鐵路5G專網應用需求研究及部署方案

李 斌

（佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院有限公司，北京 100044）

1 鐵路移動通信專網發(fā)展現狀

目前我國鐵路傳統(tǒng)的150 MHz無線列調系統(tǒng)基本已經退出國鐵干線和支線鐵路無線通信市場，但是在部分地方鐵路和鐵路專用線上仍有應用。現有的鐵路無線通信系統(tǒng)基本以窄帶通信為主，主要為450 MHz無線列調通信系統(tǒng)和GSM-R鐵路移動通信系統(tǒng)。我國鐵路經過高速發(fā)展的20年，尤其是高速鐵路的黃金10年，GSM-R鐵路數字移動通信系統(tǒng)已成為鐵路系統(tǒng)組織運輸生產的核心部分，在一定程度上保障了列車的運行控制、檢測監(jiān)測、運輸組織、調度指揮等信息及時、可靠的傳輸。但面對乘客日益膨脹的帶寬需求，鐵路行業(yè)自身發(fā)展的需要，交通強國發(fā)展戰(zhàn)略的要求，GSM-R鐵路數字移動通信系統(tǒng)快速向超高速、大寬帶、移動性強的方向演進，已經成為目前鐵路行業(yè)的主流發(fā)展思路和演進趨勢。

2 鐵路移動通信應用需求研究

2.1 移動通信應用需求概述

鐵路行業(yè)對網絡的需求分為以下幾個層次：一是基礎通信需求，傳輸數據可以通過有線方式提供，例如鐵路沿線車站和軌旁設備設施大多數都通過有線接入；二是無線通訊需求，主要針對可移動的裝備和設備，例如線路上運行的高速列車、重載列車、大型養(yǎng)路機械和人員的手持移動終端設備等；三是高性能無線需求，例如列車運行控制系統(tǒng)對車地傳輸、信號控制的實時控制、實時響應等方面的需求。

結合鐵路運輸組織實際及鐵路特殊應用場景，對鐵路未來的移動通信應用需求進行梳理，包括：行車應用、運營及維護應用、旅客服務信息傳送應用等3大類。

其中，行車類應用細分為：鐵路緊急呼叫、行車相關調度語音、其他調度語音、行車安全數據、行車信息數據、行車調度視頻；運營及維護類應用細分為：運營及維護語音、運營及維護列車數據、運營及維護車地數據、運營及維護地面數據、運營及維護列車視頻、運營及維護車地視頻、運營及維護地面視頻、應急語音、應急數據、應急視頻、公眾緊急呼叫。

2.2 行車類典型應用需求

2.2.1 CTCS-3 和CTCS-4列控信息傳送

CTCS-3列控系統(tǒng)地面設備與車載設備之間傳送行車許可、線路參數、臨時限速、列車位置、列車數據等信息。CTCS-3列控信息傳送主要包括下列使用場景：在采用 CTCS-3 列控系統(tǒng)的鐵路區(qū)段，列控系統(tǒng)地面設備產生行車許可傳送給車載設備，車載設備將列車位置等信息上傳至當前局地面設備；在地面設備交權區(qū)，一臺車載設備與相鄰的兩套地面設備同時通信。CTCS-3列控信息傳送主要包括下列用戶：列控系統(tǒng)車載設備、列控系統(tǒng)地面設備。CTCS-3列控信息傳送業(yè)務通信模式主要為點對點數據傳輸。

CTCS-4列控系統(tǒng)車載設備與地面設備之間傳送移動閉塞所需要的數據信息。CTCS-4列控信息傳送主要包括下列使用場景：在采用下一代列控系統(tǒng)的鐵路區(qū)段，列控系統(tǒng)地面設備產生行車許可傳送給車載設備，車載設備將列車位置等信息上傳至當前局地面設備；同一列車的車頭和車尾的車載設備同時與地面設備通信；相鄰列車之間傳送列車位置、運行速度等信息；在地面設備交權區(qū)，一臺車載設備與相鄰的兩套地面設備同時通信。CTCS-4列控信息傳送主要包括下列用戶：列控系統(tǒng)車載設備、列控系統(tǒng)地面設備。CTCS-4列控信息傳送業(yè)務通信模式主要為點對點數據傳輸。

2.2.2 列車安全防護預警信息傳送

列車安全防護預警信息傳送主要包括下列使用場景：機車周期性發(fā)送位置和接近信息，地面設備將接近預警信息發(fā)送給鄰近列車、道口值班人員、維護作業(yè)人員及安全防護人員；列車接近鐵路道口或臨時施工地段時，自動接收和顯示道口報警信息和施工防護報警信息；當無線接入網與核心網之間的通信中斷，或者核心網發(fā)生故障時，列車與相關列車及地面人員所持終端之間仍能進行信息傳送；當基站故障時，列車與相關列車及地面人員所持終端之間仍能進行信息傳送。

列車安全防護預警信息傳送主要包括下列用戶：列車、道口值班人員、施工作業(yè)人員、安全防護人員、 列車安全防護預警地面設備。列車安全防護預警信息傳送業(yè)務通信模式主要有以下兩種方式：點對點數據傳輸、點對多點數據傳輸。

2.3 運營及維護類典型應用需求

2.3.1 機車遠程監(jiān)測與診斷（CMD）信息傳送

在鐵路沿線及機務段（含折返段和機車檢修整備場所）,將車載信息傳回中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”）及機務段（含折返段和機車檢修整備場所）地面設備，實現對機車信息的動態(tài)監(jiān)測。

