基于云计算的下一代铁路移动通信网络架构

王开锋,张 琦,李 辉,高 莺,陈宁宁,付文刚

(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081； 3.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081)

信息技术与铁路产业的融合、互联网与高速铁路网的融合，给铁路建设、运营维护及旅客服务等方面带来深远影响，智能铁路已经成为未来铁路发展的趋势，而铁路移动通信网络在其中发挥着基础性作用，列车自动驾驶、旅客智能出行和铁路基础设施智能运维的实现要求在车地之间提供高带宽、低延时、高可靠性的数据传输服务[1]。目前，铁路所使用的GSM-R(Global System for Mobile Communications -Railway，铁路专用数字移动通信)属于窄带移动通信网络，主要用于承载带宽需求较小的列车运行控制、调度通信等相关业务[2-3]，无法满足未来铁路应用业务的发展需求。为此，中国和欧洲均开展了下一代铁路移动通信技术的研究[4-6]，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)也针对高速铁路应用场景提出了移动通信性能目标和5G(Fifth-Generation Mobile Communication System，第五代移动通信系统)接入网部署建议[7-8]。

GSM-R网络需要在铁路沿线布设大量采用专用平台构建的基站设备，实现对铁路作业区域的无缝覆盖[9]，这种传统的网络架构存在以下问题：(1)每个基站均需要建设独立的机房，不仅征地成本高还要占用大量土地资源；(2)基站需要配套建设空调、传输、不间断电源等附属设备，根据中国移动的统计，基站的功率效率只有51%[10]，大量的能源被附属设备消耗；(3)基站的实际利用率低，通常情况下大部分基站只有列车通过时才有负载，但基站的处理能力仅供自身使用，无法与其他基站共享，造成基站处理能力的浪费。

云计算、网络功能虚拟化等技术的出现，推动了移动通信网络架构的变革[11]，作为下一代铁路移动通信网络，应采用满足铁路智能化需求的高性能、低成本、低能耗体系架构。C-RAN(Cloud Radio Access Network，云计算无线接入网)是中国移动首先提出的一种无线网络架构并得到了国内外运营商和组织的广泛支持[12]，中国移动在多个省进行的C-RAN规模部署，证明了C-RAN具有综合成本低、节能及抗干扰等优点。C-RAN为下一代铁路移动通信网络智能、绿色演进提供了技术手段，本文分析了C-RAN的基本架构以及在铁路使用C-RAN带来的技术优势和挑战，根据未来铁路移动通信业务需求，提出了下一代铁路移动通信网络的部署方案，最后，基于铁路移动通信技术发展现状，提出了铁路移动通信网络演进路线。

1 下一代铁路移动通信业务需求

未来铁路移动通信网络需要在列车高速运行环境下，提供高带宽、低延迟、高可靠的数据、语音服务以及必要的紧急通信服务[13]。其中，可靠的承载列车运行控制、调度指挥等业务仍然是下一代铁路移动通信的首要问题，列车自动驾驶乃至无人驾驶是未来铁路的发展趋势，下一代铁路移动通信网络需要为此提供服务保障。包括以下几个方面：

(1)移动授权、临时限速、自然灾害报警、站台屏蔽门控制等列车运行控制信息以及全自动洗车等辅助业务信息；

(2)列车牵引制动、火灾报警、故障报警等列车运行状态监测信息；

(3)列车向地面控制中心传输驾驶室、旅客车厢以及运行前方轨道状况等视频监控信息，画面质量需要满足调度运行需求；

(4)地面控制中心向列车发送紧急文本、图像及视频等旅客服务信息；

(5)为铁路运营维护人员提供集群调度通信业务，为旅客提供紧急报警服务；

(6)为列车提供可靠的位置跟踪服务。

未来的铁路移动通信网络还应为旅客提供体验良好的移动宽带服务，随着智能铁路的不断推进，为旅客提供高速互联网、移动云办公、在线视频、在线云教室、在线游戏、增强现实等服务将成为铁路的重要增值业务，这些应用也需要较高的带宽及严格的延迟要求。

根据应用特征及应用级别，未来铁路移动通信服务可以划分为不同类别的用例[14]，如图1所示。

图1 未来铁路移动通信服务用例

(1)基本功能：主要定义了移动台开关机、移动性管理、会话管理、基本数据通信、基本语音通信等功能。

(2)苛求应用：与列车运行控制、调度指挥及养护维修密切相关的通信服务，包括语音调度通信、铁路紧急通信、列车自动控制、列车自动驾驶、列车接近预警、列车定位等业务。

(3)性能需求应用：与提升铁路维护管理效率相关的应用，如列车运行监测、实时视频传送等。

(4)商业应用：与旅客服务相关的无线互联网、实时流媒体等应用。

3GPP针对未来高速铁路应用场景提出了以下目标[15]：在最高速度为500 km/h的条件下，用户能获得数据速率为100 Mbps的移动宽带服务，同时网络还应支持同一列车多达500用户同时在线的高连接密度。4 MHz频段GSM-R网络上下行峰值吞吐量约为172 kbps[16]，无法支撑未来铁路的发展需要，下一代铁路移动通信网络应充分考虑未来铁路运营维护和旅客服务两方面的需求。

