王同軍

（中國國家鐵路集團有限公司，北京100844）

0 引言

2020年3月，黨中央提出關(guān)于加快5G網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的決策部署，各行各業(yè)加速向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國數(shù)字經(jīng)濟增加值35.8萬億元，對GDP增長貢獻率為67.7%［1］。鐵路作為最大的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，是國民經(jīng)濟大動脈、重大民生工程和綜合交通運輸體系骨干，是國家基礎(chǔ)性、服務(wù)性和支柱型重要產(chǎn)業(yè)。如何將鐵路發(fā)展與數(shù)字新基建融合，既是新時代提出的要求，也是鐵路自身提升效率效益、保持高質(zhì)量發(fā)展的迫切需要。發(fā)展智能鐵路，在現(xiàn)有物理鐵路網(wǎng)基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用云、物、大、智、移、定位等多種新型技術(shù)，是實現(xiàn)鐵路從傳統(tǒng)基建向新基建轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。

智能高鐵不是先進智能技術(shù)與控制技術(shù)在高鐵各專業(yè)獨立應(yīng)用的簡單疊加，而是通過不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域、面向高鐵生命周期不同階段信息系統(tǒng)的集成融合［2］，物理高鐵與數(shù)字技術(shù)協(xié)同融合，共同構(gòu)建智能高鐵。智能高鐵概括為“一核三翼”［3］，實現(xiàn)“智能高鐵大腦平臺”這一核心與智能建造、智能裝備、智能運營3個“翅膀”以及鐵路現(xiàn)場各子系統(tǒng)之間的智能聯(lián)接，是實現(xiàn)高鐵移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理［3］的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

作為第四次工業(yè)革命的重要支撐之一，5G成為世界各國爭相發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)高地，歐美日韓等發(fā)達國家和地區(qū)高度重視5G發(fā)展，制定了5G發(fā)展戰(zhàn)略。據(jù)2020年6月最新統(tǒng)計，全球已有81個運營商部署了5G商用網(wǎng)絡(luò)，覆蓋占全球GDP約72%的國家和地區(qū)，包括歐洲和亞太地區(qū)的主要經(jīng)濟體。全球5G用戶超過9 000萬，5G基站已部署70萬座，預(yù)計到2020年底，將超過150萬座。根據(jù)我國工業(yè)和信息化部（簡稱工信部）在“2020年中國國際信息通信展覽會”發(fā)布的報告，截至2020年9月，我國總計建設(shè)5G基站50萬座，5G終端連接數(shù)量超1億，已初具規(guī)模，預(yù)計2020年底5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國地級以上城市，5G在智能電網(wǎng)、智能建造、智慧港口等多個領(lǐng)域已有典型應(yīng)用案例［4］。

5G是目前已商用的技術(shù)中最先進、產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢最好、適合行業(yè)應(yīng)用的寬帶移動通信技術(shù)體系，是構(gòu)建鐵路智能聯(lián)接的首選。推進鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，既是落實我國5G新基建戰(zhàn)略部署的重要舉措，同時在實現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化，保障鐵路運輸安全，鞏固我國鐵路在世界領(lǐng)先優(yōu)勢等方面具有重要支撐作用。

1 鐵路移動通信發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外鐵路

為保證列車運行控制和調(diào)度指揮互聯(lián)互通，歐盟于1997年開始部署GSM-R系統(tǒng)，承擔(dān)列車調(diào)度通信、列車運行控制等功能。根據(jù)歐洲電信組織2018年提交的報告，歐盟20多個國家部署GSM-R系統(tǒng)，總里程約10萬km。

國際鐵路聯(lián)盟（UIC）于2014年正式設(shè)立未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS）項目，開展鐵路下一代移動通信技術(shù)研究工作。FRMCS項目研究下設(shè)功能、架構(gòu)和技術(shù)、頻譜3個工作組。截至目前，F(xiàn)RMCS已發(fā)布用戶需求規(guī)范（URS V5.0.0），并計劃于2021年發(fā)布第1個完整版本的功能需求規(guī)范（FRS）和系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）。德國鐵路計劃于2019—2024年進行5G的研究和試驗，期間繼續(xù)部署900 MHz GSM-R系統(tǒng)；2025—2034年規(guī)模部署5G。

日本鐵路目前主要以150、300和400 MHz頻段承載列車無線通信業(yè)務(wù)。近年來，在高頻段通信技術(shù)上的研究進展較為迅速，先后研發(fā)、試驗了用于列車無線通信的40、60和90 GHz等毫米波頻段通信系統(tǒng)，并積極推動將90 GHz頻段系統(tǒng)納入5G標準。

韓國鐵路無線通信使用150、400、700、800 MHz和18 GHz頻段，計劃將800 MHz集群通信替換為700 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)。

