王 菲

（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081）

1 引言

2020年，为落实国家新基建要求，中国国家铁路集团有限公司从实际需求出发，结合自身实际，研究确定了铁路新一代移动通信采用5G制式。

根据业务规划，铁路移动通信业务分为4类，其中铁路5G专网（5G-R）承载2类业务，分别为列车指挥及控制类业务与运营维护类业务。5G公网承载旅客服务、工程建造等非铁路行车安全类业务。在业务和功能需求确定的前提下，基于第三代合作伙伴计划（3GPP）规范通用架构，按照将用户层需求映射到装备层的思路，通过增加铁路特定功能相关设备，形成5G-R系统架构。

5G-IN设备是5G-R系统的专用设备之一，用来实现5G-R列车无线调度通信中调度员、车站值班员呼叫司机的业务功能，本文研究提出5G-IN设备部署方案建议，以期为设备研发、网络规划、业务应用等提供参考。

2 5G-R 系统架构

2.1 系统组成

5G-R系统包括核心网、无线接入网、用户设备、运营与支撑系统、应用接口/接入管理设备5个组成部分。

（1）核心网。核心网包括全路核心网共用设备和局核心网设备，通过承载网互连。其中，全路核心网共用设备包括5G设备识别寄存器（5G-EIR）、5G智能网（5G-IN）设备、一级域名服务器（DNS）、短消息服务中心（SMSC）、一级网络存储功能（NRF）和一级服务通信代理（SCP），局核心网设备包括5G通用核心网（5GC）、宽带集群通信（MC）设备、二级DNS、远端拨入用户验证服务（RADIUS）。

（2）无线接入网。无线接入网包括基站、漏缆、天线等。无线接入网通过承载网接入局核心网。

（3）用户设备。用户设备包括手持终端、车载终端等，通过空口与无线接入网互连。

（4）运营与支撑系统。运营与支撑系统包括网络管理系统、SIM卡管理系统等，与局核心网同址部署，通过局域网互连。

（5）应用接口/接入管理设备。应用接口/接入管理设备包括各种应用接口设备，与局核心网通过局域网互连，提供5G-R与C3列控等应用系统互连功能。

5G-R系统架构如图1所示。

图1 5G-R系统架构组成图

2.2 系统功能

按照5G-R的系统架构， 5G-R系统各部分功能如下：①核心网负责提供业务的控制与连接；②无线接入网为用户提供无线资源调度、管理，实现无线接入功能；③用户设备为列车司机、铁路沿线维护管理人员等用户提供业务接入与应用等功能；④运营与支撑系统提供网络设备的管理，接口监测，用户、终端、SIM卡等管理功能；⑤应用接口/接入管理设备用于5G-R系统与铁路C3列控、行车指挥系统互联。

3 5G-IN 设备功能和处理流程

5G-IN设备支持通信过程中功能号的注册、注销、查询及强制注销，同时支持功能寻址等功能。

3.1 功能号操作功能及业务处理流程

5G-IN设备对功能号的操作主要包括对功能号的注册、注销、查询、强制注销。当注册或注销功能号时，司机等用户通过用户终端发起功能号注册请求，MC设备检查用户签约信息后，向5G-IN发送注册请求消息，5G-IN负责建立或删除功能号与移动用户号码（MSISDN）对应关系，并向MC设备和终端返回接受请求或者拒绝请求的响应消息，MC设备和终端收到响应消息后存储或者删除注册的功能号。无线智能用户（如列车司机）可通过归属铁路局或拜访铁路局的MC设备向5G-IN发起功能号注册请求。有线智能用户的功能号需通过网管设备进行配置，一个用户可同时注册3个及以上功能号。无线智能用户注册的功能号具有有效期，逾期后，5G-IN会将该功能号强制注销，并通过MC设备通知被注销功能号的用户终端。5G-IN提供无线智能用户查询功能号功能，在该功能的支持下，无线智能用户不仅可以查询其他用户当前功能号所对应的MSISDN号码，也可以查询本机当前所注册的功能号。同时，还支持授权的无线智能用户强制注销某一指定的功能号以及支持非唯一车次功能号注册、注销、查询和强制注销。考虑到运行超过24 h的长途列车，车次号可能重复，5G-IN支持不同用户（运行在不同铁路区段）重复注册同一车次功能号，次数上限可根据需要设置。

3.2 寻址功能及业务处理流程

主叫用户拨打被叫用户的功能号（如调度员、车站值班员、车站助理值班员拨打列车司机功能号，呼叫管内运行列车司机）时的呼叫类型为2、3、4、6或91。呼叫过程中，呼叫请求经当前基站传送到局核心网MC设备，MC设备接收请求后首先判断是否符合触发条件，如符合触发条件且检查主叫用户为智能用户后，首先在本设备的局5G-IN单元查询被叫用户的MSISDN号码，若查询成功，MC设备向主叫用户返回被叫的MSISDN号码，若查询失败，MC设备向5G-IN发送初始会话协议（SIP）消息查询被叫用户的MSISDN号码。

