丁建文，孫 斌，鄭 鵬，王 瑋，代 賽，鐘章隊(duì)

2017年以來,我國高速鐵路開始向智能化方向發(fā)展［1］。隨著智能京張和智能京雄投入運(yùn)營,標(biāo)志著我國智能鐵路的應(yīng)用格局已經(jīng)初步形成。基于物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù),實(shí)現(xiàn)物理高鐵與信息通信等數(shù)字技術(shù)的協(xié)同融合,是構(gòu)建智能高鐵的基礎(chǔ)［2］。作為落實(shí)國家5G新基建戰(zhàn)略部署的一項(xiàng)重要舉措,鐵路5G專網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)以業(yè)務(wù)和應(yīng)用創(chuàng)新為驅(qū)動力,實(shí)現(xiàn)人-人通信、人-機(jī)通信和機(jī)器之間的通信,在車地之間建立面向全場景、全業(yè)務(wù)、全鏈接,支持高速移動、高速率、高可靠、高實(shí)時(shí)、高安全的通信鏈路。構(gòu)建鐵路5G智能鏈接,才能確保實(shí)現(xiàn)智能鐵路各要素的全面感知、泛在互聯(lián)和融合處理。因此,智能鐵路應(yīng)用場景是5G的一個(gè)典型場景,近年來越來越受到國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注［3?4］。

國際鐵路聯(lián)盟（UIC）于2012年啟動了未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS）項(xiàng)目,開始選擇GSM-R的替代技術(shù),以應(yīng)對GSM-R系統(tǒng)設(shè)備逐步退網(wǎng)的情況。UIC從業(yè)務(wù)需求、技術(shù)可行性、頻率規(guī)劃等多方面進(jìn)行了梳理,提出了調(diào)度通信、自動列車控制、車地通信、旅客移動性互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)等68種基本通信業(yè)務(wù)要求［5］。FRMCS項(xiàng)目將鐵路關(guān)鍵安全業(yè)務(wù)需求通過歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）納入3GPP Rel16及之后的版本,為鐵路5G應(yīng)用提供了參考規(guī)范。

從發(fā)展趨勢與業(yè)務(wù)需求兩方面進(jìn)行分析,5G通信技術(shù)可以與智能鐵路發(fā)展緊密結(jié)合,支持鐵路信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展；5G也將賦予高速鐵路更快的速率與更可靠的連接,因此針對高速鐵路的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求,需要發(fā)展適合鐵路通信的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用。

1 鐵路5G的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

中國、日本、韓國以及歐洲等的高速鐵路網(wǎng)迅速發(fā)展,世界范圍內(nèi)的鐵路移動通信服務(wù)需求也在持續(xù)增強(qiáng)。未來鐵路將朝著客運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、安全監(jiān)控自動化,以及運(yùn)輸組織智能化的方向發(fā)展。鐵路5G將與云計(jì)算、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)鐵路車流、人流、物流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和深度挖掘,服務(wù)于鐵路智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營、智慧出行、智慧物流和智慧平臺。

1.1 國內(nèi)外鐵路通信發(fā)展現(xiàn)狀

電子通訊委員會（ECC）于2020年11月17日批準(zhǔn)了UIC提出的建議,為歐洲鐵路分配了900 MHz頻段的5.6 MHz帶寬和1 900 MHz頻段的10 MHz帶寬。UIC于2020年11月正式啟動了5G歐洲鐵路項(xiàng)目,旨在構(gòu)建和測試適用于鐵路運(yùn)營的首批5G原型,FRMCS為實(shí)現(xiàn)鐵路數(shù)字化邁出了重要的一步［6］。諾基亞正在與德國鐵路（DB）公司合作,為DB在德國漢堡的高度自動化S-Bahn運(yùn)營項(xiàng)目提供用于列車自動駕駛的5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）方案,該測試方案將驗(yàn)證5G技術(shù)是否足夠成熟,能否用作未來數(shù)字化鐵路運(yùn)營的通信技術(shù)［7］。日本NTT Docomo與日本中部鐵路公司合作,在新干線上進(jìn)行了鐵路5G無線傳輸測試,成功實(shí)現(xiàn)了283 km/h速度下列車與基站間穩(wěn)定的5G通信,以大于1 Gbps的傳輸速率實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)視頻的收發(fā),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高速列車在軌道旁臨時(shí)搭建的5G基站之間的連續(xù)切換［8］。

