铁路5G专网组网方案研究

2023-01-02毛若羽

中国设备工程 2022年2期

毛若羽

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

经过多年的应用发展与技术积累，我国铁路行业在通信技术体系构建与完善方面得到了明显加强，如从原本的无线列调逐渐过渡到G网通信发展过程，并构建出全球最大的铁路专用数字移动通信系统网络。其中，随着3G、4G以及5G等技术的更迭变换，铁路通信技术体系内容得到了进一步健全与发展。随着5G公网的成功商用，国铁集团决定采用5G制式建设打造下一代无线专网。结合当前发展情况来看，为满足我国高速铁路发展需求，铁路专网方面借助5G技术构建专网集群通信技术体系实现对列车运行过程的有效控制。根据相关数据表明，截至2019年年底，全国范围内的铁路专用数字移动通信系统网络在覆盖里程方面已经高达7万千米。铁路领域通过引入5G技术基本上可有效支撑铁路事业发展，具有重要的应用价值。

1 铁路数字移动通信系统功能分析

1.1 铁路调度通信

铁路调度通信基本上可以视为铁路数字移动通信系统的重要功能表现。在业务领域方面，铁路调度通信业务主要围绕列车调度、货运调度以及动车调度的工作内容进行统筹规划与合理部署。其中，各项业务的应用需要涉及移动终端以及固定终端等平台系统，完成个呼与组呼过程。要求车务以及机务等行车相关人员应主动借助铁路专用移动通信设备实现对行车过程的集中管控。

如相关人员可以按照规定要求进行语音联络，并重点针对行车安全信息进行提示，保障行车要求得以满足。结合当前发展情况来看，我国铁路调度通信从原来无线列车调度系统逐步发展成为当前所应用的铁路数字移动通信系统，即GMS-R系统。但无论是应用哪种通信系统，都需要利用车机联控模式进行操作应用。对于铁路数字移动通信系统而言，该网络体系可根据调度通信业务呼叫场景以及用户使用习惯的情况，从智能网设备方面入手，针对调度通信业务进行统筹规划与合理部署，并提供接入矩阵以及位置寻址等功能。

1.2 铁路列车控制

我国于2009年正式启用基于铁路数字移动通信系统网络的列控系统，该系统的推广与应用为我国高铁安全运营提供了良好的系统保障。其中，GSM-R网络通过借助电路交换数据业务功能，实现对列车控制系统安全数据的自主获取。并根据数据反馈情况对当前调度通信过程进行合理管控。与调度通信相同，GSM-R网络也可以视为电路域业务的领域范畴。电路域主要是针对电路交换技术而言，不同用户所涉及的时隙问题不同，通常表现为数据量小且时延低的特点。

而基于GSM-R网络的电路域技术在一定程度上可以实现对铁路调度通讯的集成管控，同时，也可以满足列车控制业务需求。目前，为进一步增强铁路数字移动通信系统的运行功能，行业内部人员主动利用5G网络的分组域架构形式，保障业务资源可以实现共享。需要注意的是，面对网络承载技术的变化发展，无论是铁路调度、通信还是列车控制业务，都需要在原有技术的基础上不断演化与发展，才能够真正适应5G网络运营发展。

2 系统架构分析

从客观角度上来讲，铁路5G专网通信技术在系统架构方面主要可以围绕5G核心网、无线网、终端系统等部署内容进行统筹规划与合理实践。其中，核心网系统可主动与铁路多媒体调度系统之间构建互联关系。这样做的主要目的在于保障调度固定用户与5G移动用户之间可以构建良好的多媒体通信关系。其中，铁路多媒体调度系统应具备良好的兼容功能，能够有效兼容5G核心网主要接口与协议。为了保证专网与公网共建共用的可能，须充分了解公网5G组网规划。以中国移动5G核心网络为例，分为公众业务网和企业服务网采用统一的云硬件平台，云资源统一调配，核心网功能独立设置；其中公众5G核心网按照各省设置核心网逻辑功能，企业服务网络按照8个大区设置核心网逻辑功能；公众业务网和企业服务网根据业务应用需要、地市等就近部署边缘计算平台（MEC）。

