5G-R 智能網(wǎng)設(shè)備部署方案研究

王 菲

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所，北京 100081）

1 引言

2020年，為落實(shí)國家新基建要求，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司從實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合自身實(shí)際，研究確定了鐵路新一代移動通信采用5G制式。

根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)劃，鐵路移動通信業(yè)務(wù)分為4類，其中鐵路5G專網(wǎng)（5G-R）承載2類業(yè)務(wù)，分別為列車指揮及控制類業(yè)務(wù)與運(yùn)營維護(hù)類業(yè)務(wù)。5G公網(wǎng)承載旅客服務(wù)、工程建造等非鐵路行車安全類業(yè)務(wù)。在業(yè)務(wù)和功能需求確定的前提下，基于第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）規(guī)范通用架構(gòu)，按照將用戶層需求映射到裝備層的思路，通過增加鐵路特定功能相關(guān)設(shè)備，形成5G-R系統(tǒng)架構(gòu)。

5G-IN設(shè)備是5G-R系統(tǒng)的專用設(shè)備之一，用來實(shí)現(xiàn)5G-R列車無線調(diào)度通信中調(diào)度員、車站值班員呼叫司機(jī)的業(yè)務(wù)功能，本文研究提出5G-IN設(shè)備部署方案建議，以期為設(shè)備研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、業(yè)務(wù)應(yīng)用等提供參考。

2 5G-R 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

5G-R系統(tǒng)包括核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)、用戶設(shè)備、運(yùn)營與支撐系統(tǒng)、應(yīng)用接口/接入管理設(shè)備5個(gè)組成部分。

（1）核心網(wǎng)。核心網(wǎng)包括全路核心網(wǎng)共用設(shè)備和局核心網(wǎng)設(shè)備，通過承載網(wǎng)互連。其中，全路核心網(wǎng)共用設(shè)備包括5G設(shè)備識別寄存器（5G-EIR）、5G智能網(wǎng)（5G-IN）設(shè)備、一級域名服務(wù)器（DNS）、短消息服務(wù)中心（SMSC）、一級網(wǎng)絡(luò)存儲功能（NRF）和一級服務(wù)通信代理（SCP），局核心網(wǎng)設(shè)備包括5G通用核心網(wǎng)（5GC）、寬帶集群通信（MC）設(shè)備、二級DNS、遠(yuǎn)端撥入用戶驗(yàn)證服務(wù)（RADIUS）。

（2）無線接入網(wǎng)。無線接入網(wǎng)包括基站、漏纜、天線等。無線接入網(wǎng)通過承載網(wǎng)接入局核心網(wǎng)。

（3）用戶設(shè)備。用戶設(shè)備包括手持終端、車載終端等，通過空口與無線接入網(wǎng)互連。

（4）運(yùn)營與支撐系統(tǒng)。運(yùn)營與支撐系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、SIM卡管理系統(tǒng)等，與局核心網(wǎng)同址部署，通過局域網(wǎng)互連。

（5）應(yīng)用接口/接入管理設(shè)備。應(yīng)用接口/接入管理設(shè)備包括各種應(yīng)用接口設(shè)備，與局核心網(wǎng)通過局域網(wǎng)互連，提供5G-R與C3列控等應(yīng)用系統(tǒng)互連功能。

5G-R系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G-R系統(tǒng)架構(gòu)組成圖

2.2 系統(tǒng)功能

按照5G-R的系統(tǒng)架構(gòu)， 5G-R系統(tǒng)各部分功能如下：①核心網(wǎng)負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)的控制與連接；②無線接入網(wǎng)為用戶提供無線資源調(diào)度、管理，實(shí)現(xiàn)無線接入功能；③用戶設(shè)備為列車司機(jī)、鐵路沿線維護(hù)管理人員等用戶提供業(yè)務(wù)接入與應(yīng)用等功能；④運(yùn)營與支撐系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理，接口監(jiān)測，用戶、終端、SIM卡等管理功能；⑤應(yīng)用接口/接入管理設(shè)備用于5G-R系統(tǒng)與鐵路C3列控、行車指揮系統(tǒng)互聯(lián)。

