5G-R無線通信系統承載重載鐵路機車同步操控業務研究

龐萌萌

重載鐵路是我國鐵路重要的運輸方式之一，是提高鐵路貨運能力的主要方向。重載運輸的主要特點是利用多機車牽引，加大列車重量（萬t以上）、加長列車編組（千米以上）和實現全程直達運輸，充分發揮鐵路集中統一調度，適用于大宗商品長距離、全天候運輸優勢，提高鐵路運輸能力和效率［1］。從上世紀八十年代，我國鐵路就瞄準了世界鐵路科技發展前沿，把重載運輸作為主攻方向。2006年3月28日，我國第一條重載鐵路——大秦鐵路，正式開行了2萬噸重載組合列車，此后，朔黃鐵路（2萬t）、瓦日鐵路（1萬t）、蒙華鐵路（1萬t）等多條重載鐵路相繼開通［2］，我國重載鐵路形成規模化發展，并形成一整套具有自主知識產權的重載運輸技術裝備體系，有效推動了我國的煤炭及礦產的運輸發展。

無線通信在重載鐵路運輸及安全生產過程中起著至關重要的基礎保障作用，尤其為重載鐵路多機車之間的機車同步操控起到了重要的通信保障作用。機車同步操控是指當列車編組中的機車數量大于1時，為了使列車安全穩定運行，對各機車的控制必須實現同步，如同步加速、同步制動等，否則容易引起機車之間的擠壓或者脫鉤，造成列車運行事故。目前只有2萬t及以上運量的重載列車需具備機車同步操控業務實現多機車牽引，如大秦鐵路和朔黃鐵路。大秦鐵路采用GSMR無線通信系統承載機車同步操控業務，朔黃鐵路采用LTE無線通信系統承載機車同步操控業務。

無線通信制式持續進行技術迭代、制式演進，2020年初，國鐵集團經過業務需求分析、技術方案和經濟效益比選，結合我國加快5G網絡等新型基礎設施建設的決策部署，基本明確了5G專網的系統建設目標［3-4］。5G具有大帶寬、大連接、低時延等優勢，可實現人與物、物與物的泛在互聯，是支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施［5］。承載重載鐵路機車同步操控業務的無線通信系統也隨之進行演進，且由于GSM-R系統面臨產業鏈萎縮等實際情況，因此，研究5G-R系統承載重載鐵路應用是非常迫切且十分必要的。

1 機車同步操控業務

機車同步操控業務是指利用5G-R系統為同一編組的重載組合列車的主控機車和從控機車，與地面設備之間提供無線數據傳輸通道，傳輸數據包括機車同步操控信息、狀態信息等。

同一編組的各個機車均設置車載設備，車載設備通過5G-R網絡與地面設備建立無線通信鏈路，攜帶機車號和車次號向地面設備注冊。車次號標識同一編組的一個數據會議組，機車號標識同一編組的不同機車。地面設備通過查看車次號和機車號信息，將同一編組的主控機車車載設備與從控機車車載設備編在一組，形成一個數據會議組，會議組以車次號標識，會議組內成員以機車號進行區分。車載設備可通過注冊/注銷加入/退出特定編組。地面設備的主要功能為安全認證、組建數據會議組、轉發主從機車車載設備間的控車信息，且只允許組內的機車之間傳遞數據［6］。

2 5G-R系統承載機車同步操控業務組網方案

2.1 組網架構

5G-R系統包括核心網、無線接入網（RAN）、用戶設備（UE）、運營與支撐系統（OSS）、應用接口/接入管理設備等5部分［7］，實現機車同步操控業務主要應用到前4部分功能，組網架構見圖1。

圖1 鐵路5G-R系統承載機車同步操控業務組網架構

2.1.1 核心網

核心網需配置以下網元：接入和移動管理功能（AMF），實現接入管理和移動性管理；會話管理功能（SMF），實現會話管理；統一數據管理（UDM），實現用戶數據管理與業務管理；認證服務器功能（AUSF），實現鑒權管理；用戶面功能（UPF），實現數據路由轉發。上述網元均可采用網絡功能虛擬化（NFV）架構部署［8］，網元之間采用服務化接口。核心網網元需采用冗余部署方式［9］，冗余的網元部署在不同的數據中心（DC）內。

通過地面設備轉發主從機車車載設備之間的控車信息實現重載鐵路機車同步操控業務，地面設備需與核心網中的UPF網元進行互聯。

2.1.2 無線接入網

無線接入網負責提供無線覆蓋，包括基站、天線與饋線、漏泄同軸電纜等。重載鐵路沿線需設置5G-R基站提供無線信號連續覆蓋，開闊區利用天線覆蓋，隧道等弱場區域利用漏泄同軸電纜覆蓋。5G-R基站為分布式基站，由基帶單元（BBU）+射頻拉遠單元（RRU）組成，或由集中單元（CU）+分布單元（DU）+射頻拉遠單元（RRU）組成。

