新一代铁路通信系统演进探讨

陈 苏，赵 晟

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

1 概述

铁路通信系统主要由基础承载网、业务网、支撑网和移动通信网组成，包括传输、接入网、电话交换、数据通信网、有线调度通信、移动通信、会议电视、电报、综合视频监控、专用应急通信、时钟同步、时间同步、综合布线、电源设备、电源及设备房屋环境监控、综合网络管理、防雷及接地、通信线路等10多个子系统。现有系统大量采用同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、窄带接入网、程控交换和全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）等技术，其总体技术水平仍然停留在20世纪90年代至21世纪初。面对旅客服务、电子客票、公安、视频监控等数据业务的急速增长，现有系统逐渐成为铁路业务发展的瓶颈，采用新技术、新理念对现有铁路通信系统进行重构已刻不容缓。本文就新一代铁路通信系统更替和演进路径进行初步探讨。

2 铁路通信系统发展现状及分析

2.1 铁路传输网

铁路传输网采用基于SDH的多业务传送平台（Multi-Service Transfer Platform，MSTP） 组网，骨干层构建SDH 10 Gbit/s传输系统，汇聚层构建SDH 2.5 Gbit/s传输系统，接入层在车站间构成1～3个SDH 622 Mbit/s两纤单向通道保护环。随着面向IP的全业务时代到来，现有网络的局限性已日益显现，主要体现在以下3个方面。

1）系统层级多、容量小，不能满足大颗粒业务的接入和承载需求。

2）无法实现带宽的统计复用，资源利用率低。

3）不支持网络切片、灵活连接、超高精度时间同步等业务。

2.2 铁路接入网

铁路接入网采用星型组网方式，在通信站或重要车站设置光线路终端（Optical Line Terminal，OLT），在沿线各车站、段/所等处设置光网络单元（Optical Network Unit，ONU）。系统采用传统窄带接入技术，无法适应多样化的接入需求，“最后一公里”接入依托于铜缆网络，传输质量不稳定，且需消耗大量金属资源。

2.3 铁路移动通信系统

目前国内新建、改建铁路均采用铁路数字移动通信系统（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）， 在 铁 路局调度所设置GSM-R核心网，在重要通信站设置基站控制器（Base Station Controller，BSC）和网管，在铁路沿线设置基站（Base Transceiver Station，BTS）和无线中继设备，并为移动和固定用户配置终端设备。该系统采用数字窄带移动通信技术，其业务承载和处理能力已远远不能满足铁路智能化发展的需要，主要体现在以下3方面。

1）上、下行仅有各4 MHz带宽可供使用，业务承载能力弱。

2）在铁路枢纽、多线并行交越区域，GSM-R系统内部同频、邻频干扰严重，特大型枢纽的频率规划尤其困难。

3）GSM系统的全球产业链已急剧萎缩，网络的安全可靠性无法保障。

2.4 铁路数据通信网

铁路数据通信网按核心节点、汇聚节点和接入节点三层架构组网，在铁路局调度所设置核心路由器，在重要节点设置汇聚路由器，在各车站、段/所设置接入路由器。为满足区间视频业务的接入和传输需求，在各基站、信号中继站和电气化所亭等处设置三层交换机。由于基站、信号中继站、电气化所亭等区间节点数量众多，导致数据通信网覆盖范围过大，提高建设和运营成本。同时，随着视频、数据业务的飞速增长，数据通信网已向万兆带宽发展，而现有传输系统无法提供万兆中继通道，造成网络带宽瓶颈。

2.5 铁路综合视频监控

铁路综合视频监控系统由视频节点、视频汇集点、视频采集点、承载网络和视频终端组成。在中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）设置视频核心节点，在铁路局设置视频区域节点，在大型及以上客运站设置Ⅰ类视频接入节点，在其他车站或视频采集点较集中的位置设置Ⅱ类视频接入节点。随着智能铁路技术的不断发展，疫情防控、生产作业、公共安全等领域对于视频业务的需求呈现出爆炸性增长态势。因此综合视频监控系统覆盖范围不断扩大，图像分辨率不断提高，对传输带宽和存储容量的要求越来越高，导致现有系统难以满足视频业务发展的需求，主要存在以下问题。

1）设备分散配置，资源利用率低，维护工作量大。

2）采用“烟囱式”架构，资源共享和业务协同困难。

3）兼容性和扩展性差。

3 新一代铁路通信系统演进探讨

3.1 铁路通信系统演进方向

通过上述分析可知，既有的铁路通信系统主要基于TDM电路交换技术，随着云计算、大数据、物联网、5G、人工智能等新兴技术的不断涌现，新一代铁路通信系统向业务分组化、系统融合化、架构扁平化、应用虚拟化、设备通用化、维管集中化方向演进已是大势所趋。

3.2 新一代铁路通信系统总体架构

新一代铁路通信系统是以云计算、IP分组交换、软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）和网络切片等技术为核心的融合通信网络，具有资源高度集中、架构高度简化、系统深度融合等突出特点。其总体架构如图1所示。

图1 新一代铁路通信系统总体架构示意Fig.1 The overall architecture diagram of the new generation railway communication system

3.3 新一代铁路通信系统组网方案分析

3.3.1 铁路传输网

随着云计算、SDN、NFV、5G、超高清视频、物联网等新兴技术在智能铁路中的大量应用，铁路传输网必须具备大容量、低时延、高可靠、灵活连接、差异化承载等能力。基于上述需求，可采用切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）构建新一代铁路传输网。详细方案如下。