3 5G-IN 設(shè)備功能和處理流程

5G-IN設(shè)備支持通信過程中功能號的注冊、注銷、查詢及強(qiáng)制注銷，同時(shí)支持功能尋址等功能。

3.1 功能號操作功能及業(yè)務(wù)處理流程

5G-IN設(shè)備對功能號的操作主要包括對功能號的注冊、注銷、查詢、強(qiáng)制注銷。當(dāng)注冊或注銷功能號時(shí)，司機(jī)等用戶通過用戶終端發(fā)起功能號注冊請求，MC設(shè)備檢查用戶簽約信息后，向5G-IN發(fā)送注冊請求消息，5G-IN負(fù)責(zé)建立或刪除功能號與移動用戶號碼（MSISDN）對應(yīng)關(guān)系，并向MC設(shè)備和終端返回接受請求或者拒絕請求的響應(yīng)消息，MC設(shè)備和終端收到響應(yīng)消息后存儲或者刪除注冊的功能號。無線智能用戶（如列車司機(jī)）可通過歸屬鐵路局或拜訪鐵路局的MC設(shè)備向5G-IN發(fā)起功能號注冊請求。有線智能用戶的功能號需通過網(wǎng)管設(shè)備進(jìn)行配置，一個(gè)用戶可同時(shí)注冊3個(gè)及以上功能號。無線智能用戶注冊的功能號具有有效期，逾期后，5G-IN會將該功能號強(qiáng)制注銷，并通過MC設(shè)備通知被注銷功能號的用戶終端。5G-IN提供無線智能用戶查詢功能號功能，在該功能的支持下，無線智能用戶不僅可以查詢其他用戶當(dāng)前功能號所對應(yīng)的MSISDN號碼，也可以查詢本機(jī)當(dāng)前所注冊的功能號。同時(shí)，還支持授權(quán)的無線智能用戶強(qiáng)制注銷某一指定的功能號以及支持非唯一車次功能號注冊、注銷、查詢和強(qiáng)制注銷。考慮到運(yùn)行超過24 h的長途列車，車次號可能重復(fù)，5G-IN支持不同用戶（運(yùn)行在不同鐵路區(qū)段）重復(fù)注冊同一車次功能號，次數(shù)上限可根據(jù)需要設(shè)置。

3.2 尋址功能及業(yè)務(wù)處理流程

主叫用戶撥打被叫用戶的功能號（如調(diào)度員、車站值班員、車站助理值班員撥打列車司機(jī)功能號，呼叫管內(nèi)運(yùn)行列車司機(jī)）時(shí)的呼叫類型為2、3、4、6或91。呼叫過程中，呼叫請求經(jīng)當(dāng)前基站傳送到局核心網(wǎng)MC設(shè)備，MC設(shè)備接收請求后首先判斷是否符合觸發(fā)條件，如符合觸發(fā)條件且檢查主叫用戶為智能用戶后，首先在本設(shè)備的局5G-IN單元查詢被叫用戶的MSISDN號碼，若查詢成功，MC設(shè)備向主叫用戶返回被叫的MSISDN號碼，若查詢失敗，MC設(shè)備向5G-IN發(fā)送初始會話協(xié)議（SIP）消息查詢被叫用戶的MSISDN號碼。

主叫用戶撥打被叫用戶功能號時(shí)，5G-IN首先檢查主叫用戶是否已注冊功能號以及主叫用戶所撥打的功能號是否有效。其中，判斷功能號有效的條件包括號碼格式正確、號碼存在、號碼在有效期內(nèi)等。若經(jīng)判斷功能號有效，5G-IN通過查詢本設(shè)備存儲的接入矩陣判別是否允許此次呼叫，若允許呼叫，5G-IN查詢本地?cái)?shù)據(jù)庫，查找主叫用戶撥打的功能號所對應(yīng)的MSISDN號碼，并向MC設(shè)備發(fā)送包含查詢結(jié)果的響應(yīng)消息，MC設(shè)備根據(jù)5G-IN返回的查詢結(jié)果，將呼叫路由指向相應(yīng)的被叫用戶。如果5G-IN檢查結(jié)果顯示被叫功能號無效或通過查詢本設(shè)備存儲的接入矩陣發(fā)現(xiàn)此次呼叫受到限制等情況，5G-IN向MC設(shè)備返回包含拒絕原因的響應(yīng)消息。