中國移動于2016年2月成立了5G聯(lián)合創(chuàng)新中心,聯(lián)合交通、工業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新群體,共同推進(jìn)基礎(chǔ)通信能力提升,明確行業(yè)痛點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求,孵化融合創(chuàng)新應(yīng)用和產(chǎn)品,為垂直行業(yè)提供創(chuàng)新應(yīng)用與業(yè)務(wù)解決方案。鐵路5G也具備了良好的技術(shù)儲備:中國鐵路于2018年在京沈客專進(jìn)行了LTE-R系統(tǒng)和承載多媒體調(diào)度通信等業(yè)務(wù)的試驗(yàn),為開展鐵路5G專網(wǎng)研究奠定了良好的基礎(chǔ)；國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)發(fā)布了《智能鐵路通信云技術(shù)白皮書》《鐵路下一代承載網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)白皮書》《綜合軌道交通5G應(yīng)用技術(shù)白皮書》等［9?11］,探討了5G技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用需求及關(guān)鍵技術(shù),分析了未來的演進(jìn)路線和面臨挑戰(zhàn)。2020年4月,為落實(shí)國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)部署,引領(lǐng)智能鐵路發(fā)展,國鐵集團(tuán)決策發(fā)展鐵路5G新一代移動通信系統(tǒng),開始推進(jìn)5G技術(shù)應(yīng)用科研攻關(guān),開展鐵路5G技術(shù)應(yīng)用研究,申請鐵路專用頻率,規(guī)劃進(jìn)行高速鐵路5G專網(wǎng)研究試驗(yàn)及公專融合承載鐵路業(yè)務(wù)試驗(yàn)。

1.2 鐵路移動通信的發(fā)展趨勢

近年來,世界各國鐵路均面臨著鐵路業(yè)務(wù)定制化、客貨運(yùn)輸需求增長快速化等挑戰(zhàn)。通過結(jié)合新一代移動通信技術(shù),提升鐵路系統(tǒng)效率與收益已經(jīng)成為鐵路行業(yè)發(fā)展趨勢。以德國鐵路發(fā)展為例,德國鐵路公司以數(shù)字化智能鐵路為發(fā)展契機(jī),于2016年提出《鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略》,深入運(yùn)營、維護(hù)、乘客交互等環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)變革,致力于構(gòu)造現(xiàn)代化鐵路通信系統(tǒng)［12］。與此同時(shí),德國鐵路計(jì)劃2023?2024年進(jìn)行5G承載鐵路業(yè)務(wù)的試驗(yàn)；2025?2029年在部分區(qū)域部署5G,采用900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)和900 MHz/1.9 GHz頻段5G系統(tǒng)混合組網(wǎng)；2029?2034年大規(guī)模部署5G,GSM-R系統(tǒng)所用頻譜逐步重耕為5G系統(tǒng)。

國內(nèi)外鐵路積極發(fā)展新一代信息技術(shù),并結(jié)合鐵路業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用發(fā)展方向制定了一系列中長期智能鐵路戰(zhàn)略規(guī)劃［13］。從國內(nèi)看,5G不僅具有良好的商業(yè)和政策環(huán)境,而且也將成為支撐各行業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。因此構(gòu)建鐵路5G網(wǎng)絡(luò),從鐵路5G專網(wǎng)與公專融合的技術(shù)路線出發(fā),研究鐵路5G創(chuàng)新應(yīng)用是十分必要的。同時(shí),隨著萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字化時(shí)代的到來,世界各國鐵路都面臨著客貨運(yùn)輸需求大幅增長、運(yùn)輸安全泛在化等重大挑戰(zhàn)。結(jié)合新一代移動通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路智能化已經(jīng)成為了世界鐵路未來發(fā)展的重要方向［14］。

