鐵路5G專網(wǎng)組網(wǎng)方案研究

毛若羽

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

經(jīng)過多年的應(yīng)用發(fā)展與技術(shù)積累，我國鐵路行業(yè)在通信技術(shù)體系構(gòu)建與完善方面得到了明顯加強(qiáng)，如從原本的無線列調(diào)逐漸過渡到G網(wǎng)通信發(fā)展過程，并構(gòu)建出全球最大的鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。其中，隨著3G、4G以及5G等技術(shù)的更迭變換，鐵路通信技術(shù)體系內(nèi)容得到了進(jìn)一步健全與發(fā)展。隨著5G公網(wǎng)的成功商用，國鐵集團(tuán)決定采用5G制式建設(shè)打造下一代無線專網(wǎng)。結(jié)合當(dāng)前發(fā)展情況來看，為滿足我國高速鐵路發(fā)展需求，鐵路專網(wǎng)方面借助5G技術(shù)構(gòu)建專網(wǎng)集群通信技術(shù)體系實現(xiàn)對列車運(yùn)行過程的有效控制。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，截至2019年年底，全國范圍內(nèi)的鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在覆蓋里程方面已經(jīng)高達(dá)7萬千米。鐵路領(lǐng)域通過引入5G技術(shù)基本上可有效支撐鐵路事業(yè)發(fā)展，具有重要的應(yīng)用價值。

1 鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)功能分析

1.1 鐵路調(diào)度通信

鐵路調(diào)度通信基本上可以視為鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)的重要功能表現(xiàn)。在業(yè)務(wù)領(lǐng)域方面，鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)主要圍繞列車調(diào)度、貨運(yùn)調(diào)度以及動車調(diào)度的工作內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署。其中，各項業(yè)務(wù)的應(yīng)用需要涉及移動終端以及固定終端等平臺系統(tǒng)，完成個呼與組呼過程。要求車務(wù)以及機(jī)務(wù)等行車相關(guān)人員應(yīng)主動借助鐵路專用移動通信設(shè)備實現(xiàn)對行車過程的集中管控。

如相關(guān)人員可以按照規(guī)定要求進(jìn)行語音聯(lián)絡(luò)，并重點針對行車安全信息進(jìn)行提示，保障行車要求得以滿足。結(jié)合當(dāng)前發(fā)展情況來看，我國鐵路調(diào)度通信從原來無線列車調(diào)度系統(tǒng)逐步發(fā)展成為當(dāng)前所應(yīng)用的鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)，即GMS-R系統(tǒng)。但無論是應(yīng)用哪種通信系統(tǒng)，都需要利用車機(jī)聯(lián)控模式進(jìn)行操作應(yīng)用。對于鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)而言，該網(wǎng)絡(luò)體系可根據(jù)調(diào)度通信業(yè)務(wù)呼叫場景以及用戶使用習(xí)慣的情況，從智能網(wǎng)設(shè)備方面入手，針對調(diào)度通信業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署，并提供接入矩陣以及位置尋址等功能。

1.2 鐵路列車控制

我國于2009年正式啟用基于鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的列控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用為我國高鐵安全運(yùn)營提供了良好的系統(tǒng)保障。其中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)通過借助電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，實現(xiàn)對列車控制系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)的自主獲取。并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋情況對當(dāng)前調(diào)度通信過程進(jìn)行合理管控。與調(diào)度通信相同，GSM-R網(wǎng)絡(luò)也可以視為電路域業(yè)務(wù)的領(lǐng)域范疇。電路域主要是針對電路交換技術(shù)而言，不同用戶所涉及的時隙問題不同，通常表現(xiàn)為數(shù)據(jù)量小且時延低的特點。