4 5G-IN 部署方案

列車調(diào)度通信是鐵路專用移動通信系統(tǒng)承載的關(guān)鍵應(yīng)用業(yè)務(wù)之一，鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）向5G-R平滑演進(jìn)期間，首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)將既有GSM-R承載的關(guān)鍵應(yīng)用業(yè)務(wù)無縫遷移至5G-R。而在5G-R系統(tǒng)條件下，5G-IN設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)跨鐵路局場景下的功能尋址業(yè)務(wù)，即在列車運(yùn)行過程中，調(diào)度員、車站值班員等地面固定用戶呼叫運(yùn)行在管轄范圍內(nèi)的其他鐵路局列車司機(jī)，并與之進(jìn)行通話業(yè)務(wù)，因此，需要基于5G-IN功能和業(yè)務(wù)處理流程，結(jié)合鐵路行業(yè)特點(diǎn)，研究確定5G-IN設(shè)備部署方案。

4.1 5G-IN 部署原則

基于5G技術(shù)特性，結(jié)合鐵路運(yùn)用需求和GSM-R實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，建議部署5G-IN時(shí)滿足以下原則。

（1）良好的管理性和維護(hù)性。與鐵路生產(chǎn)組織架構(gòu)和運(yùn)輸生產(chǎn)管理體系相適應(yīng)，設(shè)備部署盡量下沉到鐵路局（對于特殊業(yè)務(wù)處理和安全管理等情況，可按全網(wǎng)集中部署）。鐵路局之間設(shè)備資產(chǎn)歸屬清晰，維護(hù)單位職責(zé)和權(quán)限明確，維護(hù)責(zé)任界面清晰，應(yīng)急處置高效，最大限度減少路局之間的相互影響。

（2）實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。考慮5G-R系統(tǒng)核心網(wǎng)與既有通信系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)間互聯(lián)互通的需要，盡量減少對既有系統(tǒng)的升級改造，充分考慮系統(tǒng)過渡期間列車跨網(wǎng)運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)既有業(yè)務(wù)無縫遷移。

（3）穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)穩(wěn)定可靠、安全暢通，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由組織應(yīng)盡量簡化、優(yōu)化，避免增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，充分考慮業(yè)務(wù)的發(fā)展，適應(yīng)近、遠(yuǎn)期需求，保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，減少過渡環(huán)節(jié)。

（4）可擴(kuò)展性和靈活性。便于運(yùn)行維護(hù)管理，滿足高鐵、普鐵不同維護(hù)方式的需要，充分考慮設(shè)備的負(fù)荷能力，設(shè)備功能、性能和處理能力應(yīng)滿足近期各條線路的接入需求。

（5）高可靠性。設(shè)備具備板卡級、設(shè)備級、網(wǎng)絡(luò)級冗余備份機(jī)制，具備一定的容災(zāi)能力，在突發(fā)場景下（如發(fā)生自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭、停電、設(shè)備故障等），業(yè)務(wù)仍能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）高安全性。組網(wǎng)應(yīng)滿足系統(tǒng)安全的原則，采取部署安全防護(hù)設(shè)備、訪問控制和安全監(jiān)測等防護(hù)措施，保證網(wǎng)絡(luò)安全、業(yè)務(wù)安全和數(shù)據(jù)安全，避免造成數(shù)據(jù)的丟失和泄密。

基于以上原則，就5G-IN部署的2種方案進(jìn)行介紹和論述。

4.2 部署方式

4.2.1 全網(wǎng)集中部署方式

全網(wǎng)集中部署5G-IN，采用“兩地四中心”容災(zāi)組網(wǎng)方式，即 “2+2”系統(tǒng)架構(gòu)，在北京、武漢部署4套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本地冗余、異地容災(zāi)備份組網(wǎng)。本地（北京、武漢）2套設(shè)備部署在不同機(jī)房，采用1個(gè)浮動IP地址對外提供服務(wù)。每套5G-IN 設(shè)備與全網(wǎng) 18個(gè)鐵路局的MC 設(shè)備通過承載網(wǎng)互聯(lián)，組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 5G-IN組網(wǎng)示意（全網(wǎng)集中部署）