2 鐵路5G網(wǎng)絡(luò)側(cè)關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)的GSM-R系統(tǒng)不同,鐵路5G系統(tǒng)的信息化和智能化水平將大幅提高,需要滿足全業(yè)務(wù)、全場景、全鏈接、強(qiáng)安全的需求。選擇并發(fā)展適用于鐵路的5G技術(shù),可以賦予高速鐵路更可靠的連接、更快的速率、更低的時(shí)延以及更廣闊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋,以滿足智能鐵路網(wǎng)對寬帶移動通信的需求［15?16］。因此,本節(jié)將從鐵路5G的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā),分析未來鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)的功能,并探索鐵路5G的創(chuàng)新應(yīng)用方案。

2.1 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與軟件自定義網(wǎng)絡(luò)

GSM-R系統(tǒng)中的核心網(wǎng)及無線網(wǎng)設(shè)備主要由各個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體組成,因此對于GSM-R系統(tǒng)來說,無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元的快速部署和替換。然而,在鐵路5G系統(tǒng)中,通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)基于云數(shù)據(jù)中心的鐵路5G網(wǎng)絡(luò)快速部署。鐵路5G NFV架構(gòu)見圖1。鐵路系統(tǒng)可基于SDN和NFV的控制域建立一個(gè)組件化的核心網(wǎng)絡(luò),再由核心網(wǎng)將各網(wǎng)元軟件化,并靈活地重建網(wǎng)絡(luò)功能,例如接入和移動管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、用戶面管理功能（UPF）等。同時(shí),采用SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路5G系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)域和控制域的完全分離。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)域?qū)Ｗ⒂谕負(fù)涓兄穆酚珊陀脩魯?shù)據(jù)的分布式轉(zhuǎn)發(fā),控制域則進(jìn)行信令面處理和網(wǎng)絡(luò)集中控制。

圖1 鐵路5G NFV架構(gòu)

2.2 多接入邊緣計(jì)算（MEC）

在高鐵場景下,列車的高速行駛面臨著信道的快速時(shí)變和有效吞吐量的急劇下降；在鐵路站場業(yè)務(wù)場景下,作業(yè)范圍是一個(gè)固定的區(qū)域,無線調(diào)車業(yè)務(wù)對時(shí)延要求非常敏感,對數(shù)據(jù)安全和可靠性要求也極高。針對上述場景下鐵路5G的新應(yīng)用,包括車載實(shí)時(shí)高清視頻監(jiān)控、車載設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與分析、客運(yùn)服務(wù)、站場作業(yè)等,如果將大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)全部回傳至地面云中心進(jìn)行處理,一方面需要大量的承載網(wǎng)帶寬資源,另一方面也會導(dǎo)致較大的時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)擁堵,因此需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣靠近基站側(cè)或在列車上部署MEC設(shè)備,提供更強(qiáng)大的計(jì)算能力和更低的處理延遲［17］,通過在本地為時(shí)延敏感業(yè)務(wù)提供服務(wù),減少回傳網(wǎng)絡(luò)的壓力。MEC將是鐵路5G中的一項(xiàng)新型關(guān)鍵技術(shù),它將云計(jì)算的能力擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)的邊緣,實(shí)現(xiàn)“云網(wǎng)融合,云邊協(xié)同”,降低列車與地面基站之間、地面基站與核心網(wǎng)之間的帶寬要求,提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。鐵路5G網(wǎng)絡(luò)中MEC集成部署見圖2。

圖2 鐵路5G網(wǎng)絡(luò)中MEC的集成部署

在鐵路5G網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)化架構(gòu)（SBA）中,需要在網(wǎng)絡(luò)資源功能（NRF）中注冊各網(wǎng)元業(yè)務(wù)并激活。在鐵路5G網(wǎng)絡(luò)中,由MEC平臺的服務(wù)注冊模塊注冊MEC應(yīng)用程序提供的服務(wù)。服務(wù)注冊是應(yīng)用程序啟動功能的一部分。