1.2 我國鐵路

我國鐵路專用通信用于支持行車指揮、列車控制、安全防范、生產(chǎn)作業(yè)、經(jīng)營管理、應(yīng)急搶險等方面的信息承載和調(diào)度通信，發(fā)揮著不可替代的重要作用。目前，我國鐵路專用移動通信主要采用450 MHz無線列調(diào)和900 MHz GSM-R系統(tǒng)。

450 MHz無線列調(diào)制式落后，采用模擬對講技術(shù)，現(xiàn)有7萬km線路仍在使用。自2012年起，工信部停止相關(guān)產(chǎn)品型號核準，沒有產(chǎn)品可以供貨，鐵路沿線現(xiàn)有450 MHz無線列調(diào)設(shè)備普遍使用10年以上，急需升級改造。

21世紀初，為滿足我國高速鐵路發(fā)展，在國家主管部門支持下，鐵路取得了寶貴的900 MHz頻率資源發(fā)展GSM-R系統(tǒng)，現(xiàn)已部署線路6.5萬km，有力支撐了高速鐵路、重載鐵路、高原鐵路的調(diào)度指揮、列控、重載列車同步操控等多項安全運用［5］。近年來，隨著通信技術(shù)的快速演進和升級換代，公網(wǎng)GSM逐步退網(wǎng)，GSM-R產(chǎn)業(yè)支撐能力也隨之萎縮。

10余年來，我國高速鐵路實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)快速發(fā)展，2017年開始進入智能化引領(lǐng)階段［2］。隨著智能京張的開通運營和智能京雄的即將開通，已初步形成智能鐵路應(yīng)用格局；預(yù)計到2025年，將全面掌握從設(shè)計、建造到運營的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)；到2035年，實現(xiàn)鐵路運營全面自主操控、無人化［6］。隨著我國鐵路向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，新一代列控、多媒體調(diào)度通信、智能調(diào)度指揮、移動視頻監(jiān)控、基于建筑信息模型（BIM）的智能建造、自學(xué)習(xí)及自適應(yīng)的譜系化智能動車組、全面感知的列車無人駕駛（DTO）、面向多種交通方式的智能綜合協(xié)同指揮、旅客無障礙出行服務(wù)［6］等各種新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，鐵路移動通信業(yè)務(wù)需求不斷增長。450 MHz模擬對講和GSM-R技術(shù)均以語音業(yè)務(wù)為主，GSM-R僅具備窄帶數(shù)據(jù)傳輸能力，現(xiàn)有鐵路移動通信系統(tǒng)已成為制約智能鐵路高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸。

2015年，原中國鐵路總公司科技管理部和運輸局組織原中國鐵道科學(xué)研究院等單位，從頻率、標準、業(yè)務(wù)、系統(tǒng)研發(fā)和試驗等方面對鐵路下一代移動通信技術(shù)開展相關(guān)技術(shù)研究，重點對LTE-R等技術(shù)進行全面研究和系統(tǒng)試驗，取得了一系列研究成果；同時對5G技術(shù)、標準、產(chǎn)業(yè)進行密切跟蹤和研究，為后續(xù)開展5G研究奠定了基礎(chǔ)、積累了經(jīng)驗。

2 智能高鐵對移動通信的業(yè)務(wù)和功能需求

在我國智能鐵路體系架構(gòu)中，智能建造、智能裝備、智能運營共涉及15個應(yīng)用系統(tǒng)和16個服務(wù)方向［2］，通過移動通信系統(tǒng)，將云端大腦、集中管控系統(tǒng)與現(xiàn)場各子系統(tǒng)作業(yè)終端聯(lián)接，形成互聯(lián)互通、協(xié)同互動、有機統(tǒng)一［3］的關(guān)系，對移動通信的承載能力和服務(wù)質(zhì)量提出了新的要求。

（1）在智能建造方面，以BIM+GIS技術(shù)為核心，應(yīng)滿足工程設(shè)計及仿真、數(shù)字化工廠、精密測控、自動化安裝、動態(tài)監(jiān)測等工程化應(yīng)用，以及勘察、設(shè)計、施工、驗收、安質(zhì)、監(jiān)督等環(huán)節(jié)［3］對移動通信的需求。例如，解決勘察數(shù)據(jù)高效采集和傳輸，BIM的精細化建模以及BIM工程管理平臺和現(xiàn)場施工的實時數(shù)據(jù)交互，橋隧路軌、客站、四電等施工現(xiàn)場的智能化作業(yè)，智能工地現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時回傳和分析。通過建造過程智能化信息實時交互，全面提升建筑工程和生產(chǎn)制造的質(zhì)量、安全、環(huán)境、效益的管理水平。

