。MEC將是鐵路5G中的一項新型關鍵技術,它將云計算的能力擴展到網絡的邊緣,實現“云網融合,云邊協同”,降低列車與地面基站之間、地面基站與核心網之間的帶寬要求,提高業務數據傳輸的實時性。鐵路5G網絡中MEC集成部署見圖2。

圖2 鐵路5G網絡中MEC的集成部署

在鐵路5G網絡的服務化架構（SBA）中,需要在網絡資源功能（NRF）中注冊各網元業務并激活。在鐵路5G網絡中,由MEC平臺的服務注冊模塊注冊MEC應用程序提供的服務。服務注冊是應用程序啟動功能的一部分。

用戶平面功能（UPF）對于在鐵路5G網絡中部署MEC起著關鍵作用。從MEC系統的角度來看,UPF可以看作是一個分布式的、可配置的數據平面。該數據平面的控制,即流量規則配置,遵循NEF-PCF-SMF路由。因此,在控制面,MEC作為鐵路應用系統與核心網控制面對接,調用5G網絡提供的能力,同時,可以通過MEC平臺（MEP）為邊緣應用提供網絡能力；在用戶面,本地UPF是MEC的一部分,通過N6接口對接MEC主機。鐵路MEC可以處理列車高速運行期間生成的高速率傳輸的數據和鐵路站場產生的要求極低時延的數據,使鐵路5G系統中的數據處理更加實時高效。

3 鐵路5G的應用場景與業務分類

3.1 鐵路5G的應用場景

與前四代移動通信系統相比,5G在繼續提升人與人之間通信服務的基礎上,更側重于滿足人與物之間、物與物之間的通信服務需求,從而更適用于行業應用需求。作為5G的典型應用場景之一,高速移動場景受到學術界和工業界的廣泛關注,因此鐵路5G具有廣泛的應用場景［18］。鐵路5G以應用業務為中心,通過實現超寬帶、低時延、海量連接等功能,靈活地提供最佳用戶體驗［19］。隨著我國鐵路通信技術的發展,車地之間的通信業務需求在不斷拓展,列車車況信息遠程實時監測、優化控制和自動駕駛、鐵路物聯網等各種新的業務需求不斷涌現并日益迫切。根據鐵路5G應用需求,其應用場景主要分為4類:鐵路正線連續廣域覆蓋、鐵路站場和樞紐等熱點區域、鐵路沿線基礎設施監測和智能列車寬帶應用。應用場景分類與相應特點見表1。相應地,鐵路5G業務屬性可分為與行車相關業務、運營及維護應用業務、鐵路物聯網業務和旅客服務業務。

表1 鐵路5G的應用場景分類

1）鐵路正線場景,包括高鐵、客專、普速及貨運線路。主要涉及列車與地面各應用系統間的通信。由于列車移動速度快,且通信區域為廣域,因此對業務的可靠性要求較高。該場景下的業務主要包括:調度通信業務、行車安全數據業務和車載設備監測數據業務等。

2）鐵路站場和樞紐等熱點場景,包括大型客運站、動車所、編組場等。該區域內,作業人員密集、車輛密集、業務量大,但用戶移動速率低。該場景下的業務主要包括:編組站通信業務、站場維護作業和多媒體通信業務等。

3）鐵路沿線基礎設施監測場景,包括鐵路沿線電務、工務、供電等專業基礎設施監測和自然災害監測等。該場景下的業務為地面基礎設施監測數據傳送,其主要特點是連接數量大,數據帶寬需求小。

4）智能列車寬帶應用場景。各車廂間相對為靜止狀態,車地間業務數據量大,以地-車下行業務為主,例如車廂上網服務、乘客信息系統等。正線無法滿足通信需求時,在車站或出入庫時進行數據集中傳輸。

3.2 鐵路5G的業務分類

根據鐵路行車安全業務對安全性和可靠性等方面的需求,鐵路5G系統必須申請相應的專用頻率,基于專用頻率部署全套的鐵路5G專網。但是由于頻譜資源緊張,鐵路5G專網的現有頻段無法滿足所有業務,故仍需使用公網授權頻譜進行分流。綜合考慮,鐵路5G系統將采用專網和公網融合架構,協同完成鐵路5G中的各項業務。根據不同業務的時延、緊急程度、帶寬需求,可將鐵路5G業務分配至相應的專網、公網、專網公網融合的架構中。鐵路5G業務分類見圖3。