而基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的電路域技術(shù)在一定程度上可以實現(xiàn)對鐵路調(diào)度通訊的集成管控，同時，也可以滿足列車控制業(yè)務(wù)需求。目前，為進(jìn)一步增強(qiáng)鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)的運(yùn)行功能，行業(yè)內(nèi)部人員主動利用5G網(wǎng)絡(luò)的分組域架構(gòu)形式，保障業(yè)務(wù)資源可以實現(xiàn)共享。需要注意的是，面對網(wǎng)絡(luò)承載技術(shù)的變化發(fā)展，無論是鐵路調(diào)度、通信還是列車控制業(yè)務(wù)，都需要在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷演化與發(fā)展，才能夠真正適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營發(fā)展。

2 系統(tǒng)架構(gòu)分析

從客觀角度上來講，鐵路5G專網(wǎng)通信技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)方面主要可以圍繞5G核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、終端系統(tǒng)等部署內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理實踐。其中，核心網(wǎng)系統(tǒng)可主動與鐵路多媒體調(diào)度系統(tǒng)之間構(gòu)建互聯(lián)關(guān)系。這樣做的主要目的在于保障調(diào)度固定用戶與5G移動用戶之間可以構(gòu)建良好的多媒體通信關(guān)系。其中，鐵路多媒體調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備良好的兼容功能，能夠有效兼容5G核心網(wǎng)主要接口與協(xié)議。為了保證專網(wǎng)與公網(wǎng)共建共用的可能，須充分了解公網(wǎng)5G組網(wǎng)規(guī)劃。以中國移動5G核心網(wǎng)絡(luò)為例，分為公眾業(yè)務(wù)網(wǎng)和企業(yè)服務(wù)網(wǎng)采用統(tǒng)一的云硬件平臺，云資源統(tǒng)一調(diào)配，核心網(wǎng)功能獨(dú)立設(shè)置；其中公眾5G核心網(wǎng)按照各省設(shè)置核心網(wǎng)邏輯功能，企業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)按照8個大區(qū)設(shè)置核心網(wǎng)邏輯功能；公眾業(yè)務(wù)網(wǎng)和企業(yè)服務(wù)網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需要、地市等就近部署邊緣計算平臺（MEC）。

3 鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)方案研究

目前，我國已建成全球最大的鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，截至2019年年底，全國范圍內(nèi)的鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在覆蓋里程方面已經(jīng)高達(dá)7萬千米。但是，從客觀角度上來講，隨著智能鐵路等新理念的提出與實施，傳統(tǒng)鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)所存在的技術(shù)局限性問題越來越明顯，甚至無法滿足鐵路行車以及運(yùn)營維護(hù)需求。為及時克服這一技術(shù)難題，鐵路行業(yè)內(nèi)部重點針對5G技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展問題進(jìn)行了深度研究。從整體角度上看，鐵路領(lǐng)域通過引入5G技術(shù)基本上可以有效支撐智能鐵路發(fā)展，具有重要的應(yīng)用價值。

3.1 基于服務(wù)功能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)采用了基于云的服務(wù)化架構(gòu)，控制面與用戶面網(wǎng)元分離，控制面網(wǎng)元可集中部署，用戶面網(wǎng)元（UPF）與業(yè)務(wù)系統(tǒng)就近部署。5G核心網(wǎng)相對GSM-R核心網(wǎng)由獨(dú)立的網(wǎng)元設(shè)備組網(wǎng)演進(jìn)為基于云架構(gòu)的邏輯網(wǎng)元組網(wǎng)，并可根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行切片管理。5G核心網(wǎng)基于服務(wù)化架構(gòu)，對計算、存儲、資源調(diào)用有其特殊性，對平臺性能要求高，需采用電信級云硬件平臺獨(dú)立建設(shè)，不宜與其他云平臺混合部署。建議采用控制面集中管理，按大區(qū)制設(shè)置鐵路專用5G核心網(wǎng)方案，基于5G開放式服務(wù)架構(gòu)，控制面集中管理，每個大區(qū)可提供多個路局5G核心網(wǎng)控制面功能，路局設(shè)置MEC與多個大區(qū)互聯(lián)實現(xiàn)控制面功能冗余，大區(qū)模式可實現(xiàn)控制面的系統(tǒng)統(tǒng)一管理，按照大區(qū)模式建設(shè)核心網(wǎng)成本較低，集中管理模式可為行業(yè)應(yīng)用提供更可靠的業(yè)務(wù)保障。