（2）在智能裝備方面，著重解決全方位態(tài)勢感知、自動駕駛、運行控制、故障診斷、故障預(yù)測與健康管理［3］的通信需求，實現(xiàn)高鐵移動裝備及基礎(chǔ)設(shè)施的自感知、自診斷、自決策、自適應(yīng)、自修復(fù)。例如，車車通信列車接近預(yù)警、司機超視距駕駛、列車運行控制、自動駕駛、多媒體調(diào)度通信等新技術(shù)應(yīng)用，可提升運輸生產(chǎn)安全水平和效率；通過實施鐵路沿線遠程視頻實時監(jiān)測、技術(shù)作業(yè)站智能調(diào)車等技術(shù)手段，可減少沿線巡檢人員、現(xiàn)場調(diào)度人員數(shù)量，降低勞動強度，提高工作效率。

（3）在智能運營方面，主要包括極致便捷的出行服務(wù)、預(yù)測性運營維護、主動性安全防控和智能化經(jīng)營管理［3］的通信需求。例如，為旅客提供購票、進站、候車、乘車、出站等全環(huán)節(jié)的出行服務(wù)，要求通信連接無處不在；構(gòu)建智能運維系統(tǒng)，通過實時回傳基礎(chǔ)設(shè)施及移動裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析劣化機理及演變規(guī)律，實現(xiàn)預(yù)測性維修；通過高鐵固定設(shè)施、移動裝備、運輸過程及自然環(huán)境等的狀態(tài)感知，實現(xiàn)設(shè)備故障、行車事故趨勢預(yù)測預(yù)警，做到超前防范；構(gòu)建貨場貨物交接、裝卸等生產(chǎn)組織自動化體系，通過視頻和數(shù)據(jù)信息實時交互，實現(xiàn)貨場作業(yè)遠程操作，打造智慧貨場。

將以上業(yè)務(wù)需求映射為通信系統(tǒng)功能，要求系統(tǒng)支持點對點、點對多點等多種通信方式；業(yè)務(wù)類型應(yīng)支持語音、數(shù)據(jù)和視頻多媒體通信；同時要求具備集群調(diào)度、多優(yōu)先級保障等鐵路特有功能［7］，實現(xiàn)業(yè)務(wù)綜合承載。

按照應(yīng)用場景劃分，大體可分為鐵路正線連續(xù)廣覆蓋（高速場景，滿足調(diào)度指揮、列車運行控制、接近預(yù)警、超視距駕駛等車地、車車通信需求）、站場熱點區(qū)域（低速或靜止場景，滿足客貨站、編組站、動車所等多類型作業(yè)需求）、沿線固定設(shè)施狀態(tài)感知（靜止場景，對沿線重點線路區(qū)段、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測等）和智能移動體通信（高速或相對靜止，包括列車定位、移動裝備監(jiān)測和診斷、客運服務(wù)、車內(nèi)視頻下傳等）。不同場景下，通信體相對速度、業(yè)務(wù)帶寬、可靠性、連接數(shù)量的要求差異較大。

與之前各代移動通信技術(shù)相比，5G的綜合承載能力得到了全面提升。針對鐵路復(fù)雜多變的應(yīng)用場景，可充分發(fā)揮5G的技術(shù)優(yōu)勢。

3 5G技術(shù)特點及適用性分析

從本質(zhì)上講，5G技術(shù)集成多種先進通信信息技術(shù)為一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)類型多元化、寬窄帶業(yè)務(wù)融合化、通信連接泛在化、應(yīng)用場景多樣化、服務(wù)質(zhì)量差異化，滿足萬物智聯(lián)的需要。

3.1 應(yīng)用場景

5G技術(shù)支持增強型移動寬帶（eMBB）場景、大規(guī)模機器類通信（mMTC）場景和超可靠低時延通信（uRLLC）場景（見圖1）［8］。

圖1 5G應(yīng)用場景

3.2 技術(shù)特點

5G技術(shù)標準由國際標準組織第三代合作伙伴計劃（3GPP）統(tǒng)一制定。2018年6月頒布第1個版本R15，2020年7月頒布R16，預(yù)計2021—2022年頒布R17。目前，5G標準處于持續(xù)演進過程中（見圖2）。5G具有大帶寬、大連接、高可靠和低時延的技術(shù)特點。

圖2 5G標準演進

3.2.1 大帶寬

5G大帶寬特性主要針對高清視頻、大容量數(shù)據(jù)傳輸場景，可支持1.5 Gb/s的峰值數(shù)據(jù)速率和100 Mb/s的多用戶體驗速率，最高支持500 km/h運行速度。

由于5G頻率利用率已接近香農(nóng)定理的極限，增加數(shù)據(jù)傳輸速率需要占用更多的頻率資源，目前公網(wǎng)5G系統(tǒng)普遍采用的頻率帶寬均在100 MHz以上，同時在基站部署大規(guī)模天線陣列實現(xiàn)多流數(shù)據(jù)傳輸（MIMO）。鐵路5G專網(wǎng)由于頻率資源受限，預(yù)計在2×10 MHz頻率帶寬條件下的數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達到60～70 Mb/s。

