鐵路5G-R無線接入網(wǎng)組網(wǎng)方案

葛偉濤，馮敬然，周 敏，楊 琪，李珉璇

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308）

1 概述

目前，鐵路專用移動通信系統(tǒng)主要采用GSM-R系統(tǒng)，為窄帶移動通信系統(tǒng)，只能承載語音業(yè)務(wù)或少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著國內(nèi)鐵路向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，GSM-R系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足智能鐵路發(fā)展的需要。另外，GSM產(chǎn)業(yè)日益萎縮，預(yù)計到2030年設(shè)備廠商將逐漸停止GSM-R相關(guān)產(chǎn)品的供應(yīng)。5G具有大帶寬、低時延、多接入、高可靠等技術(shù)優(yōu)勢，是目前已商用的技術(shù)中最先進、產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢最好、適合行業(yè)應(yīng)用的寬帶移動通信技術(shù)體系，具有良好的政策支持和商業(yè)環(huán)境。結(jié)合國內(nèi)加快5G網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的決策部署，下一代鐵路專用移動通信系統(tǒng)將采用5G-R系統(tǒng)。

5G-R系統(tǒng)按照獨立組網(wǎng)考慮，主要包括核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)（RAN）、用戶設(shè)備（UE）及運營與支撐系統(tǒng)（OSS）4個部分。其中，無線接入網(wǎng)主要由5G-R基站（gNB）、天饋線、漏泄同軸電纜等組成，其中基站根據(jù)應(yīng)用場景可分為宏覆蓋基站和室內(nèi)覆蓋基站。宏覆蓋基站用來覆蓋鐵路線路（含隧道），主要以分布式基站的方式組網(wǎng)，包括基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）。

2 5G-R接入網(wǎng)組網(wǎng)方案研究

2.1 5G-R覆蓋場景

根據(jù)《鐵路5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)和功能需求暫行規(guī)范》（鐵科信[2021]63號），鐵路5G-R不僅要給鐵路行車指揮、運營維護人員提供語音通信，還要提供大量視頻通信、數(shù)據(jù)信息傳送等，因此5G-R的應(yīng)用及覆蓋范圍將比GSM-R更廣泛。根據(jù)5G-R業(yè)務(wù)需求，5G-R覆蓋場景主要包括鐵路線路非隧道區(qū)域、鐵路線路隧道區(qū)域、沿線車站/站場、局/段/所等生產(chǎn)辦公場所、列車車廂內(nèi)等，其中鐵路線路隧道和非隧道區(qū)域的5G-R組網(wǎng)方案是研究重點。

2.2 鐵路線路非隧道區(qū)域組網(wǎng)方案

根據(jù)列車運營時速、信號列控等級的不同，5G-R分為單網(wǎng)覆蓋和冗余覆蓋兩種方式。普速鐵路或信號列控等級采用CTCS-2的高速鐵路5G-R應(yīng)采用單網(wǎng)覆蓋，300 km/h及以上、信號列控等級采用CTCS-3的高速鐵路或重載鐵路5G-R應(yīng)采用冗余覆蓋。

1）單網(wǎng)覆蓋方案

由于5G-R系統(tǒng)擬用2 100 MHz的頻率，系統(tǒng)帶寬為上、下行各10 MHz。為了將頻譜效率最大化，滿足更多業(yè)務(wù)的承載需求，同時考慮到鐵路對可靠性要求較高，結(jié)合目前設(shè)備廠商支持的組網(wǎng)方式，可在每個物理站址設(shè)置2套4T4R RRU進行同頻組網(wǎng)。由于環(huán)形組網(wǎng)對占用光纖資源較少，可靠性較高，因此推薦BBU和RRU之間采用環(huán)形方式組網(wǎng)。根據(jù)RRU與天線之間是否設(shè)置電橋，單網(wǎng)覆蓋有以下兩種方案。

方案一：單網(wǎng)覆蓋不設(shè)置電橋方案

每個物理站址設(shè)置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線直接與天線相連。BBU內(nèi)主控板、基帶板、電源模塊等關(guān)鍵板件按照冗余配置。RRU1和RRU3組成一個環(huán)，RRU2和RRU4組成一個環(huán)。為充分利用BBU關(guān)鍵板件的冗余特性，減小BBU單基帶板故障時對系統(tǒng)的影響，每個RRU環(huán)的環(huán)頭、環(huán)尾接入BBU的不同基帶板上。組網(wǎng)示意如圖1所示。

方案二：單網(wǎng)覆蓋設(shè)置電橋方案

每個物理站址設(shè)置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線經(jīng)3 dB電橋與天線相連。其他連接方式與方案一相同，如圖2所示。

