陆晓磊，陈雍珏，邓小市
（华为技术有限公司无线网络产品线，上海201206）
摘要：随着铁路高速化、智能化发展，铁路无线通信系统不仅提供基础的语音业务，宽带数据业务也成为其主要业务方向。结合当前无线通信技术发展现状，探讨5G移动通信技术在铁路行业中的可行性与技术优势。展望未来，铁路5G专网将成为铁路无线通信发展的方向，为我国铁路智能化发展发挥关键作用。 关键词：高速铁路；智能化；铁路5G专网；无线通信；GSM-R
中图分类号：U285文献标识码：A文章编号：1001-683X（2020）11-0050-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.11.050
0引言
铁路作为我国最早应用无线通信技术的行业之一，经过几十年的应用发展和技术积累，已形成与铁路管理体制相适应的铁路专用通信技术体系。进入21世纪，为满足我国高速铁路的发展需要，原铁道部正式确定了铁路专用数字移动通信系统（GSM-R）的技术方向［1］，有力支撑了高速铁路、重载铁路、高原铁路的列车调度通信和列车运行控制等多项行车安全业务运用。历经10多年发展，我国已建成全球最大的GSM-R 网络。截至2019年底，全国铁路GSM-R网络覆盖线路
里程接近7万km。
随着智能铁路等新的建设要求提出，GSM-R作为
窄带无线通信的技术局限性越发突出，无法满足铁路
行车应用和运营维护业务的需要。国际铁路联盟
（International Union of Railways，法语全称缩写UIC）梳
理了基于宽带移动通信的大量需求［2-3］，学术界也针对5G在铁路行业的应用展开了深入研究［4］。从业务需求与发展趋势看，铁路领域亟待引入无线宽带通信技术
支撑智能铁路新发展。
1铁路专用无线通信技术
1.1应用场景及业务
铁路专用无线通信技术主要为列车提供调度通信
和运行控制等行车安全业务无线承载，为铁路移动应
用提供可靠的高速车地无线通信。根据应用对象，铁
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2020G004）
第一作者：陆晓磊（1981—），男，营销总监。
E-mail：
铣刀头装配图铁路5G应用的可行性及技术优势分析陆晓磊等
路专用无线通信可分为行车应用、运营及维护应用、旅客服务信息应用3类［5］；根据业务需求，则分为无线调度语音业务、无线数据业务、无线视频业务3类：（1）无线调度语音业务。主要实现调度员、司机、行车保障人员、行车指挥人员之间的基本通话、组通话、优先级通话等。同时，为了满
足铁路特殊需求，还引入了功能寻址、位置寻址、铁路紧急呼叫等功能。
（2）无线数据业务。主要用于行车类安全应用业务承载，包括行车运行控制（CTCS-3、ATO）、安全防护（列尾、安全预警）信息、车次号校对调度等。此类业务涉及行车安全，对于无线通信的可靠性和安全性有很高要求，是铁路专用无线通信的核心业务。
（3）无线视频业务。主要包括司机超视距监控应用中的地车及车地视频传输，也包括对于列车关键部位（如驾驶室、列尾、转向架等）的视频监视图像通过无线方式实时传输至控制中心或地面监控站，进行集中监控。此类业务有助于提升列车行车安全，但由于需要在列车高速运行下实时传送视频，GSM-R已无法承载该类业务，需引入新的无线宽带系统满足实时回传要求。
1.2无线频率
受无线电传播特性限制，无线频率越低，空间传播损耗越低，传播距离越长。与之相对应，无线频率越高，空间传播损耗越大，传播距离越小。我国采用的模拟列调和GSM-R两种铁路专用无线通信技术频率均低于1000MHz，在传播距离和覆盖半径上有明显优势。
虽然低频段传播具有传播距离优势，但1000MHz 以下的频率资源基本已被运营商和各行业分配殆尽，无法获得更多的频率资源。而高频段带宽资源丰富、承载能力强、频谱效率高，能很好满足铁路专用无线通信系统宽带化发展需求。
综合各方面因素，新的铁路专用无线通信系统需要平衡覆盖与带宽的关系，应选择适合铁路高速智能发展要求的成熟无线频段部署。
1.3技术体制