CMD信息傳送主要包括下列使用場景：列車運行監(jiān)控記錄裝置（LKJ）信息傳送、機車車載安全防護系統(tǒng)（6A/ABDR、AFDR、AGDR）信息傳送、機車自動視頻監(jiān)控（6A/AVDR）信息傳送、列車司機室局域網信息傳送、機車微機網絡控制系統(tǒng)（TCMS）信息傳送。

CMD信息傳送主要包括下列用戶：6A系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)、CMD 車載監(jiān)測檢測裝置、車載無線局域網、CMD 地面設備、LKJ裝置。CMD信息傳送業(yè)務通信模式主要為點對點數據傳輸。

2.3.2 應急通信

應急通信是指在鐵路發(fā)生自然災害、鐵路交通事故或其他突發(fā)事件時，為確保救援指揮需要，在國鐵集團、鐵路局、車務站段應急救援指揮中心與突發(fā)事件現場之間以及突發(fā)事件現場內部建立的語音、數據、視頻通信，同時包括與其他相關系統(tǒng)之間的通信。應急通信包括應急通信響應和應急通信保障。

應急現場移動終端與國鐵集團、鐵路局、車務站段應急救援指揮中心之間進行的語音、數據、視頻通信，語音通信包括組呼。應急通信主要包括下列用戶：國鐵集團、鐵路局、車務站段應急救援指揮中心指揮臺、操作臺、值班臺、其他音視頻終端；應急現場移動終端。應急通信業(yè)務通信模式主要有以下幾種方式：語音個呼、語音組呼、點對點數據傳輸、點對點視頻傳輸。

3 鐵路5G專網部署方案

3.1 鐵路5G專網概述

鐵路 5G 專網（Railway 5G Private Network，5G-R），指專用于鐵路行業(yè)的移動通信網絡。專網的概念并不陌生，早在2G/3G/4G時代就有了，比如鐵路專網、公共安全專網、軍用專網等。

5G通信技術在業(yè)務特性、接入網、核心網等多個方面將發(fā)生顯著變化，其中在業(yè)務特性方面，增強型移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延通信（uRLLC）、大規(guī)模機器類通信（mMTC）等典型業(yè)務場景將分階段、分步驟的逐步引入鐵路行業(yè)；在鐵路核心網方面將趨向采用云化分布式部署架構，核心網信令網元將主要在國鐵集團和各鐵路局機房部署，數據面網元根據不同業(yè)務性能差異擬采用分層部署方案。隨著物聯網（IoT）等垂直行業(yè)的業(yè)務發(fā)展，5G控制平面也將呈現跨區(qū)域。跨領域部署的趨勢。鐵路5G專網功能架構如圖1所示。

圖1 鐵路5G專網功能架構Fig.1 Functional architecture of railway 5G private network

3.2 鐵路5G專網部署方案

3.2.1 基于鐵路專網頻段或公網頻段獨立建設物理隔離的網絡

鐵路5G專網與公網5G部署及組網關鍵組成部分，包括以下幾個方面：UDM、5GC CP、UPF、MEC和gNB。

鐵路5G專網部署方式是，基于工信部頒發(fā)的鐵路5G專網頻段或者運營商的5G公網頻段，自建一張包括UDM、5GC CP、UPF、MEC和gNB的5G移動專網，并與5G公網完全隔離。

基于鐵路專網頻段或公網頻段獨立建設隔離的網絡如圖2所示。

圖2 基于鐵路專網頻段或公網頻段獨立建設隔離的網絡Fig.2 Independent construction of isolated networks based on frequency bands of railway private networks or public networks

3.2.2 鐵路5G專網與公網之間RAN和控制面共享

鐵路5G專網依然部署UPF和MEC，但UDM、5GC CP、5G基站（gNB）與公網共享。

在這種部署方式下，鐵路5G專網的gNB和UPF分別由N2和N4接口連接5G公網的5GC CP，鐵路5G專網里的設備用戶信息也存儲在運營商的5G公網里，而不是存儲在鐵路企業(yè)內部。因此，在數據安全性和隱私保護方面可能會差一點。但由于MEC和UPF仍然部署于鐵路專網內部，仍然可以保障網絡低時延。

鐵路5G專網與公網RAN和控制面共享，如圖3所示。

圖3 鐵路5G專網與公網RAN和控制面共享Fig.3 Railway 5G private network shared with public network RAN and control plane

3.2.3 鐵路5G專網與公網端到端共享

從UDM、5GC CP、UPF、MEC到5G基站，包括控制面和用戶面，5G專網與公網端到端共享。在這種部署方式下，鐵路行業(yè)用戶信息和數據流量的安全性取決于公網網絡切片能力。而低時延保障取決于運營商的邊緣云（UPF和MEC）的部署位置。如果運營商的邊緣云位置離鐵路企業(yè)、車站、線路較近，那么網絡時延就相對較低。

鐵路5G專網與公網端到端共享，如圖4所示。

圖4 鐵路5G專網與公網端到端共享Fig.4 End-to-end sharing of railway 5G private network and public network

4 結束語

通過對鐵路運輸組織、運行控制、運維養(yǎng)護、客運服務等典型應用需求場景的分析與研究，提出符合鐵路現狀的鐵路5G專網概念，在重點講解鐵路5G專網功能及框架結構的基礎上，提出3種符合鐵路移動通信專網建設要求的鐵路5G專網部署方案。5G專網部署只是鐵路移動通信網絡中的一部分，后續(xù)的研究工作中，還需要在4G/5G的互操作領域，5G+人工智能領域以及5G通信技術與鐵路其他專業(yè)如何高效融合方向加大研究力度，共同推動鐵路信息基礎設施向智能化方向發(fā)展。