多技术融合承载铁路5G业务应用

庞强

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摘要：2020年我国铁路开始5G技术创新应用研究，铁路5G专网（5G-R）技术是主要的技术攻关方向。目前已开展大量研究工作，分析我国可用频率资源，提出5G-R系统采用频分双工（FDD）制式、2×10MHz频谱带宽，承载铁路正线行车调度指挥、列车控制等关键车地通信业务。而铁路运营场景复杂，大型客站、编组站、动车所等区域作业人员密集、业务种类繁多，现模式无法满足所有宽带业务的应用需求。

关键词：多技术融合；铁路；5G业务；应用

1设计思路

近年来，我国铁路一直围绕更安全、更高速、更智能的发展方向持续发力，利用大数据、云计算、人工智能、区块链等新技术不断提升信息采集处理能力，前端采集和后台处理能力得到极大提升，但承载前端与后台的通信网络成为制约铁路发展的瓶颈。各专业在探索利用5G公网承载的发展过程中，不仅面临数据安全能力低、通信保障不稳定等客观因素，还面对5G公网资源缺乏统筹应用、各专业间存在数据壁垒等问题，极大影响了铁路的生产能力和效能。加快建设新一代铁路专用基础通信网络并统筹应用5G公网，积极促进铁路物理网与5G通信网相融合，是我国铁路高速发展的必要途径，也为铁路各专业突破发展带来重要机遇。

5G技术具有大带宽、高速率、低时延、广连接等特性，能够为铁路尤其高速铁路的移动场景提供强力支撑，5G与毫米波等通信技术相结合，不但增强了网络承载能力，更丰富了承载铁路业务的场景，具备了满足各类业务需求的能力。

规划中的5G-R与铁路场景相结合，以最合理的方式承载铁路的广泛需求。首先，GSM-R承载的全部业务向5G-R迁移，主要包括铁路行车直接相关的列车控制类、行车调度指挥类业务；其次，5G-R应承载与行车直接相关的列车控制、行车调度指挥、站场调车、行车安全辅助防护等运行控制类业务和技术创新应用；第三，5G-R应承载铁路运营维护类业务。考虑5G-R频带有限，非行车关键业务可利用5G公网资源最大程度地承载铁路应用。在场、站、段等场景，考虑利用5G移动边缘计算技术和毫米波技术，以承载大量级数据应用。

2多技术融合承载铁路5G业务应用

2.1铁路运输生产工作场景

铁路系统涉及交通运输、机车车辆、土木工程、电气工程、牵引动力、通信工程、自动化与控制、计算机与信息等技术领域。对应铁路的技术专业为：运输、调度、客运、货运、机务、车辆、工务、供电、通信、信号、信息等。铁路运输的生产过程就是铁路各专业之间协调联动，保障旅客和货物安全可靠运送的过程。铁路系统专业种类多且工作场景复杂，主要包括：

(1）线路工作场景。线路类型包括高速线、普速线、货运线、专用线等，线路上设置工务、供电、通信、信号专业基础设施。沿线作业人员对基础设施进行巡检、维修、施工作业。铁路线路的特殊地点会根据运输任务安排配备公安保卫人员值守。

(2）车站工作场景。车站类型包括客运站、货运站、编组站、区段站、中间站等。车站是铁路作业最复杂的工作场景，作业内容几乎涵盖各个专业，客运车站还包括旅客信息服务系统的维修作业。

(4）列车上工作场景。列车上机车司机、列车长、乘务员、乘警、随车机械师等人员开展车内作业。

(3）检修场所工作场景。检修场所包括动车所、机务段、车辆段、大型机械维修段等。动车组、机车、车辆通过联络线驶入，除专业检修作业人员外，配备行车指挥、工务、供电、通信、信号、信息等专业人员。