主叫用户拨打被叫用户功能号时，5G-IN首先检查主叫用户是否已注册功能号以及主叫用户所拨打的功能号是否有效。其中，判断功能号有效的条件包括号码格式正确、号码存在、号码在有效期内等。若经判断功能号有效，5G-IN通过查询本设备存储的接入矩阵判别是否允许此次呼叫，若允许呼叫，5G-IN查询本地数据库，查找主叫用户拨打的功能号所对应的MSISDN号码，并向MC设备发送包含查询结果的响应消息，MC设备根据5G-IN返回的查询结果，将呼叫路由指向相应的被叫用户。如果5G-IN检查结果显示被叫功能号无效或通过查询本设备存储的接入矩阵发现此次呼叫受到限制等情况，5G-IN向MC设备返回包含拒绝原因的响应消息。

4 5G-IN 部署方案

列车调度通信是铁路专用移动通信系统承载的关键应用业务之一，铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）向5G-R平滑演进期间，首先应实现将既有GSM-R承载的关键应用业务无缝迁移至5G-R。而在5G-R系统条件下，5G-IN设备负责实现跨铁路局场景下的功能寻址业务，即在列车运行过程中，调度员、车站值班员等地面固定用户呼叫运行在管辖范围内的其他铁路局列车司机，并与之进行通话业务，因此，需要基于5G-IN功能和业务处理流程，结合铁路行业特点，研究确定5G-IN设备部署方案。

4.1 5G-IN 部署原则

基于5G技术特性，结合铁路运用需求和GSM-R实际应用经验，建议部署5G-IN时满足以下原则。

（1）良好的管理性和维护性。与铁路生产组织架构和运输生产管理体系相适应，设备部署尽量下沉到铁路局（对于特殊业务处理和安全管理等情况，可按全网集中部署）。铁路局之间设备资产归属清晰，维护单位职责和权限明确，维护责任界面清晰，应急处置高效，最大限度减少路局之间的相互影响。

（2）实用性和经济性。考虑5G-R系统核心网与既有通信系统、应用系统间互联互通的需要，尽量减少对既有系统的升级改造，充分考虑系统过渡期间列车跨网运行需求，实现既有业务无缝迁移。

（3）稳定性。网络应稳定可靠、安全畅通，网络结构和路由组织应尽量简化、优化，避免增加网络的复杂性，充分考虑业务的发展，适应近、远期需求，保持网络结构相对稳定，减少过渡环节。

（4）可扩展性和灵活性。便于运行维护管理，满足高铁、普铁不同维护方式的需要，充分考虑设备的负荷能力，设备功能、性能和处理能力应满足近期各条线路的接入需求。

（5）高可靠性。设备具备板卡级、设备级、网络级冗余备份机制，具备一定的容灾能力，在突发场景下（如发生自然灾害、战争、停电、设备故障等），业务仍能安全稳定运行。

（6）高安全性。组网应满足系统安全的原则，采取部署安全防护设备、访问控制和安全监测等防护措施，保证网络安全、业务安全和数据安全，避免造成数据的丢失和泄密。

基于以上原则，就5G-IN部署的2种方案进行介绍和论述。

4.2 部署方式

4.2.1 全网集中部署方式

全网集中部署5G-IN，采用“两地四中心”容灾组网方式，即 “2+2”系统架构，在北京、武汉部署4套设备，实现本地冗余、异地容灾备份组网。本地（北京、武汉）2套设备部署在不同机房，采用1个浮动IP地址对外提供服务。每套5G-IN 设备与全网 18个铁路局的MC 设备通过承载网互联，组网如图2所示。

图2 5G-IN组网示意（全网集中部署）

异地冗余 5G-IN 设备之间通过承载网进行静态数据和动态数据同步，由2个基于不同物理路由的传输通道提供，每条通道的带宽按需配置。

异地 5G-IN 设备之间采用主备工作方式，主、备用的选择由 MC 设备实现，MC 设备将主用 5G-IN 设备设置为首选，将备用 5G-IN 设备设置为次选。

列车出库前，首次向5G-IN发起功能号注册请求，5G-IN接收请求后建立功能号和MSISDN对应关系，并自动同步给MC设备，此时MC设备增加MSISDN与功能号对应关系，终端完成注册时MC设备同步完成本地存储，终端跨局漫游时向拜访局MC设备上报功能号。对于功能寻址（基于位置呼叫限制）业务，MC设备先在本地查询功能号和MSISDN对应关系，若查询不到（如MC设备故障）再向5G-IN发起查询。

