庞萌萌
（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司通信信号设计院，北京100070）
摘要：基于铁路5G专网的业务和功能需求，提出铁路5G专用移动通信（5G-R）系统核心网 的体系架构，包括基于5G公网技术的5G核心网（5GC）设备和边缘计算节点设备，以及体现 铁路特殊需求的铁路宽带集通信（MC）系统设备和应用支撑设备；分析核心网各组成部分的
主要功能，并在此基础上，研究基于云基础硬件的核心网组网方案，并结合GSM-R核心网共用
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设备的设置情况，分析探讨5G-R核心网全路共用设备的部署策略。
关键词：5G-R；系统架构；组网技术；核心网；全路共用设备
中图分类号：U285文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）08-0001-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.08.001
1研究背景
我国铁路专用移动通信历经数十年发展，紧跟时代步伐，持续进行技术迭代、制式演进，从而满足日益丰富的铁路无线通信业务需求。从450MHz列车无线调度通信系统到铁路数字移动通信（GSM-R）系统的升级改造，实现了模拟制式向数字制式的跨越，GSM-R系统在我国的大规模运用，助力高速铁路发展。
而GSM-R系统作为窄带制式，目前面临设备停产和无法满足宽带业务需求的问题，GSM-R系统向铁路新一代移动通信系统演进，实现窄带制式向宽带制式的升级，成为必然发展和迫切需求［1］。核反应堆的慢化剂
5G具有大带宽、大连接、低时延等优势，可实现人与物、物与物的泛在互联，是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施［2］。2020年初，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）经过业务需求分析和技术经济比选，结合我国加快5G网络等新型基础设施建设的决策部署，基本明确了5G专网的系统目标［3］。由于铁路5G专用移动通信（5G-R）系统具有线路覆盖、站场覆盖和车内覆盖相结合的网络覆盖特征，以及部分应用业务对网络安全性和可靠性的较高要求，公网5G的技术和装备无法直接应用于铁路，铁路需根据应用业务特点，定制适用于铁路的5G-R系统架构和设备组成，形成完整、成熟、具备自主知识产权和铁路特的5G-R技术体系及系列专用装备，保障5G-R系统的全生命周期可用、可控。
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）
作者简介：庞萌萌（1986—），女，高级工程师，硕士。
E-mail：
铁路5G-R系统核心网架构研究庞萌萌特别策划
25G-R系统核心网架构及功能
5G-R系统由核心网、无线接入网（RAN）、用户设备（UE）及运营与支撑系统（OSS）4个部分组成，系统架构见图1。 5G-R系统核心网主要具备用户、业务、资源、安全的管理控制功能，在整个5G-R系统架构中占据非常重要的位置，负责无线接入网和用户设备的接入，以及与其他通信系统和应用业务系统的互联，从而打通端到端的应用业务通道。
5G-R系统核心网在3GPP规范和公网5G技术的基础上，结合GSM-R在我国铁路成功运用的经验，增加铁路特功能网元，形成由5GC设备、MC系统设备、应用支撑设备和边缘计算节点设备组成的体系架构。
2.15GC设备
5GC设备为5G-R系统核心网中基于公网5G技术［4］的部分，为3GPP标准定义的典型核心网，具备网络接入控制、注册和连接管理、接入管理和移动性管理、注册区管理、策略控制等基本核心网功能，可承载基本的数据传输业务。5GC设备基于云基础设施，