目前，铁路部署的模拟列调及GSM-R均为窄带无线通信技术，无法满足铁路智能化发展要求。第五代移动通信技术（5G）作为最先进的无线宽带移动通信技术，设计上兼顾移动性和宽带性要求，支持的最高移动速度可达500km/h，还能为用户提供Gb/s级别的速率体验。自2019年起，5G已在公网运营商中大规模部署，成为一种成熟的移动通信制式，非常适合于未来的铁路专用无线通信。
在关键技术上，5G引入大规模天线阵列、多发多收、更高阶编码调制等技术，比4G的频谱效率提升了10%～20%。结合2018年原中国铁路总公司在京沈客运专线开展的LTE-R技术试验结果，预计在2×10MHz 组网，同样站间距部署条件下，5G单上行和下行的平均吞吐量可达约20Mb/s和30Mb/s，满足铁路各类行车业务需求。
综合看来，5G作为目前最新的无线通信技术，是铁路专用无线通信系统最好的选择，可为铁路提供安全可靠的无线宽带业务，满足各类行车应用需求，为铁路智能化发展奠定基础。
25G技术及标准发展
2.1无线通信技术
自20世纪80年代末第一代无线通信技术问世以来，经过40年的发展，移动通信技术已经进入了5G时代。5G是由第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）制定的广域无线通信技术，具有高速率、低时延和大连接等特点。根据3GPP定义，5G技术具有以下3个愿景目标（见图1）：（1）峰值速率达到10Gb/s；（2）空口时延低至1ms；（3）
每平方公里联接100万个设备。
图15G的3个愿景目标
铁路5G应用的可行性及技术优势分析陆晓磊等
2.25G标准
5G是新一代无线通信技术，3GPP将5G标准的制定分为2个主要阶段：第1阶段，R15基础版本主要面向增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景，已于2019年6月7日完成协议制定和冻结，eMBB标准化产品正式商用上市，当前各主流无线通信设备厂家均有成熟产品支持eMBB；第2阶段，R16和R17重点针对超低延时高可靠通信（ultra-Reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）和海量机器通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）2个场景进行研究。其中，R16版本于2020年7月完成uRLLC 的协议制定和冻结；R17版本包含的海量机器通信场景预计在2022年完成uRLLC的协议制定和冻结。
除了协议制定，3GPP还定义了5G工作频段（见表1）。其中，n1频段属于5G最核心的黄金频段，目前中国国家铁路集团有限公司正在向国家无线电管理委员会申请n1中的1965～1975MHz/2155～2165MHz作为铁路5G专网无线频段。
2.35G产业
终端形态和种类的丰富程度是衡量一个产业是否成熟的重要标志。截至2020年8月，全球已累积发布401款5G终端产品，模组达64款。其中，有128款5G 终端支持n1频段（见图2），同时，各模组和芯片厂家表15G
工作频段
图25G终端支持频段碳浆
铁路5G应用的可行性及技术优势分析陆晓磊等
均推出支持5G的通信模组和通信芯片，为5G行业特种终端的开发奠定了基础。
此外，各地区运营商也在加速5G规模商用进展。截至2019年底，全球各主流运营商均已推出5G网络服务（见图3），首批商用用户规模上亿，进程将比4G 快2～3年。
综合标准和产业进展分析，5G已进入高速发展和规模部署期，铁路专用无线通信系统采用5G作为技术标准的时机相对成熟，相信立足当前先进成熟的5G通信技术，加快推进我国铁路专用移动通信技术，对助力智能铁路又好又快健康发展具有重要意义。
3铁路5G应用关键技术
在铁路行业，由于需要支持列车350km/h的高速移动性，并向500km/h演进，对无线网络的可靠性及高速条件下的性能提出了极高要求。5G的可靠性技术、高速技术，以及网络切片、毫米波等技术，匹配了铁路行业需求。
3.1可靠性技术
从铁路5G专网承载的业务看，包含行车相关的C3列控、列调业务等均与行车安全高度相关，对网络可靠性提出了极高要求。针对不同应用场景，可靠性存在以下3类挑战：