正常情况下，MC设备向主用5G-IN设备发送智能业务请求消息，随后由主用5G-IN 设备向全网提供智能业务处理，备用5G-IN 设备进行热备。5G-IN 设备与MC 设备周期性交互心跳消息，其心跳周期、次数、探测时长等根据需求进行设置。

当主用 5G-IN 设备发生故障时，MC 设备在规定时间内未收到5G-IN 设备回复的心跳响应，则判断主用5G-IN设备故障，MC设备自动向备用 5G-IN 设备发送智能业务请求，由备用5G-IN 设备接替主用5G-IN 设备处理业务。原主用 5G-IN 设备故障恢复后，通过人工方式恢复主用工作状态。

4.2.2 下沉至铁路局部署方式

5G-IN设备按下沉至铁路局部署，采用同城异址冗余部署、容灾备份组网方式。本局冗余5G-IN设备与各局MC设备、其他局5G-IN设备通过局域网和承载网互联，5G-IN设备之间通过承载网进行数据同步（包括静态数据和动态数据），同步通道冗余配置，组网如图3所示。

图3 5G-IN组网示意（按铁路局集团公司部署）

列车出库前，司机通过车载终端向拜访局5G-IN设备注册功能号，此时5G-IN设备建立功能号和MSISDN对应关系，并自动同步给本地备用5G-IN设备和其他17个铁路局5G-IN设备。同时，本局5G-IN设备接收其他17个铁路局发送的局管内车载终端注册消息，即车次功能号和MSISDN对应关系。

正常情况下，本局MC设备、其他局5G-IN设备等对端发送的业务请求由本局主用5G-IN设备处理，备用5G-IN设备热备。当车站值班员、调度员通过功能号呼叫管内司机时，呼叫请求经过多媒体调度通信系统发送至5G-R系统MC设备，MC设备判断为功能寻址业务后，向本局5G-IN设备发送查询请求，5G-IN设备将功能号所对应的MSISDN号码返还给MC设备，后续按照正常语音呼叫流程处理业务。

当主用5G-IN设备发生故障时，对端访问设备（MC设备、其他局5G-IN设备）通过心跳消息探测到主用5G-IN设备故障后，自动向备用5G-IN设备发送业务请求，备用5G-IN设备接收请求后自动接替主用5G-IN设备处理业务。原主用 5G-IN 设备故障恢复后，通过人工方式恢复主用工作状态。

4.3 方案比选

现对本文提出的5G-IN设备2种部署方案进行比较。

4.3.1 方案 1：全网集中部署方式

优点是跨局应用场景下的功能寻址业务，各局MC设备直接访问5G-IN设备查询MSISDN号码，查询效率高，业务处理和组网简单；5G-IN设备采用多地多中心部署方式，容灾能力强，安全可靠性高。缺点是5G-IN设备集中部署，即18个铁路局共用5G-IN，该模式下设备资产归属不清，且需专门的维护队伍进行维护管理。若设备委托所在地铁路局进行维护，由于5G-IN涉及到全路业务处理以及数据管理，因此维护单位管理的数据权限和责任范围均超过了本铁路局管辖范围。此外，若发生4套5G-IN同时故障，将会影响全路列车发车和运行中列车的车机联控等无线列调业务。

4.3.2 方案 2：下沉至铁路局部署方式

优点是设备资产归宿明确，维护方便。缺点是由于5G-IN设备按铁路局部署时，本局5G-IN设备需与其他17个铁路局5G-IN设备、MC设备互联，网元数量多、网络结构复杂，且用户设备（UE）注册或注销功能号时，全路18个铁路局的5G-IN设备之间需要支持自动、双向、实时动态数据同步，以确保列车在跨局运行情况下，调度员、车站值班员等呼叫司机等功能寻址业务的正常进行，该部署方案对设备和承载网要求非常高，且尚无商用案例，实施风险大，可能会出现数据不同步或者同步不实时而影响无线列调业务和正常行车的情况。

基于5G-IN部署原则，结合5G-IN设备支持能力、业务流程优化处理，综合考虑各方面因素，建议采用方案1，即采用全网集中部署5G-IN设备。

5 结语

综上，我国5G-R处于技术攻关关键阶段，需统筹规划、优化布局，构建适用、安全、可靠、高效的网络，并具备平滑演进能力。5G-IN设备服务范围广，负责列车调度通信、网络运维管理等关键业务，是系统关键组成部分，需要综合考虑各方因素，以确定其部署方案，为5G-R规模部署和发展应用打下坚实的基础。关于5G-IN的设备部署建议后续结合试验线进一步试验验证，不断优化设备功能性能和组网方案，打造适合铁路应用的新一代宽带移动通信系统，为中国铁路高质量发展提供有力的支撑。