用戶平面功能（UPF）對于在鐵路5G網(wǎng)絡(luò)中部署MEC起著關(guān)鍵作用。從MEC系統(tǒng)的角度來看,UPF可以看作是一個(gè)分布式的、可配置的數(shù)據(jù)平面。該數(shù)據(jù)平面的控制,即流量規(guī)則配置,遵循NEF-PCF-SMF路由。因此,在控制面,MEC作為鐵路應(yīng)用系統(tǒng)與核心網(wǎng)控制面對接,調(diào)用5G網(wǎng)絡(luò)提供的能力,同時(shí),可以通過MEC平臺（MEP）為邊緣應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)能力；在用戶面,本地UPF是MEC的一部分,通過N6接口對接MEC主機(jī)。鐵路MEC可以處理列車高速運(yùn)行期間生成的高速率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和鐵路站場產(chǎn)生的要求極低時(shí)延的數(shù)據(jù),使鐵路5G系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理更加實(shí)時(shí)高效。

3 鐵路5G的應(yīng)用場景與業(yè)務(wù)分類

3.1 鐵路5G的應(yīng)用場景

與前四代移動通信系統(tǒng)相比,5G在繼續(xù)提升人與人之間通信服務(wù)的基礎(chǔ)上,更側(cè)重于滿足人與物之間、物與物之間的通信服務(wù)需求,從而更適用于行業(yè)應(yīng)用需求。作為5G的典型應(yīng)用場景之一,高速移動場景受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,因此鐵路5G具有廣泛的應(yīng)用場景［18］。鐵路5G以應(yīng)用業(yè)務(wù)為中心,通過實(shí)現(xiàn)超寬帶、低時(shí)延、海量連接等功能,靈活地提供最佳用戶體驗(yàn)［19］。隨著我國鐵路通信技術(shù)的發(fā)展,車地之間的通信業(yè)務(wù)需求在不斷拓展,列車車況信息遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、優(yōu)化控制和自動駕駛、鐵路物聯(lián)網(wǎng)等各種新的業(yè)務(wù)需求不斷涌現(xiàn)并日益迫切。根據(jù)鐵路5G應(yīng)用需求,其應(yīng)用場景主要分為4類:鐵路正線連續(xù)廣域覆蓋、鐵路站場和樞紐等熱點(diǎn)區(qū)域、鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測和智能列車寬帶應(yīng)用。應(yīng)用場景分類與相應(yīng)特點(diǎn)見表1。相應(yīng)地,鐵路5G業(yè)務(wù)屬性可分為與行車相關(guān)業(yè)務(wù)、運(yùn)營及維護(hù)應(yīng)用業(yè)務(wù)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)。

表1 鐵路5G的應(yīng)用場景分類

1）鐵路正線場景,包括高鐵、客專、普速及貨運(yùn)線路。主要涉及列車與地面各應(yīng)用系統(tǒng)間的通信。由于列車移動速度快,且通信區(qū)域?yàn)閺V域,因此對業(yè)務(wù)的可靠性要求較高。該場景下的業(yè)務(wù)主要包括:調(diào)度通信業(yè)務(wù)、行車安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和車載設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。

2）鐵路站場和樞紐等熱點(diǎn)場景,包括大型客運(yùn)站、動車所、編組場等。該區(qū)域內(nèi),作業(yè)人員密集、車輛密集、業(yè)務(wù)量大,但用戶移動速率低。該場景下的業(yè)務(wù)主要包括:編組站通信業(yè)務(wù)、站場維護(hù)作業(yè)和多媒體通信業(yè)務(wù)等。

3）鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測場景,包括鐵路沿線電務(wù)、工務(wù)、供電等專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測和自然災(zāi)害監(jiān)測等。該場景下的業(yè)務(wù)為地面基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送,其主要特點(diǎn)是連接數(shù)量大,數(shù)據(jù)帶寬需求小。

4）智能列車寬帶應(yīng)用場景。各車廂間相對為靜止?fàn)顟B(tài),車地間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大,以地-車下行業(yè)務(wù)為主,例如車廂上網(wǎng)服務(wù)、乘客信息系統(tǒng)等。正線無法滿足通信需求時(shí),在車站或出入庫時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)集中傳輸。