（1）空口不可靠。无线信道由于阴影衰落、多径衰落、干扰、终端移动等影响，造成信道环境波动，对应空口性能产生波动。
（2）设备故障。设备由于自然灾害或老化等原因，造成单点故障影响系统运行。
（3）大业务流量冲击。在编组站、枢纽站等高容量场景，可能突然产生多业务并发情况，造成网络拥塞。
下面重点介绍能够应对以上挑战的可靠性技术。3.1.1AMC、HARQ、DAPS等技术
自适应编码调制技术（Adaptive Modulation and Coding，AMC）可根据用户反馈的信道质量好坏，自适应调整调制和编码方案（Modulation and Coding Sheme，MCS）在保证用户QoS的前提下，提高吞吐量及覆盖范围。
前向纠错编码和自动重传请求结合产生了混合自动重传（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ），即在1个ARQ系统中包含1个前向纠错子系统，当前向纠错子系统无法正常纠错时，通过自动重传请求反馈信道重发错误码组。5G R16标准新增支持1个时隙内实现多个HARQ-ACK传输，减少了反馈时延，从而减少空口环回时延。
5G R16新增双连接技静压主轴
术（Dual Active Protocol 图3全球各主流运营商5G商用情况
铁路5G应用的可行性及技术优势分析陆晓磊等Stack，DAPS）对NR的移动性进行增强［6］。该技术在
协议上允许移动终端在切换时始终保持与源小区连接，
直至与目标小区开始进行收发数据为止再中断连接。
原方式是先释放源小区连接，再建立与目标小区连接。
现在将顺序调整，先建立与目标小区连接，再释放源
锂电池注液机
小区连接，从而实现“切换0中断”。该功能需要在基
站与终端同时支持。
综合以上关键技术，可大大提升空口可靠性。
3.1.2冗余技术
冗余技术是在系统或设备完成任务起关键作用的部分增加1套以上完成相同功能的功能通道、工作元件或部件，以保证当该部分出现故障时，系统或设备仍能正常工作，减少系统或设备的故障概率，提高系统可靠性。
在铁路应用中，可采用组网冗余、设备冗余、单板冗余等方式，避免设备单点故障，提升系统可靠性。
3.1.3设备流控
设备通过对输入、输出流量进行控制，达到防止设备过载并维持设备稳定的目的。设备流控有以下2种方式：
（1）控制面流控。假设在用户接入场景，有过多的终端用户尝试通过随机接入连接1个，且用户数量超出对应能力，主控单元会启动流控机制，对于已被拒绝接入的用户，丢弃该用户对应的初始接入信息，同时降低可发起随机接入的用户数。直至系统负载下降，再逐渐提升可发起随机接入的用户数。与接入场景原理类似，控制面还可进行初始接入消息流控、切换请求消息流控、寻呼消息流控等操作。
（2）用户面流控。分为下行流控和上行流控。在终端、、核心网的用户面协议栈（见图4），下行数据在中流向为GTP-U→PDCP→RLC→MAC，当RLC和MAC单元负载过重时，通知GTP-U模块降低下行报文发送速率，RLC和MAC单元同时降低下行调度用户数，通过这2种方式实现流控，直至负载恢复至可承受能力范围，再逐渐提高下行报文发送速率及调度用户数。上行流控数据流向相反，原理一致。
通过控制面和用户面流控2种方式，可避免大业务冲击造成的业务过载，维持设备稳定。3.2高速技术
点云扫描铁路5G专网在高速移动场景下，其可靠性存在以下3种挑战：
（1）多普勒频偏。在高速移动场景下，受多普勒效应影响，接收端接收信号频率发生变化，导致发射频率与接收频率不同，产生OFDM符号内和符号间干扰，严重时造成接收方无法解调出发送方的发射数据，造成终端无法接入网络。
多普勒频移原理示意见图5，频偏f d如下：
f d=f c×v×cosθ，
式中：f为工作频率；c为光速；v为车速。
对应可计算不同车速下的上行最大多普勒频偏2f d （
见表2）。
图4终端、、核心网之间用户面协议栈
图5多普勒频移原理示意图
表2上行最大多普勒频偏
Hz
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