基于移動閉塞和衛(wèi)星定位的下一代列控、多媒體調(diào)度通信、基于車車通信的列車接近預(yù)警、司機超視距駕駛、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)下傳等業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)傳輸速率要求高，5G大帶寬特性可為此類業(yè)務(wù)提供支撐。

利用5G大帶寬特性，實現(xiàn)調(diào)度人員能直接看到調(diào)度現(xiàn)場和列車環(huán)境，將列車運行前方路況和前車狀況視頻圖像、視頻分析結(jié)果等信息傳送到駕駛室內(nèi)，調(diào)度系統(tǒng)向列車發(fā)送圖形化的進路預(yù)告信息，調(diào)車作業(yè)前方和尾部路況視頻實時回傳等，將有效提高行車等運輸生產(chǎn)安全水平。

3.2.2 大連接

大連接特性主要是針對物聯(lián)網(wǎng)場景，支持每平方公里100萬數(shù)量的用戶連接密度，終端采用低功耗、低速率的通信技術(shù)，適合現(xiàn)場長時間使用，單終端的傳輸速率可達百kb/s，支持運行速度較低或靜止。

實現(xiàn)智能鐵路的全面感知和泛在互聯(lián)，需要將鐵路沿線、站場分布的大量基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)裝備狀態(tài)傳感數(shù)據(jù)上傳給集中管控和云端大腦進行綜合智能分析。5G的大連接特性適合于此類業(yè)務(wù)，將為鐵路物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展提供通信支撐。

利用5G大連接特性，實時回傳橋梁、隧道、路塹、長大坡道、站房等重點區(qū)域的大量傳感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震等更廣范圍、更大密度的信息精準感知和實時傳輸，提升沿線基礎(chǔ)設(shè)施、自然災(zāi)害的安全監(jiān)測水平。

3.2.3 高可靠、低時延

5G高可靠、低時延特性主要針對車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等場景，支持低至1 ms的空中延遲，傳輸可靠性可達99.999%，相對于4G大幅提升。為實現(xiàn)高可靠、低時延特性，需要采用短數(shù)據(jù)包傳輸和重傳技術(shù)，結(jié)合邊緣計算技術(shù)，將數(shù)據(jù)在靠近終端的本地進行處理。

在鐵路站場，智能調(diào)車、智慧貨場相關(guān)控車業(yè)務(wù)安全可靠性和實時性要求高，且業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均在作業(yè)場站本地進行交互和處理，通過設(shè)置邊緣服務(wù)器，利用5G的高可靠、低時延特性，可承載智能調(diào)車關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用，滿足智慧貨場“車流不息、作業(yè)繁忙、不見一人”的作業(yè)需求，提高作業(yè)效率和安全水平。

3.3 鐵路適用性分析

3.3.1 切片技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備大帶寬、大連接、低時延的特點，但這些特性針對某一特定業(yè)務(wù)不能同時提供，需利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)分別實現(xiàn)，滿足不同應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)的特定需求。網(wǎng)絡(luò)切片是在同一系統(tǒng)中切分出多個端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，貫穿無線網(wǎng)、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)，每個邏輯網(wǎng)絡(luò)提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和特性，對應(yīng)不同的時延、安全性和可靠性等需求，以靈活應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。通過切片技術(shù)，采用1個物理網(wǎng)絡(luò)提供多個邏輯網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，共用物理資源降低成本，通過邏輯隔離業(yè)務(wù)定制、生命周期管理，提升運維效率。5G的切片方式靈活，可按照需求提供強隔離、弱共享或者弱隔離、強共享的切片服務(wù)，支持按業(yè)務(wù)屬性和用戶屬性2個維度進行切片劃分。

（1）按業(yè)務(wù)屬性劃分切片，用于對不同等級業(yè)務(wù)需求提供不同隔離級別的網(wǎng)絡(luò)資源。對于列控和調(diào)度語音通信等服務(wù)質(zhì)量要求高的業(yè)務(wù)，可采用強隔離、弱共享方式，從而在分組域網(wǎng)絡(luò)中為高可靠性業(yè)務(wù)提供等同于電路域服務(wù)質(zhì)量的保障效果。對于實時性、可靠性要求不高的業(yè)務(wù)，例如運營維護、監(jiān)測類業(yè)務(wù)，可采用弱隔離、強共享的切片，最大程度共享網(wǎng)絡(luò)資源，提高系統(tǒng)利用率。按業(yè)務(wù)屬性劃分切片示意見圖3。