3.2 鐵路5G的業(yè)務(wù)分類

根據(jù)鐵路行車安全業(yè)務(wù)對安全性和可靠性等方面的需求,鐵路5G系統(tǒng)必須申請相應(yīng)的專用頻率,基于專用頻率部署全套的鐵路5G專網(wǎng)。但是由于頻譜資源緊張,鐵路5G專網(wǎng)的現(xiàn)有頻段無法滿足所有業(yè)務(wù),故仍需使用公網(wǎng)授權(quán)頻譜進(jìn)行分流。綜合考慮,鐵路5G系統(tǒng)將采用專網(wǎng)和公網(wǎng)融合架構(gòu),協(xié)同完成鐵路5G中的各項(xiàng)業(yè)務(wù)。根據(jù)不同業(yè)務(wù)的時(shí)延、緊急程度、帶寬需求,可將鐵路5G業(yè)務(wù)分配至相應(yīng)的專網(wǎng)、公網(wǎng)、專網(wǎng)公網(wǎng)融合的架構(gòu)中。鐵路5G業(yè)務(wù)分類見圖3。

圖3 鐵路5G業(yè)務(wù)分類

從鐵路5G業(yè)務(wù)的使用范圍分析,又可將鐵路5G應(yīng)用業(yè)務(wù)分為全路業(yè)務(wù)、路局級業(yè)務(wù),以及站場業(yè)務(wù)。全路業(yè)務(wù)和路局級業(yè)務(wù)包括CTCS-3級列控業(yè)務(wù)、多媒體調(diào)度通信、調(diào)度命令無線車次號校核傳送、車車通信列車接近預(yù)警、超視距軌道環(huán)境監(jiān)測預(yù)警等；站場級業(yè)務(wù)包括站場無線調(diào)車、無感進(jìn)出站、室內(nèi)精準(zhǔn)定位、可視化生產(chǎn)指揮調(diào)度等。

4 鐵路5G的創(chuàng)新應(yīng)用方案

結(jié)合鐵路5G的不同組網(wǎng)方式,提出以下典型應(yīng)用方案。例如,基于鐵路5G專網(wǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用:多媒體調(diào)度通信和下一代列控信息傳送；基于鐵路5G公專網(wǎng)融合的創(chuàng)新應(yīng)用:基于車車通信的列車接近預(yù)警信息傳送；基于5G公網(wǎng)的鐵路創(chuàng)新應(yīng)用:基于5G的列車多媒體信息服務(wù)。

4.1 基于鐵路5G專網(wǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用

4.1.1 多媒體調(diào)度通信

基于鐵路5G的多媒體調(diào)度通信不僅能夠解決語音傳輸,還可以支持鐵路通信中的視頻傳輸業(yè)務(wù)。通過任務(wù)關(guān)鍵型通信（MCx）系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)鐵路5G專網(wǎng)用戶之間的語音、數(shù)據(jù)和視頻通信,5G專網(wǎng)與GSM-R、鐵路有線調(diào)度通信等系統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)互聯(lián)互通。圖4給出了鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)中的MCx組網(wǎng),平臺層以鐵路5G專網(wǎng)、SIP核心（SIP Core）為承載,實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)處理和智能分析,形成一套完整的應(yīng)用服務(wù)平臺。多媒體調(diào)度通信將支持更加豐富的終端類型,例如行車調(diào)度臺、多媒體手持終端等。在全I(xiàn)P傳輸?shù)哪Ｊ较?鐵路5G的多媒體調(diào)度通信能夠支持調(diào)度臺、手持臺等多類終端間的語音單呼與組呼、視頻單呼與組呼、緊急呼叫、文本數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄻踊F路通信專用業(yè)務(wù)?；阼F路5G專網(wǎng)的多媒體調(diào)度通信相比基于GSM-R的傳統(tǒng)有線調(diào)度通信系統(tǒng),在以下方面有所提升:由純語音通信變?yōu)檎Z音、視頻通信,能夠?qū)崟r(shí)可視行車運(yùn)行狀態(tài)；接入地理信息系統(tǒng)（GIS）地圖,能夠更直觀地動態(tài)展示列車運(yùn)行狀態(tài)信息；在呼叫建立時(shí)延、話權(quán)搶占時(shí)延、語音質(zhì)量等體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）性能指標(biāo)方面有質(zhì)的提升,呼叫建立時(shí)延能夠在1 s內(nèi)完成,極大地提高了用戶體驗(yàn)。