图1铁路5G-R系统架构
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采用服务化架构，可根据需要实现网络功能的弹性增减。5G-R建网初期，5GC可设置控制面网元接入和移动管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、策略控制功能（PCF）、网络存储功能（NRF）、认证服务器功能（AUSF）、统一数据管理（UDM）、网络切片选择功能（NSSF）、短消息服务功能（SMSF）、5G设备识别寄存器（5G-EIR）和用户面网元用户面功能（UPF）等基本的网络功能，上述网络功能与公网相比，增加了5G-EIR，实现终端设备认证，满足铁路的安全需求。
随着技术演进及相关标准冻结，还可增加网络曝光功能（NEF）、网络数据分析功能（NWDAF）、非3GPP接入5G网络功能（N3IWF）等网络功能，实现网络开放、网络数据分析以及非3GPP网络接入等功能。
2.2MC系统设备
5GC设备只能实现基本的数据传输功能，而语音、视频呼叫业务以及铁路特的集通信业务和智能网业务等功能需要增加相应的核心网网元实现。公网采用IP多媒体子系统（IMS）解决语音和视频呼叫业务，但IMS系统无法实现铁路的语音、视频组呼以及点对多点数据传输等集通信业务和智能网
业务，并不适用于铁路。因此，5G-R系统在核心网中增加定制化的MC系统设备，满足铁路特业务需求［5-6］。
MC系统设备包括初始会话协议核心（SIP Core）、接口网关和MC应用。其中，SIP Core主要实现信令控制平面的注册、服务选择和路由功能；接口网关主要实现与铁路既有通信系统的互联；MC应用为基于SIP Core的应用服务，包括公共管理、用户数据库、MC业务应用和5G业务控制点（5G-SCP）等。在MC应用中，公共管理负责铁路宽带集通信业务的身份管理、配置管理、组管理、密钥管理、用户迁移管理以及用户位置管理等；用户数据库负责MC系统用户数据和业务数据的管理；MC业务应用由铁路宽带集语音通信（MCPTT）、铁路宽带集视频通信（MCVideo）和铁路宽带集数据通信（MCData）组成，分别实现语音、视频和数据集通信业务的呼叫控制；5G-SCP为应用于5G的智能网网元，实现功能寻址、基于位置寻址等智能网业务。2.3应用支撑设备
应用支撑设备包括域名服务器（DNS）、远端拨入
用户验证服务（RADIUS）、位置服务系统和短消息服
务中心（SMSC），为支撑5G-R系统提供业务功能的辅
助设备。DNS负责域名解析和电话号码映射工作组
（ENUM）解析，RADIUS负责验证、授权和记账
（AAA）认证及互联网协议（IP）地址分配，RADIUS
和DNS联合应用，还可实现动态域名更新，适用于动
态分配IP地址的情况下，基于自定义用户名的域名与IP地址的绑定与查询，如双模列尾业务应用。位置服务系统获取用户设备上报的位置信息，或根据用户设
备发送的位置测量值计算位置估算值，并支持将位置
信息/位置估算值提供给其他系统，满足其他系统对用
户设备的位置需求。SMSC是在2G时代就存在的网元，
主要用于短消息的存储和转发，5G时代短消息的实现
也需要SMSC网元，还需要在5GC中设置SMSF实现超
文本传送协议2.0（HTTP/2）与移动应用部分（MAP）
协议的编解码转换。5G-R短消息主要有空中下载
（OTA）、物联网场景应用的通信模组唤醒、系统登录
验证码发送等应用。
2.4边缘计算节点设备
边缘计算是在移动网络的边缘整合信息化架构和
云计算能力，利用无线接入网络就近提供低时延与高
带宽的网络服务，在本地网络中实现各项内容、服务
混合辅助肢体
与应用的快速获取，提升用户体验［7-8］。铁路可在车
站、编组站、动车段、机务段等业务类型多，且对数
据传输有低时延或大带宽要求的区域设置边缘计算节