圖3 按業(yè)務(wù)屬性劃分切片示意圖

（2）按用戶屬性劃分切片，用于為不同級別、不同身份的用戶提供定制的網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)。例如，可考慮按使用場景將終端劃分為車載類終端、手持類終端、物聯(lián)網(wǎng)類終端，或者結(jié)合業(yè)務(wù)功能將終端劃分為語音類終端、數(shù)據(jù)類終端、視頻類終端或多媒體終端等，按照實時性、可靠性、安全性的不同要求，為各類型終端劃分不同的通信網(wǎng)絡(luò)資源。按用戶屬性劃分切片示意見圖4。

圖4 按用戶屬性劃分切片示意圖

此外，利用公網(wǎng)承載鐵路非行車相關(guān)業(yè)務(wù)時，可采用對公網(wǎng)資源進行切片的方式，將鐵路業(yè)務(wù)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)進行物理或邏輯隔離，保障鐵路業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和安全性。

3.3.2 移動邊緣計算（MEC）技術(shù)

5G采用控制面與用戶面分離的架構(gòu)，用戶數(shù)據(jù)擺脫核心網(wǎng)“中心化”的約束，支持靈活的MEC部署方式，使數(shù)據(jù)的路由、計算、處理和存儲更加靠近現(xiàn)場和用戶。以鐵路站場業(yè)務(wù)為例，此類業(yè)務(wù)一般集中在站場區(qū)域內(nèi)，與正線業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)較小。通過在站場部署邊緣計算平臺，數(shù)據(jù)不需要到鐵路局集團公司核心網(wǎng)進行交換，在站場本地即可進行實時分流、快速處理，一方面提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時性、安全性和可靠性；另一方面可減少數(shù)據(jù)回傳對承載網(wǎng)的壓力，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

3.3.3 更精細的服務(wù)質(zhì)量保障機制

5G定義了8類服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，支持26種服務(wù)質(zhì)量特性和15個優(yōu)先等級，可滿足不同業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量和優(yōu)先級的要求，并支持準入控制、擁塞控制和業(yè)務(wù)搶占機制等，相比于GSM-R和LTE系統(tǒng)，5G服務(wù)質(zhì)量保障機制更加精細。在5G終端與核心網(wǎng)只建立1個無線承載的情況下，也能實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的差異化傳輸，降低建立通信鏈路的信令開銷。

鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用種類繁多，總體可分為行車應(yīng)用類、運營及維護類、旅客服務(wù)類等，不同類型業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和對通信質(zhì)量的需求差異大。在進行綜合業(yè)務(wù)承載時，利用5G精細的服務(wù)質(zhì)量等級和保障機制，對不同業(yè)務(wù)加以區(qū)分，確保高優(yōu)先級關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信順暢。利用5G多優(yōu)先級保障機制技術(shù)，可為列控業(yè)務(wù)提供高優(yōu)先級通信服務(wù)，支持列控系統(tǒng)向移動閉塞、車車間列控交互信息和全自動無人駕駛方向升級，及時提供衛(wèi)星差分信息、速度信息、列尾位置信息、電子地圖、線路視頻等，可進一步縮小列車追蹤間隔，提升行車效率。

3.3.4 增強的高速適應(yīng)性

5G標準規(guī)定支持500 km/h運行速度，適合高速鐵路場景使用。為提升高速適應(yīng)性，5G提供了多種子載波寬度，有利于降低多普勒頻移產(chǎn)生的載波間干擾影響；5G系統(tǒng)設(shè)計了靈活的解調(diào)參考信號（DMRS），將信號的時間密度增大，可及時跟蹤無線信道的快速變化，提升終端在高速條件下的解調(diào)性能；5G還設(shè)計了更短周期的探測參考信號（SRS），對上行信道的估計更加準確，有利于實現(xiàn)更精準的波束賦形算法，跟蹤終端的快速移動。

4 發(fā)展鐵路5G的制約因素與對策

在鐵路5G發(fā)展過程中，無線頻率、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)支撐和生命周期、技術(shù)經(jīng)濟性、網(wǎng)絡(luò)安全、人才儲備等是需要重點考慮的關(guān)鍵性因素，存在制約鐵路5G發(fā)展的可能，需要通過技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、政策支持等途徑化解。

4.1 無線頻率

頻率資源始終是移動通信發(fā)展需要考慮的首要因素之一，無線電頻率是實現(xiàn)鐵路新一代移動通信技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件。隨著移動通信向?qū)拵Щl(fā)展，考慮到低頻段頻率資源有限且處于碎片化分配，公網(wǎng)5G系統(tǒng)主要采用中高頻段工作。在我國鐵路可選的5G頻段中，2 100 MHz頻段最低，經(jīng)論證，采用2 100 MHz頻段（2×10 MHz）部署基于5G技術(shù)的鐵路新一代移動通信系統(tǒng)，在技術(shù)特性、承載能力、運用方案、組網(wǎng)和頻率使用率、干擾保護、系統(tǒng)運行和維護等方面，具備可行性［9］。