(5）调度指挥工作场景。调度所内行车调度、客运调度、货运调度、动车调度、机务调度、车辆调度、供电调度、施工调度等专业调度员指挥列车上、铁路沿线的各种作业。

铁路通信设备遍布于铁路线路、车站、维修基地、生产站段等用于生产、办公相关的各个场所，保障了列车调度指挥、行车指令发布、列车控制信息的传送，实现了路内各业务部门、生产站段工作人员的协同作业，将铁路各级机构联系成一个整体。铁路通信按传输方式可分为有线通信和无线通信两大类，按服务区域可分为长途通信、地区通信、区段通信和站内通信等，按业务性质不同可分为专用通信、公用通信及数据传输等。铁路专用通信一般是指专门用于组织、指挥铁路运输及生产的专用通信设备，包括铁路有线调度通信系统（FAS）、GSM-R、450MHz无线列调等系统。

2.2铁路行车安全辅助防护

近年来，铁路行业不断围绕铁路行车安全辅助防护进行科研攻坚，面向线路环境、状态等，形成自然灾害与异物侵限监测、地震预警监测等典型技术和信息系统。

(1）列车超视距。该业务是加强行车安全的技术创新，将列车运行前方视距以外的线路视频实时传送给司机，以延伸目视范围并进行雷达扫描。

(2）基于车车通信的列车接近预警。该业务是辅助行车安全的技术创新，主要在车载设备之间、车载设备与地面设备之间，安全、快速地传送列车预警信息，以辅助司机安全行车。

铁路行车安全辅助防护类业务对数据安全性、实时性、可靠性等有较高要求。该业务由5G-R承载后，可利用其大带宽、低时延、高可靠、高可维护性等特点，为铁路行车安全提供可靠、稳定的通信支撑，使铁路智能化水平大幅提升、行车安全能力得到极大增强，并为该业务的发展和技术创新提供基础通信支撑。

2.3铁路5G专网承载多媒体调度通信业务关键技术

已完成技术方案制定、样机开发和实验室静态测试。提出了通信系统与应用解耦的架构设计，制定了MCx端到端技术实现方案；突破宽带集群、呼叫控制、承载控制、媒体传输控制、软交换、融合调度关键技术，构建铁路MCx系统，为列车调度、远程指挥、智能运维等提供通信手段。研制出宽带集群通信MCx设备样机，在铁路5G创新实验室专网环境下进行了实验室静态测试。

2.4多技术融合终端

目前动车组、机车上的车载终端按专业分散设置，且采用不同的通信制式，机车/动车组车顶天线、车厢内的安装空间已经严重不足，需要对车载终端的业务进行融合，研发多制式、多业务融合的新一代车载终端设备。对于手持终端而言，铁路应用的手持终端仍以对讲机、GSM-R手机为主，均是功能型终端。随着铁路智能应用的快速发展，大量APP应用软件涌现，智能型手持终端需求迫切。为此我国铁路部门已开展终端技术的研究工作，并提出了技术方案。

(1）多业务融合车载终端，配置不同制式的通信模块，包括GSM-R、5G-R、4G/5G公网、北斗等，车顶配置多频段综合天线，车内采用有线网络汇集各专业车载设备的数据，统一转发至地面应用系统。

(2）多制式、多业务融合手持终端，支持5G-R、GSM-R、运营商4G/5G网络及Wi-Fi6制式，采用统一的模块化平台，能够根据铁路不同的工作场景，定制所需的通信制式。采用智能机平台和操作系统，支持铁路移动应用软件商店功能，支持5G-R宽带集群通信（MCx）功能，支持终端安全管控功能。

结论

智能化是铁路的发展方向，采用5G技术，可为智能高铁大脑平台、智能建造、智能装备、智能运营构建铁路多专业、多场景智能联接平台。充分发挥5G先进的技术特性，有利于促进实现网络智能运行、资源智能管理、系统智能维护、业务智能应用，可为包含智能通信在内的智能铁路技术体系升级提供有力支撑。

参考文献：

[1]王同军.铁路5G关键技术分析和发展路线[J].中国铁路，2020(11):1-9.

[2]艾渤，马国玉，钟章队.智能高铁中的5G技术及应用[J].中兴通讯技术，2019(6):42-47.

[3]张晖.5G在高铁场景下的应用研究[J].电子元器件与信息技术，2021(1):33-35.

[4]丁建文，孙斌，郑鹏，等.铁路5G技术创新应用探索[J].铁道通信信号，2021(6):1-9.