異地冗余 5G-IN 設(shè)備之間通過承載網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)同步，由2個(gè)基于不同物理路由的傳輸通道提供，每條通道的帶寬按需配置。

異地 5G-IN 設(shè)備之間采用主備工作方式，主、備用的選擇由 MC 設(shè)備實(shí)現(xiàn)，MC 設(shè)備將主用 5G-IN 設(shè)備設(shè)置為首選，將備用 5G-IN 設(shè)備設(shè)置為次選。

列車出庫前，首次向5G-IN發(fā)起功能號注冊請求，5G-IN接收請求后建立功能號和MSISDN對應(yīng)關(guān)系，并自動同步給MC設(shè)備，此時(shí)MC設(shè)備增加MSISDN與功能號對應(yīng)關(guān)系，終端完成注冊時(shí)MC設(shè)備同步完成本地存儲，終端跨局漫游時(shí)向拜訪局MC設(shè)備上報(bào)功能號。對于功能尋址（基于位置呼叫限制）業(yè)務(wù)，MC設(shè)備先在本地查詢功能號和MSISDN對應(yīng)關(guān)系，若查詢不到（如MC設(shè)備故障）再向5G-IN發(fā)起查詢。

正常情況下，MC設(shè)備向主用5G-IN設(shè)備發(fā)送智能業(yè)務(wù)請求消息，隨后由主用5G-IN 設(shè)備向全網(wǎng)提供智能業(yè)務(wù)處理，備用5G-IN 設(shè)備進(jìn)行熱備。5G-IN 設(shè)備與MC 設(shè)備周期性交互心跳消息，其心跳周期、次數(shù)、探測時(shí)長等根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。

當(dāng)主用 5G-IN 設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，MC 設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到5G-IN 設(shè)備回復(fù)的心跳響應(yīng)，則判斷主用5G-IN設(shè)備故障，MC設(shè)備自動向備用 5G-IN 設(shè)備發(fā)送智能業(yè)務(wù)請求，由備用5G-IN 設(shè)備接替主用5G-IN 設(shè)備處理業(yè)務(wù)。原主用 5G-IN 設(shè)備故障恢復(fù)后，通過人工方式恢復(fù)主用工作狀態(tài)。

4.2.2 下沉至鐵路局部署方式

5G-IN設(shè)備按下沉至鐵路局部署，采用同城異址冗余部署、容災(zāi)備份組網(wǎng)方式。本局冗余5G-IN設(shè)備與各局MC設(shè)備、其他局5G-IN設(shè)備通過局域網(wǎng)和承載網(wǎng)互聯(lián)，5G-IN設(shè)備之間通過承載網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步（包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)），同步通道冗余配置，組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 5G-IN組網(wǎng)示意（按鐵路局集團(tuán)公司部署）

列車出庫前，司機(jī)通過車載終端向拜訪局5G-IN設(shè)備注冊功能號，此時(shí)5G-IN設(shè)備建立功能號和MSISDN對應(yīng)關(guān)系，并自動同步給本地備用5G-IN設(shè)備和其他17個(gè)鐵路局5G-IN設(shè)備。同時(shí)，本局5G-IN設(shè)備接收其他17個(gè)鐵路局發(fā)送的局管內(nèi)車載終端注冊消息，即車次功能號和MSISDN對應(yīng)關(guān)系。

正常情況下，本局MC設(shè)備、其他局5G-IN設(shè)備等對端發(fā)送的業(yè)務(wù)請求由本局主用5G-IN設(shè)備處理，備用5G-IN設(shè)備熱備。當(dāng)車站值班員、調(diào)度員通過功能號呼叫管內(nèi)司機(jī)時(shí)，呼叫請求經(jīng)過多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)發(fā)送至5G-R系統(tǒng)MC設(shè)備，MC設(shè)備判斷為功能尋址業(yè)務(wù)后，向本局5G-IN設(shè)備發(fā)送查詢請求，5G-IN設(shè)備將功能號所對應(yīng)的MSISDN號碼返還給MC設(shè)備，后續(xù)按照正常語音呼叫流程處理業(yè)務(wù)。