系統(tǒng)工作頻率將影響設(shè)備研發(fā)和定型、技術(shù)標準制定、頻率特性研究和試驗等工作，盡快完成頻率申請工作至關(guān)重要。

移動通信新技術(shù)的發(fā)展，不僅會導(dǎo)致無線頻率重耕，也會促進業(yè)務(wù)的遷移與整合。以5G為牽引，整合鐵路無線頻率和業(yè)務(wù)應(yīng)用，一方面可提高鐵路頻率資源的利用率，規(guī)范無線通信業(yè)務(wù)管理；另一方面可以更好地支持國家頻率規(guī)劃，為鐵路5G專用頻率指配提供技術(shù)支撐。在申請5G專網(wǎng)頻率的同時，需研究鐵路既有業(yè)務(wù)遷移和頻率騰退方案和計劃，可考慮率先開展450 MHz模擬對講、800 MHz單頻點業(yè)務(wù)遷移和頻率騰退工作。

4.2 技術(shù)成熟度

我國鐵路通信技術(shù)發(fā)展路線與UIC一致，即基于標準化技術(shù)體系，結(jié)合鐵路特點構(gòu)建鐵路專網(wǎng)。

R15標準版本規(guī)定了eMBB的技術(shù)特性，經(jīng)過5G在公網(wǎng)運營商的規(guī)模應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)展成熟；隨著2020年R16標準版本的頒布，規(guī)范了mMTC和uRLLC的技術(shù)特性，需通過公網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用逐步成熟完善。在此期間，根據(jù)鐵路應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求特點，研究適用于調(diào)度通信、列控等鐵路業(yè)務(wù)特有需求，且滿足高速適應(yīng)性、可靠性、冗余性和專用頻率特性等特殊功能和技術(shù)要求，開展鐵路專用關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的研究、開發(fā)、試驗驗證等工作，形成成套鐵路5G專網(wǎng)標準體系，預(yù)計需要3～4年。屆時，5G在公網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)和產(chǎn)品也將成熟，在此基礎(chǔ)上，疊加經(jīng)過試驗驗證的鐵路專用功能，并通過試用考核，可形成技術(shù)成熟的鐵路5G專網(wǎng)產(chǎn)品，具備規(guī)模部署條件。

4.3 產(chǎn)業(yè)周期

根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）統(tǒng)計，截至目前，全球共建成106張5G網(wǎng)絡(luò)；預(yù)計2025年全球20%的無線聯(lián)接將采用5G。

根據(jù)全球市場研究出版商QYResearch數(shù)據(jù)，2021—2026年中國和全球每年5G宏基站部署數(shù)量預(yù)測見圖5［10］，未來幾年將是5G系統(tǒng)的大規(guī)模部署期。

根據(jù)全球無線行業(yè)咨詢機構(gòu)Rysavy Research預(yù)測，全球5G產(chǎn)業(yè)總量預(yù)計2040年達到頂峰，5G將有一個較長的生命周期（見圖6）［11］。

圖5 2021—2026年5G宏基站部署數(shù)量預(yù)測

圖6 移動通信生命周期預(yù)測

另一方面，由于移動通信技術(shù)的發(fā)展和更新?lián)Q代較快，根據(jù)GSM、3G的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，5G的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和持續(xù)時間也可能隨著新一代移動通信技術(shù)的投用發(fā)生變化。鑒于此，在推進鐵路5G發(fā)展時，應(yīng)遵循“應(yīng)用與系統(tǒng)解耦”和“硬件與軟件解耦”的策略進行設(shè)計和部署。首先，在實現(xiàn)應(yīng)用與系統(tǒng)解耦時，兩者通過IP接口互聯(lián)，標準化接口協(xié)議，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)和通信系統(tǒng)各自獨立演進，互不牽扯和制約。以基于IP的列控業(yè)務(wù)研究為例，網(wǎng)絡(luò)演進為5G或其他IP化網(wǎng)絡(luò)，接口協(xié)議可保持統(tǒng)一不變，使通信系統(tǒng)的演進更為靈活。其次，5G核心網(wǎng)支持硬件與軟件解耦。5G核心網(wǎng)采用基于服務(wù)化的架構(gòu)（SBA），利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)，通過在標準化硬件上運行軟件模塊實現(xiàn)不同的網(wǎng)元功能，從而將網(wǎng)元的軟、硬件解耦。當服務(wù)器等標準化硬件升級換代，其性能將不斷增強，只要提供足夠的算力，軟件進行適當?shù)倪m配即可繼續(xù)使用，有利于延長5G的生命周期。