圖3 鐵路5G業務分類

從鐵路5G業務的使用范圍分析,又可將鐵路5G應用業務分為全路業務、路局級業務,以及站場業務。全路業務和路局級業務包括CTCS-3級列控業務、多媒體調度通信、調度命令無線車次號校核傳送、車車通信列車接近預警、超視距軌道環境監測預警等；站場級業務包括站場無線調車、無感進出站、室內精準定位、可視化生產指揮調度等。

4 鐵路5G的創新應用方案

結合鐵路5G的不同組網方式,提出以下典型應用方案。例如,基于鐵路5G專網的創新應用:多媒體調度通信和下一代列控信息傳送；基于鐵路5G公專網融合的創新應用:基于車車通信的列車接近預警信息傳送；基于5G公網的鐵路創新應用:基于5G的列車多媒體信息服務。

4.1 基于鐵路5G專網的創新應用

4.1.1 多媒體調度通信

基于鐵路5G的多媒體調度通信不僅能夠解決語音傳輸,還可以支持鐵路通信中的視頻傳輸業務。通過任務關鍵型通信（MCx）系統,可以實現鐵路5G專網用戶之間的語音、數據和視頻通信,5G專網與GSM-R、鐵路有線調度通信等系統的語音業務互聯互通。圖4給出了鐵路5G專網系統中的MCx組網,平臺層以鐵路5G專網、SIP核心（SIP Core）為承載,實現通信業務處理和智能分析,形成一套完整的應用服務平臺。多媒體調度通信將支持更加豐富的終端類型,例如行車調度臺、多媒體手持終端等。在全IP傳輸的模式下,鐵路5G的多媒體調度通信能夠支持調度臺、手持臺等多類終端間的語音單呼與組呼、視頻單呼與組呼、緊急呼叫、文本數據傳輸等多樣化鐵路通信專用業務。基于鐵路5G專網的多媒體調度通信相比基于GSM-R的傳統有線調度通信系統,在以下方面有所提升:由純語音通信變為語音、視頻通信,能夠實時可視行車運行狀態；接入地理信息系統（GIS）地圖,能夠更直觀地動態展示列車運行狀態信息；在呼叫建立時延、話權搶占時延、語音質量等體驗質量（QoE）性能指標方面有質的提升,呼叫建立時延能夠在1 s內完成,極大地提高了用戶體驗。

圖4 基于鐵路5G專網的多媒體調度通信

4.1.2 下一代列控信息傳送

列車運行控制系統是保障高鐵安全高效運行的核心裝備,是指揮列車運行的控制中樞。作為國際公認的發展方向,下一代智能列控系統將充分利用衛星導航技術、寬帶移動通信技術等,實現減少軌旁設備、多元融合測速、移動閉塞和車車協同智能控制［20］。

我國鐵路自2009年以來,已經實現了基于GSM-R的CTCS-3級列車運行控制系統,未來需要向鐵路5G專網承載的下一代列控系統演進。考慮到車載終端設備的更新改造進度和網絡建設進度,需要實現從GSM-R網絡承載向鐵路5G專網承載的平滑過渡、GSM-R線路與鐵路5G專網線路無縫切換；同時,支持無線鏈路冗余,保障系統的可靠性和數據傳輸的實時性。通過鐵路5G專網承載下一代列控安全信息傳輸,其系統架構見圖5。基于鐵路5G專網的下一代列控系統由車載設備和地面控制器構成。車載設備無線傳輸單元實現鐵路5G專網鏈路建立、保持、監視通信鏈路及數據傳輸等功能；車載設備通過衛星定位和列車完整性檢查,將車載定位信息通過5G專網發送到地面控制器；地面控制器根據前后車位置、線路信息等計算出行車許可,發送給車載設備。