為保障重載鐵路應用業務，尤其是機車同步操控業務的可靠性，無線接入網需進行冗余組網。目前較為成熟的無線接入網冗余組網方案［10］有2種：①單BBU無線組網，即只有RRU進行冗余，BBU/CU+DU不冗余；②雙BBU冗余無線組網，即BBU/CU+DU和RRU均進行冗余。建議重載鐵路考慮第2種可靠性比較高的冗余組網方式，即主備雙套BBU/CU+DU異址設置，每個位置組（站址）設置2套RRU，RRU可共用站址和天線，同址的2套RRU同時工作，雙套BBU/CU+DU為主備工作方式，雙套設備之間設置心跳檢測進行故障切換。BBU/CU+DU與核心網中的AMF、UPF網元全連接。

2.1.3 用戶設備

重載鐵路主從機車需配置車載終端（具備5G-R數據分組功能），實現機車同步操控業務的數據傳輸。在重載列車跨不同制式的無線網絡覆蓋線路的情況下，車載終端需配置為5G-R/GSM-R雙模或5G-R/LTE雙模方式，實現跨線路的平滑通信。

2.1.4 運營與支撐系統

運營與支撐系統包括網絡管理、終端數據管理、密鑰及終端安全管理、網絡數據管理、監測、智能管控平臺、維修工裝等設備/功能單元，面向運維人員提供設備管理、數據管理、SIM卡管理、監測數據采集與分析等功能，重載鐵路可根據運維需求進行配置［11］。

2.2 業務實現方式

2.2.1 數據路由

機車同步操控業務以分組域數據方式承載，在考慮地面設備只與歸屬局UPF互聯的情況下，機車同步操控業務需要將會話錨點建立在歸屬局UPF，數據路由需經過歸屬局UPF到達地面設備，具體數據路徑如下：

1）非漫游方式下，歸屬局gNB→歸屬局UPF→機車同步操控系統地面設備。

2）漫游方式下，拜訪局gNB→拜訪局UPF→歸屬局UPF→機車同步操控系統地面設備。

會話錨點的建立與數據網絡名稱（DNN）相關，可為機車同步操控業務分配獨立的DNN，并在DNN設置中標明歸屬地路由信息。

2.2.2 會話和服務連續模式

5G-R網絡支持3種會話和服務連續（Session and Service Continuity，SSC）模式，分別為SSC模式1、SSC模式2和SSC模式3。

SSC模式1：始終支持業務的連續性，整個協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）會話過程中，用戶IP地址不變，作為PDU會話錨點的UPF也是不變的。

SSC模式2：因存在跨局漫游等情況，網絡會釋放舊的PDU會話和IP地址，重新建立一個新的PDU會話，可能會選擇一個新的UPF，分配新的IP地址。

SSC模式3：因存在跨局漫游等情況，在舊的PDU會話釋放之前，通過新的PDU會話錨點建立新的連接，之后再釋放舊的PDU會話，以此來保證會話和業務的連續性，這個過程中用戶IP地址會發生改變。

由于機車同步操控業務始終將會話錨點建立在歸屬局，因此SSC模式設置為SSC模式1，即在跨局漫游過程中，會話錨點不變。相應的車載終端的IP地址在跨局過程中也不改變。

2.2.3 IP地址分配

1）SMF靜態/動態分配方式

車載終端的IP地址可由SMF靜態/動態分配，建立PDU會話時，SMF根據DNN對應的IP地址分配要求，靜態/動態分配IP地址。車載終端在向地面設備注冊時，攜帶機車號、車次號、IP地址等信息，地面設備利用上述信息維護同一列重載列車的機車會議組信息。地面設備轉發控車信息時，將機車會議組信息直接轉發至對應的IP地址。

SMF靜態分配方式的優點為：模塊的IP地址不變，在脫網重新入網后，仍然是原來的IP地址；缺點為：需要在網絡中預置大量的IP地址，資源固化，利用率較低。

SMF動態分配方式的優點為：IP地址運用較為靈活，無需預置數據；缺點為：終端在脫網重新入網后，網絡可能會分配新的IP地址，進而可能影響地面設備對會議組的維護。

2）RADIUS動態分配方式

車載終端的IP地址可由遠程用戶撥號認證服務（RADIUS）進行動態分配，在圖1的網絡架構中需要增加RADIUS網元和DNS網元，用于解決上述SMF靜態/動態分配IP地址的不足。RADIUS與SMF互聯，DNS、RADIUS與地面設備互聯。5G-R系統承載機車同步操控業務增強型網絡架構示意見圖2。

圖2 鐵路5G-R系統承載機車同步操控業務增強型網絡架構示意

在PDU會話建立時，SMF在處理會話請求時，對由機車號組成的用戶名和密碼進行二次認證，RADIUS進行用戶層面的認證，并為模塊分配動態的IP地址。RADIUS生成機車號域名與所分配IP地址的對應關系，并向DNS發起動態域名注冊。車載終端在向地面設備注冊時，攜帶機車號、車次號、IP地址等信息，地面設備利用上述信息維護同一列重載列車的機車會議組信息。地面設備根據機車號域名查詢DNS，得到對應的IP地址，再轉發控車信息。