圖2 單網(wǎng)覆蓋設(shè)置電橋方案Fig.2 Scheme of single network coverage with bridge

上述兩個方案，每個物理站址設(shè)置兩套RRU，任意一套RRU故障時，還有另外一套RRU在工作，覆蓋不受影響。兩套RRU均正常工作時，兩種方案基站側(cè)均實現(xiàn)4T4R MIMO。但方案二RRU和天線間設(shè)置了電橋，不僅增加3 dB損耗，饋線連接方式也更加復(fù)雜，故障點也會增多，因此方案一優(yōu)勢較大。當(dāng)其中一個RRU故障時，方案一基站側(cè)由4T4R變?yōu)?T2R，相當(dāng)于基站發(fā)射功率減少3 dB，下行波束賦形增益減少3 dB。方案二仍為4T4R，但有3 dB電橋插入損耗。整體來看，方案二下行覆蓋比方案一有3 dB波束賦形增益。由于單RRU故障模式不是常態(tài)，而且方案一施工簡單，綜合考慮，單網(wǎng)覆蓋時推薦按照方案一不設(shè)置電橋進行組網(wǎng)。

2）冗余覆蓋方案

冗余覆蓋主要包括同站址雙網(wǎng)和單網(wǎng)交織冗余方案。與GSM-R不同，5G-R將承載大量視頻通信和數(shù)據(jù)傳送，若將10 MHz帶寬分成2個5 MHz，分別組成同站址異頻雙網(wǎng)（每張網(wǎng)絡(luò)使用5 MHz）或單網(wǎng)交織冗余（兩個相鄰小區(qū)之間采用不同的5 MHz帶寬），將大大影響5G-R系統(tǒng)的頻譜效率和傳輸速率，因此5G-R冗余覆蓋推薦采用10 MHz同頻組成雙網(wǎng)覆蓋，即同站址同頻雙網(wǎng)方案。BBU和RRU之間采用環(huán)形組網(wǎng)時，根據(jù)RRU與天線間是否設(shè)置電橋，冗余覆蓋有以下兩種方案。

方案一：同站址同頻雙網(wǎng)不設(shè)電橋方案

每個物理站址設(shè)置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線直接與天線相連。設(shè)置2套BBU作為信源，2套BBU可以設(shè)置在同一物理站址，也可設(shè)在不同物理站址以增加容災(zāi)性。兩套BBU其中一套BBU主用，另一套BBU備用，主、備用BBU通過承載網(wǎng)之間進行心跳連接。BBU內(nèi)主控板、基帶板、電源模塊等關(guān)鍵板件按照冗余配置。RRU1和RRU3組成一個環(huán)接入BBU1，RRU2和RRU4組成一個環(huán)接入BBU2。為了充分利用BBU關(guān)鍵板件的冗余特性，減小BBU單一基帶板故障系統(tǒng)的影響，每個RRU環(huán)的環(huán)頭和環(huán)尾接入同一BBU的不同基帶板上。組網(wǎng)示意如圖3所示。

圖3 同站址同頻雙網(wǎng)不設(shè)電橋方案Fig.3 Scheme of same address,same frequency and double network without bridge

方案二：同站址同頻雙網(wǎng)設(shè)電橋方案

每個物理站址設(shè)置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線經(jīng)電橋與天線相連。其余組網(wǎng)方式與方案一相同，如圖4所示。

圖4 同站址同頻雙網(wǎng)設(shè)電橋方案Fig.4 Scheme of same address,same frequency and double network with bridge

上述2個方案中，BBU1主用，BBU2備用，每個物理站址的2個RRU，也是一個主用、一個備用。由于同站址同頻組網(wǎng)，為減小備用RRU對主用RRU信號的干擾，正常情況下，主、備RRU均處于加電狀態(tài)，但只有主用RRU發(fā)射信號，備用RRU處于加電但不發(fā)射功率狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備或接口故障時，觸發(fā)主、備系統(tǒng)倒換。因此兩個方案正常情況下，方案一基站為2T2R，方案二基站為4T4R，雖然引入3 dB電橋插損，但下行有3 dB波束賦形增益。當(dāng)一個RRU故障時，方案一和方案二的MIMO方式不變。考慮到高速鐵路及重載鐵路業(yè)務(wù)承載需求高于普速鐵路，因此冗余組網(wǎng)推薦采用方案二。

2.3 鐵路線路隧道內(nèi)組網(wǎng)方案

鐵路5G-R基站主要采用分布式基站方式組網(wǎng)，隧道內(nèi)主要采用“隧道外/隧道口BBU+隧道口/隧道內(nèi)RRU+隧道內(nèi)漏纜+隧道口天線”的方式進行覆蓋。