3.2 調(diào)度通信業(yè)務(wù)實現(xiàn)方案

鐵路專網(wǎng)與公眾網(wǎng)絡(luò)存在明顯不同，既沒有龐大的用戶數(shù)量支撐，同時，也沒有相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的支撐，因此在鐵路部署5G專網(wǎng)方案后，建議研究人員應(yīng)采用多模終端轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)制式方法，減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性問題并減少建設(shè)成本。與此同時，對于鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)而言，研究人員應(yīng)主動結(jié)合5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)移動終端，實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)之間的互通。并借助多媒體調(diào)度系統(tǒng)的固定終端，完成對列車行進(jìn)過程的控制管理。對于5G網(wǎng)絡(luò)而言，MC系統(tǒng)中的語音、視頻以及數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)內(nèi)容均可以視為MC系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)內(nèi)容。具體實現(xiàn)方法可以從下述兩個方面進(jìn)行研究分析。

5G專網(wǎng)移動用戶與GSM-R網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)互通的方案措施。業(yè)務(wù)互通方案可以結(jié)合鐵路5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)運(yùn)行情況，主動與GMS-R系統(tǒng)完成設(shè)備關(guān)聯(lián)過程。同時，GSM-R與5G專網(wǎng)移動用戶可針對用戶號碼問題進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，如采用不同號段的用戶號碼進(jìn)行操作應(yīng)用。舉例而言，號碼段“149”可以設(shè)置為GSM-R用戶、號碼段“148”可以設(shè)置為5G用戶。

基于5G專網(wǎng)移動用戶的調(diào)度通信系統(tǒng)固定用戶實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)互通過程的方案措施。關(guān)于這一方案實現(xiàn)問題，建議研究人員可以主動從多媒體調(diào)度臺發(fā)起呼叫與FAS調(diào)度臺發(fā)起呼叫兩個方面進(jìn)行實現(xiàn)與分析。其中，對于多媒體調(diào)度臺發(fā)起呼叫而言，目前所采取的雙發(fā)方式可以主動將車次功能號準(zhǔn)確反饋到5G網(wǎng)絡(luò)以及GMS-R網(wǎng)絡(luò)中。移動通信網(wǎng)中的智能網(wǎng)設(shè)備可主動識別被叫功能號注冊情況完成對相關(guān)任務(wù)的識別與管理。一般來說，如果同時返回呼叫接續(xù)，系統(tǒng)會自動選擇5G網(wǎng)絡(luò)。對于多媒體調(diào)度系統(tǒng)而言，可主動利用LMF流程實現(xiàn)對5G移動用戶位置的自主獲取，并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋情況，對用戶所屬移動通信網(wǎng)絡(luò)流程問題進(jìn)行自動梳理與優(yōu)化。

除此之外，對于FAS調(diào)度臺發(fā)起呼叫而言，系統(tǒng)可根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求構(gòu)建多媒體調(diào)度系統(tǒng)。在這一過程中，不僅可以實現(xiàn)鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)段調(diào)度功能，同時，也可以實現(xiàn)對FAS調(diào)度臺的有效處理。舉例而言，在鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)段的作用下，調(diào)度員可使用FAS調(diào)度臺完成相關(guān)通信任務(wù)。對于特殊情況下的呼叫需求而言，研究人員可對當(dāng)前FAS系統(tǒng)進(jìn)行功能升級，并將相關(guān)信息反饋到多媒體調(diào)度系統(tǒng)中，完成呼叫接續(xù)過程。

4 結(jié)語

總而言之，鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)正處于不斷健全與完善的狀態(tài)中，為我國鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展奠定了良好通信保障。因此，在未來的發(fā)展中，行業(yè)內(nèi)部人員應(yīng)加快推進(jìn)鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程，通過不斷創(chuàng)新優(yōu)化鐵路技術(shù)裝備，促使我國鐵路5G專用集群通信技術(shù)方案得以良好應(yīng)用推廣。