1）简化铁路传输网网络结构，将网络架构由当前的三层改为两层，使网络更加扁平化。组建SPN 400 Gbit/s骨干层传输系统，在各通信站和车站设置SPN 400 Gbit/s传输设备；组建SPN 100 Gbit/s接入层传输系统，在各通信站、车站、线路所、基站、信号中继站和电气化所亭等处设置SPN 100 Gbit/s传输设备，以两层SPN网络作为铁路通信基础承载平台。

2）基于SPN的新一代传输网容量为现有传输网的40倍，可轻松满足5G、超高清视频、旅客服务、电子客票、公安等大带宽业务承载需求。

3）SPN网络通过切片以太网（Slicing Ethernet，SE）技术将以太网组网技术从L2扩展到L1，可提供确定性低时延、硬管道隔离的以太网一层组网能力。通过引入切片以太网，SPN 网络具备基于以太网的多层组网能力，匹配差异化业务承载要求。对于5G、列控、全自动运行等实时性要求非常高的业务，通过以太网码块交叉技术和以太网业务透明映射技术，实现端到端透明承载，以满足其极低的时延要求；对于超高清视频、旅客服务、电子客票、公安等低时延分组业务，通过在业务接入节点进行L2和L3的分组调度，网络内节点进行以太网码块交叉，实现网络内的低时延快速转发。对于其他业务，通过二层和三层的分组调度，实现高效带宽利用。

4）利用SPN 400 Gbit/s骨干层传输系统为本线至铁路局各业务中心、数据通信网大带宽中继、跨线数据传输等业务提供大容量传输通道，可适当减少铁路局局干光传送网（Optical Transport Network，OTN）覆盖范围，降低OTN网络建设和运营成本。

5）SPN具备带内时间同步传输能力，可为5G提供百纳秒量级的超高精度时间同步信号。

3.3.2 铁路接入网

新一代铁路接入网可采用吉比特无源光网络（Gigabit-Capable Passive Optical Network，GPON），该系统具有带宽大、体积小、能耗低、组网灵活、支持分组业务、满足多业务接入、覆盖范围广等优点。在各车站、段/所、信号中继站、电气化所亭等处设置OLT，在各业务接入节点设置ONU，实现接入网全覆盖，满足视频、数据、语音等综合业务的接入需求。

3.3.3 铁路移动通信系统

智能铁路在运行速度、调度指挥、列车控制、运营管理、养护维修、乘客服务等方面将全面升级，对移动通信网络的安全性、可靠性、实时性、传输带宽、接入能力、多元化业务承载等方面提出全新的要求。5G具有超高速、高可靠、低时延等特点，支持高速移动场景应用，采用切片技术满足不同业务的多元化通信需求，支持网元功能虚拟化以促进网络融合，是新一代铁路移动通信系统的最佳选择。5G网络由5G核心网（5G Core，5GC）、多接入移动边缘计算（Multi-access/Mobile Edge Computing，MEC）、 集 中 单 元（Centralized Unit，CU）、 分 布 单 元（Distribute Unit，DU）和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）等功能实体构成。通过NFV 技术，将5GC、MEC、CU等网元云化部署，可有效降低5G网络的建设和运营成本。

3.3.4 铁路数据通信网

充分利用SPN网络的三层功能，简化数据通信网网络结构。在铁路局调度所设置核心路由器，在重要节点设置汇聚路由器，在设置站段边缘云的节点设置接入路由器，取消其余车站的接入路由器。在减少接入路由器数量的同时，提高其功能配置，使其具有更加强大的业务处理能力。同时，利用SPN 100 Gbit/s接入层传输系统承载区间视频业务，取消在各基站、信号中继站和电气化所亭等处设置的三层交换机，进一步降低数据通信网的建设和运营成本。

3.3.5 铁路云平台

铁路云平台按照国铁集团、铁路局、站段三层架构组网，5G、综合视频监控、电话交换、会议电视、铁路调度通信、应急通信和各类网管按不同层级进行云化部署。在国铁集团数据中心和铁路局数据中心分别设置集团中心云平台和路局综合云平台，替代各业务系统分散设置的服务器和存储设备，实现综合管控。每3～5个站段设置1套站段边缘云平台，替代各业务系统在站段设置的服务器和存储设备，形成资源高度整合的综合信息平台。在国铁集团数据中心设置云统一监管平台，对国铁集团和各路局云平台状态进行统一监管。在国铁集团数据中心设置统一云管平台，对其云资源进行管理。在路局数据中心设置统一云管平台，实现对中心和站段两级云平台资源、数据、应用、安全的统一监管。各级云平台通过承载网互联，实现数据交互。铁路云平台架构如图2所示。

图2 铁路云平台架构示意Fig.2 Railway integrated cloud platform architecture diagram

4 结语

从2003年秦沈客运专线建成通车至今，经过20年的高速发展，铁路通信系统已极其庞大，网络错综复杂。现网中采用传统技术的设备数量巨大，升级改造需要大量的时间和资金，不可能一步到位，只能采取逐步演进的方式。为适应智能铁路发展需求，应对通信信息技术快速发展，建议加快新一代铁路通信系统研究步伐，主要包括以下几方面。

1）全方位加快新一代铁路通信系统各项技术研究，建立并完善技术标准体系，制定出台系列规范和标准。

2）尽快开展铁路5G、多媒体调度通信等铁路专用通信设备研究，研发成套技术装备。

3）尽快建设新一代铁路通信系统试验线，对理论研究成果进行试验验证，形成设计、施工、调试和验收成套技术。

4）尽快出台新一代铁路通信系统建设计划，新建铁路通信系统按新标准进行建设，并逐步对既有铁路通信系统进行升级改造。