4.4 技術(shù)經(jīng)濟性

（1）技術(shù)能力。與GSM-R相比，鐵路5G單用戶數(shù)據(jù)傳輸帶寬由幾十kb/s提升到幾十Mb/s，提升千百倍，數(shù)據(jù)傳輸延時由幾百ms縮短至幾十ms，縮短90%；與4G相比，5G頻譜效率更高，支持業(yè)務(wù)和用戶切片、邊緣計算、用戶面和控制面分離等，同時滿足移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)、高可靠低時延等場景業(yè)務(wù)需要，可為鐵路關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障。

（2）經(jīng)濟性。目前5G產(chǎn)品的價格較高，是4G產(chǎn)品2～3倍。隨著未來5G系統(tǒng)在公網(wǎng)市場的大規(guī)模部署，借助公網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)支撐，預(yù)計2024年開始規(guī)模部署鐵路5G專網(wǎng)時，設(shè)備費用較目前將有較大下降，預(yù)期可處于合理的價格水平。

（3）能耗。按照通常估算，公網(wǎng)5G每基站能耗為4G的2～3倍［12］，主要由于5G占用的頻率帶寬100 MHz以上，遠超過4G系統(tǒng)20 MHz的頻率帶寬，5G基站可提供10倍于4G的網(wǎng)絡(luò)承載能力。對于鐵路5G專網(wǎng)而言，占用頻率帶寬預(yù)計為2×10 MHz，而且用戶量、業(yè)務(wù)量與公網(wǎng)相比相差大，能耗將小于5G公網(wǎng)基站。初步核算，鐵路5G專網(wǎng)基站設(shè)備功耗800～900 W，較4G基站增加10%～20%，較GSM-R基站增加1倍左右。業(yè)界正在研究采用智能自適應(yīng)休眠、智能升壓、光伏太陽能供電、液冷降溫等創(chuàng)新技術(shù)［12］，以降低5G基站能耗。

4.5 網(wǎng)絡(luò)安全

5G采用全IP方式，在實現(xiàn)多業(yè)務(wù)綜合承載時，終端和地面?zhèn)染嬖诮尤氚踩蜆I(yè)務(wù)隔離問題。

鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)需要綜合利用鐵路專網(wǎng)和運營商公網(wǎng)2部分資源，才能實現(xiàn)鐵路移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施、運營和維護人員的泛在互聯(lián)。這種公專網(wǎng)融合應(yīng)用天然存在網(wǎng)絡(luò)和信息安全風(fēng)險。開展網(wǎng)絡(luò)安全專項研究是鐵路5G技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新研究的重要組成部分。在鐵路安全技術(shù)研究基礎(chǔ)上，需借鑒其他專網(wǎng)、公網(wǎng)的安全防范經(jīng)驗，運用好5G提供的網(wǎng)絡(luò)切片功能，利用統(tǒng)一的地面接入和安全管控平臺，結(jié)合終端側(cè)的安全認證和防護措施，實現(xiàn)公專網(wǎng)系統(tǒng)隔離、業(yè)務(wù)隔離和終端安全接入，構(gòu)建安全可信的鐵路5G網(wǎng)絡(luò)。

5 鐵路5G專網(wǎng)發(fā)展路線

5.1 總體思路

建設(shè)鐵路專用移動通信網(wǎng)是全球鐵路行業(yè)的一致選擇。鐵路專網(wǎng)采用專用頻率，獨立建網(wǎng)，安全可靠性高，主要承擔(dān)調(diào)度指揮、列控等行車安全相關(guān)的關(guān)鍵性核心業(yè)務(wù)。鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)和應(yīng)用，應(yīng)秉持新發(fā)展理念，堅持創(chuàng)新驅(qū)動、協(xié)調(diào)有序、開放融合、合作共享的原則，以鐵路行業(yè)優(yōu)勢科研力量為主體，積極聯(lián)合國家相關(guān)科研部門、高等院校、設(shè)計院、設(shè)備供應(yīng)商等力量，發(fā)揮相關(guān)科研機構(gòu)及5G產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)優(yōu)勢，依托國家級、中國國家鐵路集團有限公司等科研課題，通過技術(shù)合作，協(xié)同開展5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、主要裝備研發(fā)等，制定技術(shù)和裝備標準規(guī)范，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鐵路5G專網(wǎng)技術(shù)體系和系列專用設(shè)備。同時，應(yīng)強化頂層設(shè)計，統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施。

5.2 建設(shè)原則

鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)要按照“統(tǒng)一標準、統(tǒng)一規(guī)劃、集中接入、集中采購”的原則實施。

（1）統(tǒng)一標準?；?GPP的5G標準，結(jié)合鐵路特殊應(yīng)用和安全可靠性要求，建立鐵路5G專網(wǎng)技術(shù)標準體系，并結(jié)合3GPP標準進度平滑升級，實現(xiàn)規(guī)范應(yīng)用和互聯(lián)互通，有利于降低成本，并易于維護。