圖5 基于鐵路5G專網的下一代列控安全信息傳輸

根據下一代列控系統的總體需求,需實現移動閉塞和列車主動防護。在移動閉塞中,地面控制器基于列車向地面設備發送的列車位置信息、列車長度和列車完整性信息來判斷列車占用軌道資源的情況。在列車主動防護中,通過鐵路5G專網提供的全IP通道,前車可以將位置、狀態等信息通過車車通信發送給后車,使后車增加了獲取前車位置的渠道,綜合地面設備發送的信息,增強了主動防護能力。下一代列控信息傳送對鐵路5G專網的可靠性、可用性提出了更高的要求。

4.2 基于公專融合組網的鐵路5G創新應用

基于車車通信的列車接近預警信息傳送系統通過公專融合的方式實現實時通信,通過點對點或點對多點數據傳輸,實現車車間的位置信息傳送,其系統架構見圖6。其中,公專融合組網可分為無線和有線兩部分。無線側包括鐵路5G專網和5G公網網絡切片；有線側通過安全網關為應用系統在鐵路內網和5G公網之間傳輸實時數據。

圖6 基于車車通信的列車接近預警信息傳送系統架構

列車在開車前通過鐵路5G網絡向當前列車位置控制器（TLC）注冊,利用GNSS全球定位系統并結合多傳感器技術實現列車自主定位,采用車地間5G無線通信技術實現信息傳輸。位置信息主要包括列車運行速度、方向、公里標、線路號、時間戳等。列車位置控制器可以結合線路號和其余在途列車所上報的位置信息進行綜合檢測和分析,實時向當前列車匯報其前/后車的關聯關系。當前列車根據列車控制器反饋的前/后車關聯信息,進行位置報告,對自身所處位置進行預警邏輯運算。通過列車位置控制器,列車可動態計算與前/后車的距離,當車-車間距離小于預設安全門限時,列車司機可獲得預警提示。

4.3 基于公網的鐵路5G創新應用

5G作為先進的移動通信技術,可以服務于智能鐵路智慧出行服務,為旅客列車提供多媒體信息服務、旅客5G上網服務、高清視頻轉播、智慧觀賽等。未來冬奧會時,可以在動車組上進行基于5G網絡的賽事超高清直播。由于旅客列車多媒體信息服務的下行帶寬需求大、安全性要求較低、與行車業務無關,因此可以通過5G公網來承載相關業務。

基于5G的列車多媒體信息服務系統通過列車中心服務器中的5G公網模塊和車載天線接入鐵路沿線公網5G網絡,從視頻直播源運營平臺實時獲取視頻源,經多個運營商5G網絡匯聚后,發送到車載平臺,車載平臺進行直播流的分發、匯聚、拉流和編解碼,通過車廂內無線局域網為旅客提供直播和轉播服務。其系統架構見圖7。車載平臺由中心服務器、單車服務器、AP、車載多頻段天線和交換機等組成。其中,中心服務器同時接入多個運營商5G公網,實現直播流的拉流和動態緩存,同時將直播流分發給各個車廂的單車服務器,單車服務器通過WiFi AP為旅客提供視頻流的直播,并可根據需求進行視頻流切換。

圖7 基于5G的列車多媒體信息服務系統架構

5 總結與展望

在高鐵移動通信領域,我國已經從GSM-R領域的跟隨者逐步轉變為鐵路5G網絡的領跑者。將5G技術引入鐵路通信,能夠使GSM-R時代很多只能展望的應用業務逐步實現,同時提升了鐵路通信業務的靈活性和場景適應性。基于鐵路5G專網和公專融合的各項創新應用能夠滿足智能鐵路的發展要求,有效提升高速鐵路的安全性、可靠性和運營效率,促進鐵路智能化和智慧化的實現。本文根據鐵路5G網絡的發展趨勢和當今高速鐵路智能化發展的業務需求與挑戰,分析了適合未來鐵路發展的5G關鍵技術,給出了基于鐵路5G的典型創新應用方案。未來鐵路5G的發展需要堅持融合創新的理念,以解決鐵路多種多樣的業務需求為導向,從而打造可管、可控、可信、可測、可視、可靠的新一代寬帶移動通信系統。