3 铁路5G专网集群通信技术方案研究

目前，我国已建成全球最大的铁路专用数字移动通信系统网络。根据相关数据表明，截至2019年年底，全国范围内的铁路专用数字移动通信系统网络在覆盖里程方面已经高达7万千米。但是，从客观角度上来讲，随着智能铁路等新理念的提出与实施，传统铁路专用数字移动通信系统所存在的技术局限性问题越来越明显，甚至无法满足铁路行车以及运营维护需求。为及时克服这一技术难题，铁路行业内部重点针对5G技术的应用发展问题进行了深度研究。从整体角度上看，铁路领域通过引入5G技术基本上可以有效支撑智能铁路发展，具有重要的应用价值。

3.1 基于服务功能的网络架构

5G网络采用了基于云的服务化架构，控制面与用户面网元分离，控制面网元可集中部署，用户面网元（UPF）与业务系统就近部署。5G核心网相对GSM-R核心网由独立的网元设备组网演进为基于云架构的逻辑网元组网，并可根据业务需要进行切片管理。5G核心网基于服务化架构，对计算、存储、资源调用有其特殊性，对平台性能要求高，需采用电信级云硬件平台独立建设，不宜与其他云平台混合部署。建议采用控制面集中管理，按大区制设置铁路专用5G核心网方案，基于5G开放式服务架构，控制面集中管理，每个大区可提供多个路局5G核心网控制面功能，路局设置MEC与多个大区互联实现控制面功能冗余，大区模式可实现控制面的系统统一管理，按照大区模式建设核心网成本较低，集中管理模式可为行业应用提供更可靠的业务保障。

3.2 调度通信业务实现方案

铁路专网与公众网络存在明显不同，既没有庞大的用户数量支撑，同时，也没有相关产业链的支撑，因此在铁路部署5G专网方案后，建议研究人员应采用多模终端转换网络制式方法，减少网络复杂性问题并减少建设成本。与此同时，对于铁路调度通信业务而言，研究人员应主动结合5G专网MC系统移动终端，实现语音业务之间的互通。并借助多媒体调度系统的固定终端，完成对列车行进过程的控制管理。对于5G网络而言，MC系统中的语音、视频以及数据等业务内容均可以视为MC系统的关键数据内容。具体实现方法可以从下述两个方面进行研究分析。

5G专网移动用户与GSM-R网络实现语音业务互通的方案措施。业务互通方案可以结合铁路5G专网MC系统运行情况，主动与GMS-R系统完成设备关联过程。同时，GSM-R与5G专网移动用户可针对用户号码问题进行协调优化，如采用不同号段的用户号码进行操作应用。举例而言，号码段“149”可以设置为GSM-R用户、号码段“148”可以设置为5G用户。

基于5G专网移动用户的调度通信系统固定用户实现语音业务互通过程的方案措施。关于这一方案实现问题，建议研究人员可以主动从多媒体调度台发起呼叫与FAS调度台发起呼叫两个方面进行实现与分析。其中，对于多媒体调度台发起呼叫而言，目前所采取的双发方式可以主动将车次功能号准确反馈到5G网络以及GMS-R网络中。移动通信网中的智能网设备可主动识别被叫功能号注册情况完成对相关任务的识别与管理。一般来说，如果同时返回呼叫接续，系统会自动选择5G网络。对于多媒体调度系统而言，可主动利用LMF流程实现对5G移动用户位置的自主获取，并根据数据反馈情况，对用户所属移动通信网络流程问题进行自动梳理与优化。

除此之外，对于FAS调度台发起呼叫而言，系统可根据5G网络建设需求构建多媒体调度系统。在这一过程中，不仅可以实现铁路数字移动通信系统网络覆盖区段调度功能，同时，也可以实现对FAS调度台的有效处理。举例而言，在铁路数字移动通信系统网络覆盖区段的作用下，调度员可使用FAS调度台完成相关通信任务。对于特殊情况下的呼叫需求而言，研究人员可对当前FAS系统进行功能升级，并将相关信息反馈到多媒体调度系统中，完成呼叫接续过程。