圖4 基于鐵路5G專網(wǎng)的多媒體調(diào)度通信

4.1.2 下一代列控信息傳送

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是保障高鐵安全高效運(yùn)行的核心裝備,是指揮列車運(yùn)行的控制中樞。作為國際公認(rèn)的發(fā)展方向,下一代智能列控系統(tǒng)將充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、寬帶移動通信技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)減少軌旁設(shè)備、多元融合測速、移動閉塞和車車協(xié)同智能控制［20］。

我國鐵路自2009年以來,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于GSM-R的CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng),未來需要向鐵路5G專網(wǎng)承載的下一代列控系統(tǒng)演進(jìn)?？紤]到車載終端設(shè)備的更新改造進(jìn)度和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)度,需要實(shí)現(xiàn)從GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載向鐵路5G專網(wǎng)承載的平滑過渡、GSM-R線路與鐵路5G專網(wǎng)線路無縫切換；同時(shí),支持無線鏈路冗余,保障系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。通過鐵路5G專網(wǎng)承載下一代列控安全信息傳輸,其系統(tǒng)架構(gòu)見圖5?；阼F路5G專網(wǎng)的下一代列控系統(tǒng)由車載設(shè)備和地面控制器構(gòu)成。車載設(shè)備無線傳輸單元實(shí)現(xiàn)鐵路5G專網(wǎng)鏈路建立、保持、監(jiān)視通信鏈路及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；車載設(shè)備通過衛(wèi)星定位和列車完整性檢查,將車載定位信息通過5G專網(wǎng)發(fā)送到地面控制器；地面控制器根據(jù)前后車位置、線路信息等計(jì)算出行車許可,發(fā)送給車載設(shè)備。

圖5 基于鐵路5G專網(wǎng)的下一代列控安全信息傳輸

根據(jù)下一代列控系統(tǒng)的總體需求,需實(shí)現(xiàn)移動閉塞和列車主動防護(hù)。在移動閉塞中,地面控制器基于列車向地面設(shè)備發(fā)送的列車位置信息、列車長度和列車完整性信息來判斷列車占用軌道資源的情況。在列車主動防護(hù)中,通過鐵路5G專網(wǎng)提供的全I(xiàn)P通道,前車可以將位置、狀態(tài)等信息通過車車通信發(fā)送給后車,使后車增加了獲取前車位置的渠道,綜合地面設(shè)備發(fā)送的信息,增強(qiáng)了主動防護(hù)能力。下一代列控信息傳送對鐵路5G專網(wǎng)的可靠性、可用性提出了更高的要求。

4.2 基于公專融合組網(wǎng)的鐵路5G創(chuàng)新應(yīng)用

基于車車通信的列車接近預(yù)警信息傳送系統(tǒng)通過公專融合的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信,通過點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)車車間的位置信息傳送,其系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。其中,公專融合組網(wǎng)可分為無線和有線兩部分。無線側(cè)包括鐵路5G專網(wǎng)和5G公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片；有線側(cè)通過安全網(wǎng)關(guān)為應(yīng)用系統(tǒng)在鐵路內(nèi)網(wǎng)和5G公網(wǎng)之間傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖6 基于車車通信的列車接近預(yù)警信息傳送系統(tǒng)架構(gòu)