点设备，实现站场本地路由和转发。边缘计算节点设
备包括边缘UPF和移动边缘计算平台（MEP），边缘UPF对用户面数据进行本地分流和转发，MEP支撑本地应用，并开发应用程序接口（API）提供网关功能。35G-R系统核心网组网研究
3.1组网方式
核心网作为5G-R网络的核心节点，是整个网络有
序运转的管理与控制中枢，且对运维要求较高，应采
用相对集中（如铁路局集团公司集中或更高程度的集
中）方式进行部署。
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根据核心网5GC设备网络功能虚拟化、控制面与用户面解耦的特点，5GC用户面网元和控制面网元可分开部署，与应用业务密切相关的5GC用户面网元、MC系统设备和应用支撑设备可在铁路局集团公司集中部署，与信令控制相关的5GC控制面网元则可以采用大区部署和铁路局集团公司部署2种方式［9-10］。大区部署根据控制面时延要求，在全路范围内划分几个大区，每个大区基于数据中心（DC）部署1套5GC控制面网元；铁路局集团公司部署，即与GSM-R核心网部署方式一致，在各铁路局集团公司（简称各局）基于DC部署1套5GC控制面网元。大区部署的优势在于，满足核心网设备集约化、集中化和规模化的发展需求，并可降低工程投资，集中运维力量；铁路局集团公司部署的优势在于，资产、维护界面清晰，与铁路局集团公司的生产组织架构相符，且控制面时延较低，能更好地
满足列车控制等低时延业务需求。因此，从业务需求、维护方式、资产归属等方面综合考虑，建议仍遵循当前国铁生产组织架构，延续既有GSM-R核心网的部署方式，核心网设备采用铁路局集团公司部署方式，并根据设备特点和运用需求，设置部分全路共用设备。
3.2全路共用设备的部署
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5G-R核心网部署沿用GSM-R核心网部署方式，即铁路局集团公司部署为主、全路共用部署为辅的方式，而哪些核心网网元需要设置为全路共用设备，需要从其设置的必要性、可行性等方面综合考虑。结合GSM-R 核心网共用设备的设置情况，对5G-R核心网有需要设置为共用设备的网元进行分析与探讨。
3.2.15G-EIR
5G-EIR实现终端设备永久设备标识符（PEI）校验，GSM-R核心网EIR采用了全路共用部署方式，而5G-EIR如采用铁路局集团公司部署方式，则在实现上需要基于用户识别模块（SIM）卡与终端设备归属于同一铁路局集团公司的前提，各局负责归属本局终端设备的PEI校验。PEI鉴权流程由AMF发起，携带PEI和签约用户永久标识（SUPI）信息，向5G-EIR发起PEI 检验，5G-EIR查询PEI是否在不允许接入网络的黑名单中，并将校验结果返回给AMF。PEI号码本身不具备铁路局集团公司信息，但AMF可根据SUPI判断用户归属局，进而到终端设备的归属局（SIM卡与终端设备归属于同一铁路局集团
公司），因此，AMF在发起PEI 校验流程时，可根据SUPI寻址到终端设备归属的5G-EIR进行PEI校验。
在运用过程中，如果能保证SIM卡与终端设备归属于同一铁路局集团公司，建议5G-EIR采用铁路局集团公司部署方式，否则，需要全路共用集中部署。汽车座套广告
3.2.2NRF
NRF实现网络功能（NF）的注册功能，实现NF间的访问，可有3种部署方案：
（1）方案1：采用一级架构部署，各局部署局NRF，存储本局NF的IP地址以及其他各局NRF的IP地址，在跨局查询过程中，A铁路局集团公司NRF通过数据网络名称（DNN）、SUPI等用户信息到B铁路局集团公司NRF并发送NF查询请求，B铁路局集团公司NRF根据请求信息到相应NF的IP地址，返回给A铁路局集团公司，实现跨局NF交互。