（2）統(tǒng)一規(guī)劃。按照先終端后網(wǎng)絡(luò)、先核心網(wǎng)后無線網(wǎng)、先示范后推廣的實施思路，部署鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)。在系統(tǒng)過渡期內(nèi)，全路將同時存在鐵路5G專網(wǎng)、GSM-R和450 MHz無線列調(diào)等多種移動通信系統(tǒng)，通過率先部署多模車載設(shè)備，實現(xiàn)列車跨線、跨網(wǎng)運行，實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)過渡。

（3）集中接入?？紤]到鐵路應(yīng)用需求多、差異大，構(gòu)建地面統(tǒng)一接入平臺，各類非列控業(yè)務(wù)統(tǒng)一接入鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)核心網(wǎng)，實現(xiàn)集中接入、認證和安全管控；構(gòu)建車載移動通信節(jié)點，實現(xiàn)調(diào)度通信和非列控類車載業(yè)務(wù)統(tǒng)一接入鐵路5G專網(wǎng)無線網(wǎng)，解決多個專業(yè)各自裝備通信模塊空間受限問題，減少車頂天線數(shù)量，實現(xiàn)合理布局。

（4）集中采購。借鑒公網(wǎng)運營商集采模式和經(jīng)驗，研究規(guī)?；渴饤l件下的聯(lián)合集中采購方案，降低設(shè)備全生命周期綜合成本。

5.3 實施路線

按照研發(fā)試驗、示范考核、部署應(yīng)用3個階段有序推進鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)。

（1）在研發(fā)試驗階段，完成專用頻率申請；利用3～4年時間，完成鐵路5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、主要專用設(shè)備研制，主要標準制定、試驗驗證及試用考核等工作，在條件具備且示范效應(yīng)較好的線路先行先試，開展工程示范，為鐵路5G專網(wǎng)規(guī)模建設(shè)部署奠定基礎(chǔ)。

（2）在示范考核階段，完善鐵路5G專網(wǎng)標準體系；按照鐵路行業(yè)新產(chǎn)品上道流程，開展鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)和應(yīng)用主要設(shè)備試用考核（包括無線網(wǎng)、列控、調(diào)度通信等）；啟動車載終端的更新改造，為450 MHz無線列調(diào)、GSM-R向5G演進的過渡期內(nèi)列車跨網(wǎng)運行提供條件；啟動全路共用設(shè)備、核心網(wǎng)集中建設(shè)；啟動承載網(wǎng)建設(shè)。

（3）在應(yīng)用部署階段，完成全路共用設(shè)備和核心網(wǎng)的集中建設(shè)；完成車載設(shè)備的集中改造；對于新建鐵路，同步推進鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)；對于既有鐵路，按照大修周期和急用先上的原則開展鐵路5G專網(wǎng)改造；同步推進承載網(wǎng)的建設(shè)和改造。至2030年前后，全面建成鐵路5G專網(wǎng)，實現(xiàn)高鐵所有線路和普速主要干線鐵路移動通信系統(tǒng)全面升級換代。

通過推進鐵路5G發(fā)展，為建設(shè)數(shù)字化鐵路、智能鐵路提供重要技術(shù)支撐，樹立5G行業(yè)應(yīng)用典范。

6 結(jié)束語

深入貫徹落實黨中央關(guān)于加快“新基建”的決策部署，聚焦“交通強國、鐵路先行”，需要緊密結(jié)合鐵路特點，應(yīng)對新形勢，積極推動新時代鐵路高質(zhì)量發(fā)展。

5G技術(shù)具有多元化、寬帶化、泛在化等特點，適合于鐵路多場景應(yīng)用需要。在智能鐵路總體架構(gòu)中［6］，智能傳輸層是連接各個部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用5G技術(shù)為智能高鐵大腦平臺、智能建造、智能裝備、智能運營構(gòu)建鐵路多專業(yè)、多場景智能聯(lián)接平臺，無疑將成為智能鐵路技術(shù)體系中最為重要的信息交換樞紐和基礎(chǔ)支撐條件。

新技術(shù)的發(fā)展和換代帶來新的發(fā)展契機。5G作為新型通信技術(shù)，通過與鐵路各專業(yè)應(yīng)用技術(shù)深度融合，將為提升工程建造和運輸生產(chǎn)安全與效率、提升固定基礎(chǔ)設(shè)施和移動裝備監(jiān)測水平、提升客貨運輸服務(wù)品質(zhì)、降低運營維護成本提供支撐，助力鐵路數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，賦能中國鐵路向智能化發(fā)展。5G技術(shù)代表著新的生產(chǎn)力，其發(fā)展也非一蹴而就，如何構(gòu)建與之相適應(yīng)的生產(chǎn)關(guān)系，創(chuàng)新新機制、新業(yè)態(tài)，培養(yǎng)人才支撐隊伍，促進鐵路既有管理體制改革，是后續(xù)需要研究和思考的深層次問題。