考慮到5G-R系統(tǒng)對MIMO的需求，隧道內(nèi)敷設(shè)漏纜的條數(shù)應(yīng)大于等于2條。參照公網(wǎng)覆蓋設(shè)計經(jīng)驗及測試效果，兩條漏纜間距為4λ時MIMO覆蓋效果較好，按照2 100 MHz計算，5G-R兩條漏纜間距可按0.6 m設(shè)置。由于標(biāo)準(zhǔn)動車組列車車頂距軌面高度為4.05 m，為了保證漏纜覆蓋效果，漏纜掛設(shè)高度應(yīng)大于動車組車頂天線的高度，建議漏纜最低掛設(shè)高度距軌面4.2 m。若隧道內(nèi)掛設(shè)2條漏纜，漏纜可掛設(shè)在距軌面4.2～4.8 m的高度。若掛設(shè)4條漏纜，漏纜可掛設(shè)在距軌面4.2～6 m的高度。由于接觸網(wǎng)下錨底座掛設(shè)在距軌面5.1～6 m的位置，掛設(shè)4條漏纜時，漏纜遇到接觸網(wǎng)下錨底座需要提前上繞或下繞避開，增加了施工和維護的難度。考慮到隧道壁空間、隧道內(nèi)施工及維護的難度及成本，推薦隧道內(nèi)敷設(shè)2條漏纜組成2T2R MIMO覆蓋隧道內(nèi)。

1）隧道單網(wǎng)覆蓋

方案一：不設(shè)置電橋方案

在隧道口/隧道內(nèi)每個物理站址設(shè)置2套2T2R RRU，隧道外/隧道口機房內(nèi)設(shè)置1套BBU，如圖5所 示。RRU1、RRU3、RRU5組 成1個 環(huán)，RRU2、RRU4、RRU6組成1個環(huán)。為最大化利用BBU主控板的冗余特性，每個環(huán)的環(huán)頭和環(huán)尾接入BBU不同的主控板上。在隧道內(nèi)掛設(shè)2條漏纜，RRU通過饋線直接和漏纜/天線相連。

圖5 隧道內(nèi)單網(wǎng)覆蓋不設(shè)置電橋方案Fig.5 Scheme of single network coverage without bridge in tunnel

方案二：設(shè)置電橋方案

與方案一不同的是，RRU通過饋線經(jīng)電橋與隧道內(nèi)漏纜和隧道口天線連接，其余組網(wǎng)方式均與方案一相同。如圖6所示。

圖6 隧道內(nèi)單網(wǎng)覆蓋設(shè)置電橋方案Fig.6 Scheme of single network coverage with bridge in tunnel

兩個方案在正常工作模式下均能實現(xiàn)2T2R MIMO，但方案二有3 dB電橋插損，因此方案一比較好。當(dāng)單個RRU故障時，方案一由2T2R降為1T1R。方案二仍為2T2R，方案二比方案一下行有3 dB增益，由于單RRU故障模式不是常態(tài)，而且方案一施工簡單，綜合考慮，單網(wǎng)覆蓋時隧道推薦按照方案一不設(shè)置電橋進行組網(wǎng)。

2）隧道冗余覆蓋方案

在隧道口/隧道內(nèi)每個物理站址設(shè)置2套2T2R RRU，在隧道口/隧道外機房內(nèi)分別設(shè)置2套BBU，1套主用，1套備用，如圖7所示。RRU1、RRU3、RRU5組成1個環(huán)接入BBU1，做為主用RRU環(huán)，RRU2、RRU4、RRU6組 成1個 環(huán) 接 入BBU2，做為備用RRU環(huán)。由于采用同頻組網(wǎng)，為減小備用RRU對主用RRU的影響，備用RRU設(shè)備只加電，但不發(fā)射功率。為最大化利用BBU主控板的冗余特性，每個環(huán)的環(huán)頭和環(huán)尾接入BBU不同的主控板上。隧道內(nèi)掛設(shè)2條漏纜，為了實現(xiàn)隧道內(nèi)2T2R的MIMO，需要在RRU和漏纜之間安裝3 dB電橋。

圖7 隧道冗余覆蓋方案Fig.7 Scheme of redundancy coverage in tunnel

3 總結(jié)

與GSM-R系統(tǒng)相比，5G-R系統(tǒng)不僅承載語音業(yè)務(wù)，還要承載大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。從系統(tǒng)需求到系統(tǒng)架構(gòu)，從覆蓋場景到組網(wǎng)方案，從工程設(shè)計到工程建造，從工程驗收到運營維護等均變得更加復(fù)雜。目前，5G-R系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)方案、系統(tǒng)指標(biāo)、應(yīng)用場景等還在研究中。本文重點針對普通單網(wǎng)和冗余組網(wǎng)兩種覆蓋模式以及鐵路沿線非隧道區(qū)域和隧道區(qū)域兩種覆蓋場景，對5G-R系統(tǒng)無線接入網(wǎng)的組網(wǎng)方案進行研究，以供今后相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定以及工程設(shè)計借鑒參考。