（2）方案2：采用两级架构部署，设置全路共用的根NRF和各局部署的局NRF，局NRF存储本局NF的IP 地址及根NRF地址，在跨局查询过程中，A铁路局集团公司NRF将NF查询请求发送至根NRF。根NRF可采用递归查询的方式，将NF请求发送至B铁路局集团公司NRF，根NRF将B铁路局集团公司返回的NF的IP地址返回A铁路局集团公司NRF；根NRF也可采用迭代查询的方式，将B铁路局集团公司N
RF的IP地址返回A铁路局集团公司NRF，由A铁路局集团公司、B铁路局集团公司NRF之间完成NF查询。
（3）方案3：采用一级架构部署，设置全路共用NRF，支持所有铁路局集团公司NF互访。NRF设置方式比选见表1。方案1中NRF的设置较为分散，方案3中NRF的设置较为集中，而方案2中NRF设置采用集中的根NRF与分散的局NRF相结合方式，局内业务局内管理，跨局业务集中管理，界面清晰，组网简捷，为最优方案。
3.2.3DNS
DNS的主要功能为域名解析、ENUM解析以及SIP core中查询呼叫会话控制功能（I-CSCF）的寻址，与
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NRF类似，为查询解析类网元，也存在跨局查询的情况，推荐全路集中部署根DNS和铁路局集团公司部署局DNS相结合的方式。
3.2.45G-SCP
目前GSM-R智能网为全路共用部署，而对于5G智能网是否必须沿用GSM-R智能网全路共用部署的模式，需从智能网业务应用模式以及数据库是否能够分割考虑。5G智能网数据主要分为3类：
（1）接入矩阵数据：此类数据为网络中的预置数据，定义基于用户身份的呼叫限制，只允许规定的主叫用户呼叫规定的被叫用户，数据内容只与用户功能号有关，可分散设置在各局。
（2）功能寻址相关数据：此类数据为功能号码（呼叫类型CT+用户识别号码UIN+功能码FC）与移动用户ISDN号码（MSISDN）的对应关系，且为动态数据，用户随时会发起功能号码的注册或注销。功能号码中标识用户的UIN为车次号、机车号、车号或位置号码。其中，只有位置号码（H1H2L3L4L5）包含了铁路局集团公司信息，其他均不体现铁路局集团公司信息。如果功能寻址相关数据分散存储在各局，如A铁路局集团公司用户在B铁路局集团公司进行车次号功能号码注册，注册数据可存储在拜访局B铁路局集团公司或归属局A铁路局集团公司，C铁路局集团公司用户采用功能号码呼叫该用户时，C铁路局集团公司网络无法根据车次号/机车号/车号功能号判断被叫用户的归属地或拜访地，无法判断从哪个铁路局集团公司的智能网查询被叫用户的MSISDN信息，呼叫无法接续。因此，功能寻址相关数据只能全路统一存储。
（3）基于位置寻址相关数据：此类数据为网络中的预置数据，为当前位置信息与短号码的对应关系以及短号码与ISDN号码的对应关系。此类数据可按位置信息分别存储到各局。如A铁路局集团公司用
户在B铁路局集团公司网络下拨打短号码，可触发B铁路局集团公司智能网查询主叫用户当前位置和短号码所对应的ISDN号码，从而接续呼叫。
根据上述对智能网数据的分析，5G-SCP的设置方式有如下2种：
（1）方案1：按智能业务类型分开考虑，全路集中设置功能寻址5G-SCP，存储功能号码注册数据，用于功能寻址业务；各局设置基于位置寻址5G-SCP，存储基于位置寻址相关数据，用于基于位置寻址业务。MC 系统检测到智能业务触发后，根据呼叫类型CT判断向哪个5G-SCP查询数据（CT=1为短号码，查询基于位置寻址5G-SCP；CT=2、3、4、6、91为功能号码，查询功能寻址5G-SCP）。
（2）方案2：采用全路集中设置方式，并考虑地理冗余备份。
5G-SCP部署方式比选见表2。从业务处理性能、故障影响范围等方面综合考虑，推荐方案1，5G-SCP分为功能寻址和基于位置寻址2部分，其中，功能寻址部分全路共用集中部署，基于位置寻址部分在各局部署。
表1NRF
通讯继电器设置方式比选
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