列車在開車前通過鐵路5G網(wǎng)絡(luò)向當(dāng)前列車位置控制器（TLC）注冊,利用GNSS全球定位系統(tǒng)并結(jié)合多傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車自主定位,采用車地間5G無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。位置信息主要包括列車運(yùn)行速度、方向、公里標(biāo)、線路號、時(shí)間戳等。列車位置控制器可以結(jié)合線路號和其余在途列車所上報(bào)的位置信息進(jìn)行綜合檢測和分析,實(shí)時(shí)向當(dāng)前列車匯報(bào)其前/后車的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)前列車根據(jù)列車控制器反饋的前/后車關(guān)聯(lián)信息,進(jìn)行位置報(bào)告,對自身所處位置進(jìn)行預(yù)警邏輯運(yùn)算。通過列車位置控制器,列車可動態(tài)計(jì)算與前/后車的距離,當(dāng)車-車間距離小于預(yù)設(shè)安全門限時(shí),列車司機(jī)可獲得預(yù)警提示。

4.3 基于公網(wǎng)的鐵路5G創(chuàng)新應(yīng)用

5G作為先進(jìn)的移動通信技術(shù),可以服務(wù)于智能鐵路智慧出行服務(wù),為旅客列車提供多媒體信息服務(wù)、旅客5G上網(wǎng)服務(wù)、高清視頻轉(zhuǎn)播、智慧觀賽等。未來冬奧會時(shí),可以在動車組上進(jìn)行基于5G網(wǎng)絡(luò)的賽事超高清直播。由于旅客列車多媒體信息服務(wù)的下行帶寬需求大、安全性要求較低、與行車業(yè)務(wù)無關(guān),因此可以通過5G公網(wǎng)來承載相關(guān)業(yè)務(wù)。

基于5G的列車多媒體信息服務(wù)系統(tǒng)通過列車中心服務(wù)器中的5G公網(wǎng)模塊和車載天線接入鐵路沿線公網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò),從視頻直播源運(yùn)營平臺實(shí)時(shí)獲取視頻源,經(jīng)多個(gè)運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)匯聚后,發(fā)送到車載平臺,車載平臺進(jìn)行直播流的分發(fā)、匯聚、拉流和編解碼,通過車廂內(nèi)無線局域網(wǎng)為旅客提供直播和轉(zhuǎn)播服務(wù)。其系統(tǒng)架構(gòu)見圖7。車載平臺由中心服務(wù)器、單車服務(wù)器、AP、車載多頻段天線和交換機(jī)等組成。其中,中心服務(wù)器同時(shí)接入多個(gè)運(yùn)營商5G公網(wǎng),實(shí)現(xiàn)直播流的拉流和動態(tài)緩存,同時(shí)將直播流分發(fā)給各個(gè)車廂的單車服務(wù)器,單車服務(wù)器通過WiFi AP為旅客提供視頻流的直播,并可根據(jù)需求進(jìn)行視頻流切換。

圖7 基于5G的列車多媒體信息服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

5 總結(jié)與展望

在高鐵移動通信領(lǐng)域,我國已經(jīng)從GSM-R領(lǐng)域的跟隨者逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殍F路5G網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)跑者。將5G技術(shù)引入鐵路通信,能夠使GSM-R時(shí)代很多只能展望的應(yīng)用業(yè)務(wù)逐步實(shí)現(xiàn),同時(shí)提升了鐵路通信業(yè)務(wù)的靈活性和場景適應(yīng)性?；阼F路5G專網(wǎng)和公專融合的各項(xiàng)創(chuàng)新應(yīng)用能夠滿足智能鐵路的發(fā)展要求,有效提升高速鐵路的安全性、可靠性和運(yùn)營效率,促進(jìn)鐵路智能化和智慧化的實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)鐵路5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢和當(dāng)今高速鐵路智能化發(fā)展的業(yè)務(wù)需求與挑戰(zhàn),分析了適合未來鐵路發(fā)展的5G關(guān)鍵技術(shù),給出了基于鐵路5G的典型創(chuàng)新應(yīng)用方案。未來鐵路5G的發(fā)展需要堅(jiān)持融合創(chuàng)新的理念,以解決鐵路多種多樣的業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向,從而打造可管、可控、可信、可測、可視、可靠的新一代寬帶移動通信系統(tǒng)。