2 C-RAN架构及关键技术

2.1 无线接入网络基本架构

C-RAN的基本思想是将基带处理集中部署并云化[17]，形成基带资源池统一管理和分配，在远端仅设置射频单元和天馈线，通过高速光传输网络传送经过模数转换的无线信号。如图2所示，C-RAN由基带资源池、光传输网络和协作式无线电网络三部分组成。

图2 C-RAN基本结构

基带资源池引入企业级的云计算平台，由一个或多个虚拟BBU(Base Band Unit，基带单元)集群构成，提供动态的基带处理能力；协作式无线电网络由多个RRU(Remote Radio Unit，射频拉远单元)构成，提供服务区域的无线覆盖；高速光传输网络在BBU集群与RRU之间提供高带宽、低延迟连接。与传统的分布式基站不同，C-RAN模糊化了物理上的小区，BBU和RRU之间没有固定的连接关系，每个RRU上发送或接收的信号由一个虚拟的BBU处理，而这个BBU是一个逻辑实体，由可配置的资源共享池动态分配。

在5G网络中，C-RAN的概念也进一步演进[18]，BBU功能被重构划分为CU(Centralized Unit，集中单元)和DU(Distributed Unit，分布单元)两部分，CU主要用于实现高层协议栈，处理非实时内容；DU主要用于实现物理层和实时性要求较高的第二层功能。CU采用通用的硬件，部署在虚拟化的处理平台之上；DU采用专用硬件平台，以便实现高密度的数学计算。

2.2 C-RAN架构的优势及技术特征

C-RAN架构具有基带资源集中化、计算资源云化、协作式无线收发等特征，铁路下一代移动通信网络使用C-RAN具有明显的优势。

(1)降低综合成本和能耗

当前GSM-R网络的基站均需要配套建设机房及大量附属设备，而在C-RAN中，轨旁只配置RRU和天线，用于实现数模转换、信号滤波、变频等射频相关功能。RRU体积小、功耗低并易于安装，无需建设机房，由于RRU可以接近天线放置，大大减小了馈线长度和由此引起的信号衰耗，RRU的发射功率也可以适当减小。

同时，BBU集中化放置在少数的机房内，基带资源可以按需分配，由多个RRU共享，提高了基带资源的利用效率。引入软件无线电和网络功能虚拟化等技术后，还可以使用通用硬件来代替原来相对昂贵的专用硬件设备。

可见，采用C-RAN架构可以减少建设成本和运营成本，并节省能源消耗。

(2)提高容灾能力

基带资源云化后，传统的基站实体已经不复存在，由一个或多个BBU池对外提供基带处理能力，BBU池之间以及BBU池内部组件之间通过高速交换网络互连，基带处理能力可以被动态地重新配置和调整。这就使得网络具备了很强的容灾容错能力，部分组件故障可能会导致基带处理能力下降，但不会出现基站退出服务等问题。

(3)便于设备运用维护

C-RAN架构中，轨旁的RRU设备功能简单，可以实现较高的可靠性，基带及相关辅助设备被集中放置在骨干机房内，机房可以选择设置在车站等交通便利地点。与传统的网络架构相比，可以减少工作人员前往现场维护、巡检的频次和工作强度。

2.3 基带信号前传

BBU和RRU之间通常采用光纤连接，实现基带信号前传，前传接口协议主要包含两种：CPRI(Com-mon Public Radio Interface，通用公共射频接口)及OBSAI(Open Base Station Architecture Initiative，开放式基站架构)。在C-RAN架构中，基带资源被聚合在一起，需要大量的光纤构建前传网络。下一代移动通信网络普遍采用多天线技术和更高的频段带宽，对前传网络的传输速率提出了更高要求，以配置了8发8收、20 MHz频段带宽的LTE(Long Term Evolution，长期演进)基站为例，CPRI接口传输速率需求可达9.8 Gbps，而在5G网络中传输速率需求还将进一步提升。

在节省光纤资源的同时实现高带宽、低延迟的基带信号前传成为C-RAN面临的挑战之一。近年来，相继提出了许多前传网络解决方案[19-20]，相关的研究主要集中在提高光纤数据承载能力和减少前传网络传输速率需求等方面。

(1)使用无源波分复用技术，利用光复用器将十几个至几十个载波复用到单根光纤上传输，从而大幅度节省光纤资源。

(2)使用非线性量化、I/Q数据压缩等技术实现回传压缩。

(3)将BBU的部分基带处理功能下移到RRU中，降低传输接口带宽需求。目前，基于以太网的下一代前传接口标准也正在制定之中，以满足未来5G前传网络的组网需求[21]。

3 下一代铁路移动通信网络部署方案

3.1 无线接入网络部署方案

如图3所示，无线接入网络可以采用RRU、DU、CU三层结构，在铁路沿线布设RRU及配套的定向天线，形成椭圆形小区实现对铁路的覆盖。在车站、区间中继站等位置设置DU，通过光纤或高速传输网连接多个RRU。CU可以按线路或者区域设置，连接多个DU，CU也可以和下一代核心网同址设置。