該分配方式的優點為：IP地址運用靈活，且避免了終端掉網重新登錄后IP地址變化的風險。缺點為：地面設備轉發信息時增加了網元節點，處理時延會有所增加。

IP地址分配是分組域數據業務中重要的環節，分配方式也與業務的可靠運用息息相關，上述3種方式均可滿足業務需求，在應用中還需根據具體場景進行分析后選定。

3 工程應用方案

對于新建重載線路，5G-R系統的工程應用較為簡單，地面網絡建設完成后，車載終端配置具備數據傳輸功能的5G-R無線通信模塊即可。對于既有重載線路改造為由5G-R網絡承載機車同步操控業務，則情況比較復雜，下面分別以采用GSM-R網絡的大秦線和采用LTE-R網絡的朔黃線為例，分析探討重載線路的改造情況。

3.1 大秦線改造

3.1.1 既有網絡

大秦線利用GSM-R系統電路域數據承載機車同步操控業務，主要的核心網網元MSC為主備冗余設置，無線網為同站址雙網冗余覆蓋，雙網為主備的工作方式。同一機車的2個機車同步操控車載終端采用主備工作方式，正常情況下只有主用側工作。

3.1.2 5G-R網絡建設方案

大秦線GSM-R系統改造為5G-R系統，可分別建設5G-R核心網和無線接入網，并對車載終端進行相應改造。5G-R核心網在路局集中部署且冗余組網，按圖1所示的雙BBU冗余無線組網方式新建5G-R無線接入網，替代既有GSM-R網絡。5G-R無線接入網可利用既有GSM-R無線網的站址和桿塔資源。

3.1.3 機車同步操控系統地面設備改造

1）接口及協議改造：既有地面設備通過E1接口與GSM-R網絡MSC互聯，通過電路域數據交換協議實現數據傳送，GSM-R網絡改造為5G-R網絡后，地面設備需通過IP接口與5G-R網絡UPF互聯，通過IP協議實現數據傳送。

2）兼容性升級［12］：如既有線路較長，5G-R網絡可能分段建設，則地面設備需要兼容GSM-R和5G-R兩種網絡制式，除增加上述針對5G-R制式的接口和協議外，還需要增強數據會議組的處理機制，能夠將同一編組、處于不同制式的多個機車加入數據會議組，將基于GSM-R方式的車次號+機車號+移動臺綜合業務數字網號碼（MSISDN）、基于5G-R方式的車次號+機車號+IP地址2種方式的會議組注冊/注銷信息兼容管理。

3.1.4 機車同步操控系統車載終端改造

機車同步操控系統車載終端包括控制單元（CIU）+車載通信單元（OCU）。OCU需要改造為雙模，增加5G-R車載模塊或者將既有GSM-R模塊升級為雙模模塊；CIU應能夠識別5G-R與GSM-R網絡的分界點（公里標等位置信息），控制OCU工作在相應的網絡制式下。機車同步操控系統車載終端改造示意見圖3。

圖3 機車同步操控系統車載終端改造示意

3.2 朔黃線改造

3.2.1 既有網絡

朔黃線利用LTE 網絡進行無線信號覆蓋，2套核心網采用負荷分擔方式工作，無線接入網在同一站址設置2套獨立基站，分別接入主備核心網，形成雙層網絡。同一機車的2個機車同步操控車載終端分別附著在一個網絡同時工作，相同的機車同步操控信息通過2個終端分別發送至地面設備，實現了無線鏈路的冗余。

3.2.2 5G-R網絡建設方案

朔黃線LTE系統改造為5G-R系統，可分別建設冗余的5G-R核心網和無線接入網，并對車載終端進行相應改造。無線接入網可利用既有的站址和桿塔資源。

5G-R無線接入網可采用圖1所示的雙BBU冗余無線組網方式，考慮到與既有LTE雙網模式相匹配，5G-R無線接入網也可采用雙網冗余的組網方式，如圖4所示。A網和B網分別采用不同的頻段，且為負荷分擔的工作方式，機車同步操控信息可以在A、B網中分別傳送，提高業務的可靠性。

3.2.3 機車同步操控系統改造

機車同步操控系統的地面設備需要進行接口和協議適配升級，車載終端需要進行5G-R/LTE雙模改造，與3.1節類似，不再贅述。

4 結束語

鐵路5G專網作為我國鐵路新一代移動通信系統的演進方向，其系統架構、系統功能、系統性能、組網技術等問題已逐步形成系統性、階段性成果，但仍需進一步研究其在具體線路場景中的應用。我國有高速鐵路、重載鐵路、普速鐵路等多種應用場景，重載鐵路作為其中一種重要的應用場景，未來將通過5G-R系統實現機車同步操控等與行車安全密切相關的業務。本文通過研究，形成了初步的適用于重載鐵路的5G-R網絡架構、業務實現及工程應用方案，而如何運用網絡切片、邊緣計算［13-15］等5G特有的技術優勢，并將重載鐵路既有移動通信系統承載的業務平滑遷移至新建的5G-R系統，是未來繼續深化5G-R系統應用于重載鐵路的研究方向之一。