當(dāng)主用5G-IN設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，對端訪問設(shè)備（MC設(shè)備、其他局5G-IN設(shè)備）通過心跳消息探測到主用5G-IN設(shè)備故障后，自動向備用5G-IN設(shè)備發(fā)送業(yè)務(wù)請求，備用5G-IN設(shè)備接收請求后自動接替主用5G-IN設(shè)備處理業(yè)務(wù)。原主用 5G-IN 設(shè)備故障恢復(fù)后，通過人工方式恢復(fù)主用工作狀態(tài)。

4.3 方案比選

現(xiàn)對本文提出的5G-IN設(shè)備2種部署方案進(jìn)行比較。

4.3.1 方案 1：全網(wǎng)集中部署方式

優(yōu)點(diǎn)是跨局應(yīng)用場景下的功能尋址業(yè)務(wù)，各局MC設(shè)備直接訪問5G-IN設(shè)備查詢MSISDN號碼，查詢效率高，業(yè)務(wù)處理和組網(wǎng)簡單；5G-IN設(shè)備采用多地多中心部署方式，容災(zāi)能力強(qiáng)，安全可靠性高。缺點(diǎn)是5G-IN設(shè)備集中部署，即18個(gè)鐵路局共用5G-IN，該模式下設(shè)備資產(chǎn)歸屬不清，且需專門的維護(hù)隊(duì)伍進(jìn)行維護(hù)管理。若設(shè)備委托所在地鐵路局進(jìn)行維護(hù)，由于5G-IN涉及到全路業(yè)務(wù)處理以及數(shù)據(jù)管理，因此維護(hù)單位管理的數(shù)據(jù)權(quán)限和責(zé)任范圍均超過了本鐵路局管轄范圍。此外，若發(fā)生4套5G-IN同時(shí)故障，將會影響全路列車發(fā)車和運(yùn)行中列車的車機(jī)聯(lián)控等無線列調(diào)業(yè)務(wù)。

4.3.2 方案 2：下沉至鐵路局部署方式

優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備資產(chǎn)歸宿明確，維護(hù)方便。缺點(diǎn)是由于5G-IN設(shè)備按鐵路局部署時(shí)，本局5G-IN設(shè)備需與其他17個(gè)鐵路局5G-IN設(shè)備、MC設(shè)備互聯(lián)，網(wǎng)元數(shù)量多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且用戶設(shè)備（UE）注冊或注銷功能號時(shí)，全路18個(gè)鐵路局的5G-IN設(shè)備之間需要支持自動、雙向、實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)同步，以確保列車在跨局運(yùn)行情況下，調(diào)度員、車站值班員等呼叫司機(jī)等功能尋址業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行，該部署方案對設(shè)備和承載網(wǎng)要求非常高，且尚無商用案例，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)大，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不同步或者同步不實(shí)時(shí)而影響無線列調(diào)業(yè)務(wù)和正常行車的情況。

基于5G-IN部署原則，結(jié)合5G-IN設(shè)備支持能力、業(yè)務(wù)流程優(yōu)化處理，綜合考慮各方面因素，建議采用方案1，即采用全網(wǎng)集中部署5G-IN設(shè)備。

5 結(jié)語

綜上，我國5G-R處于技術(shù)攻關(guān)關(guān)鍵階段，需統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)化布局，構(gòu)建適用、安全、可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)，并具備平滑演進(jìn)能力。5G-IN設(shè)備服務(wù)范圍廣，負(fù)責(zé)列車調(diào)度通信、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理等關(guān)鍵業(yè)務(wù)，是系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，需要綜合考慮各方因素，以確定其部署方案，為5G-R規(guī)模部署和發(fā)展應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)于5G-IN的設(shè)備部署建議后續(xù)結(jié)合試驗(yàn)線進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，不斷優(yōu)化設(shè)備功能性能和組網(wǎng)方案，打造適合鐵路應(yīng)用的新一代寬帶移動通信系統(tǒng)，為中國鐵路高質(zhì)量發(fā)展提供有力的支撐。