图3 下一代铁路移动通信网络组网方案

通过DU和CU的集中设置，可以较少机房等配套设备的数量、提高计算资源的利用效率，节约建设成本和能耗。同时，机房选址更加灵活，可以避免在自然条件恶劣、交通条件差或征地成本高的地点建设机房，降低维护成本。

在下一代铁路移动通信网络中，小区通过软件配置的方式逻辑划分，可以通过RRU合并扩大单个小区的覆盖范围，增大无线覆盖冗余度、节省信令开销，提高用户的服务质量。

3.2 车载终端无线访问方案

目前，列车内部的GSM-R移动台通过安装在列车顶部的天线接收和发送无线信号，以“复兴号”动车组为例，两端各安装了8根天线分别供列车自动防护系统、机车综合无线通信设备、车载地震紧急处置装置及机车远程监测与诊断系统使用。下一代移动通信中，为对抗多径衰落，终端普遍采用分集接收技术，单个移动台至少需要两个天线，而随着移动通信网络所承载的应用类别扩充，未来列车内的移动终端数量也会大大增加，列车无法为每个终端提供独立的车顶天线，移动终端面临着严重的穿透损耗问题。

为了解决这一问题，下一代铁路移动通信网络可以使用MRN(Mobile Relay Node，移动中继节点)无线访问架构，在列车内安装由回程链路和接入链路两部分构成的MRN，回程链路使用车顶天线连接基站，接入链路使用内部天线为车载终端提供服务，如图4所示，列车可以通过泄露同轴电缆实现对车厢内部的无线覆盖。

图4 MRN无线访问架构

MRN的类别可以分为层1中继、层2中继和层3中继，层1中继在物理层对信号进行放大和前传，这种方式会对干扰信号和噪声无差别的放大；层2中继实现了无线资源调度功能，首先对接收到的信号解码，再进行编码和转发，可有效去除中继信道的干扰和噪声；层3中继可以看作是一个实现了无线回传功能的基站，具备无线资源管理和移动性管理等功能。与普通移动终端相比，MRN大小和功率受到的限制比较少，可以使用更为复杂的智能天线技术、信号处理技术和高速条件下越区切换方案，除了克服穿透损耗之外，还有利于提高网络的服务质量。

4 下一代铁路移动通信网络演进路线

自从青藏铁路GSM-R网络开通以来，我国已经建设了覆盖数万公里铁路的GSM-R网络，调度通信、机车同步操控、列车运行控制等许多重要业务承载在GSM-R网络之上，GSM-R网络向下一代铁路移动通信网的过渡必将是一个长期过程，可以预见，未来一段时期内下一代铁路移动通信网将与GSM-R网络共存，图5是本文提出的下一代铁路移动通信网络演进路线。

图5 下一代铁路移动通信网络演进路线

(1)借鉴C-RAN在公众移动通信网中的应用经验，将C-RAN带来的新架构和新技术引入到GSM-R网络之中，建设和改造GSM-R无线接入网。初期可以使用分布式基站的方式，将BBU集中并简单堆叠，随着技术的不断成熟，将BBU虚拟化并向云化平台演进。

(2)在世界范围内LTE-Advanced Pro已经得到广泛的部署，5G首个商用部署标准3GPP R15已于2017年底冻结，5G商用时代即将到来。为满足未来智能铁路发展需求，研究下一代铁路移动通信网络需求定义、功能要求和频率要求等内容，建设C-RAN架构铁路专用下一代网络，充分利用云计算、网络功能虚拟化等新技术，降低网络建设及维护成本。

(3)研究GSM-R/下一代网络双模部署方案，开发双模基站，实现GSM-R与下一代网络共享站址、机房、铁塔、天馈和传输等资源，保护GSM-R网络现有投资，帮助GSM-R向下一代移动通信网络平滑演进。

(4)随着铁路下一代网络普及和技术上的成熟，将原来承载在GSM-R网络上的应用业务逐步迁移到下一代网络之上，最终实现GSM-R退网。

5 结语

下一代铁路移动通信网络应满足未来智能铁路、移动互联网的长期发展需求，充分利用移动通信领域的新技术和新方案，为铁路运营维护和旅客提供高带宽、低延时、高可靠的车地通信服务，同时还应考虑节约建设成本、运营维护成本以及节能环保等方面的需求。C-RAN是一种新型网络架构，将基带处理与射频部分分离并集中设置，形成云计算架构基带资源池，减少机房等配套设备的数量，实现资源共享，可以推动下一代铁路移动通信网络的绿色演进。为满足列车内部移动终端高速数据传输需求，采用基于移动中继的终端无线访问方案，解决列车顶部天线布设困难等问题，扩展网络覆盖、提高系统容量。在下一代铁路移动通信网络建设的同时，采用新技术、新架构对GSM-R进行改造，逐步将承载在GSM-R的业务迁移，最终实现GSM-R向下一代铁路移动通信网络的平滑演进。