专业文章|铁路5G-R技术标准体系研究
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王芳，中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所
石波，中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所
蔺伟，中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所
0 引言
目前，我国铁路专用移动通信系统正处于更新换代的关键时期，随着5G成为国家新型基础设施之一，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）响应国家号召，抓住这一发展契机，明确新一代铁路专用移动通信系统将采用5G制式，并发布了《国铁集团关于加快推进5G技术铁路应用发展的实施意见》和《铁路5G技术应用科技攻关三年行动计划》等文件，提出了铁路5G专用移动通信（5G-R）系统的发展规划和行动部署，开展了5G-R关键技术、技术装备和标准体系等相关研究，从而推进5G-R系统的标准化工作。
1 国内外5G标准发展现状
1.1 第三代合作伙伴项目（3GPP）
3GPP是5G（IMT2020）在国际上重要的标准化组织之一，3GPP5G标准化始于R15版本，于2018年9月冻结，R15完成了5G基础设计，实现了对增强移动宽带（eMBB）业务和高可靠低时延通信（URLLC）业务的支持。R16版本于2020年6月冻结，进行了行业扩展，并对R15已有特性持续增强。R17版本计划2022年6月冻结，R17关注的功能主要包括工业物联网的URLLC、非地面网络、MIMO、广播多播、RAN切片、多RAT双连接等内容。
1.2 国际铁路联盟（UIC）
未来铁路移动通信系统（FRMCS）是UIC为促进铁路运输数字化，计划取代GSM-R的系统。
FRMCS包括功能（FWG）、频率（UGFA）、架构和技术（ATWG）3个工作组，随着研究的深入，UIC又成立了FRMCS演进策略项目（FMS），并在该项目中设立了车载设备技术架构组（TOBA）。2020年5月，FRMCS功能工作组发布了V5.0.0版本用户需求规范（URS），URS针对当前和未来铁路运营，梳理出30项关键通信应用（列车运行和安全应用，如紧急通信、调车、轨旁维护、ATC等）、22项性能通信应用（提高铁路运营性能的应用，如列车到发、遥测等）、4项商业通信应用（用于铁路商业运营，如无线互联网），URS的作用是咨询/通知标准化组织和行业供应商，在制定系统解决方案时需要考虑的铁路特定需求，同时用于FRMCS其他工作组的验证和测试。
UIC目标为2025年推出基于5G3GPPR17版本技术的第1版FRMCS在铁路试点应用，已于2021年11月完成了第1版功能需求规范（FRS）、系统需求规范（SRS）、车载电信系统功能需求（TOBAFRS）、车载电信系统系统需求（TOBASRS）、功能接口规范（FIS）和标准功能接口规范（FFFIS）。
1.3 我国通信行业标准
2019年6月，我国工业和信息化部发放5G商用牌照，我国正式进入5G商用元年，同年，5G通信行业标准陆续发布。通信行业标准结合5G系统架构及应用需求编制，可以概括为设备技术要求和测试方法、接口技术要求和测量方法、电磁兼容性能要求和测量方法、安全技术要求、5G消息技术要求、边缘计算技术要求、网络切片技术要求、工程技术规范等8个方面的内容。设备技术要求和测试方法涵盖核心网、基站、天线、终端、通用模组；接口技术要求和测试方法主要针对NG接口、Xn/X2接口进行了规定；电磁兼容性能要求和测量方法纳入蜂窝式移动通信设备电磁兼容性能要求和测量方法系列标准，包括5G基站及其辅助设备、5G用户设备和辅助设备；针对5G内生安全，发布了5G移动通信网安全技术要求；结合5G应用需求，编制了5G消息、边缘计算、网络切片等的技术要求；工程技术规范主要包括5G核心网、无线网规划设计的相关内容。
2 建立5G-R技术标准体系的必要性
国内外标准化组织对于5G均制定了系列标准，结合我国铁路GSM-R系统发展历程，建立5G-R技术标准体系非常必要，具体分析如下：
（1）5G-R与公网5G系统在技术要求上有共同之处，但也存在差别，不能完全套用3GPP、UIC及通信行业标准，需要建立自己的标准体系，以支撑5G-R系统的设备制造和测试验证。
（2）我国铁路规模庞大，对于5G-R系统，将采取统一规划、分期分批部署的建设策略，需要建立统一的标准体系，以指导5G-R系统的工程建设和运营维护。
（3）5G-R系统产业链长，设备厂商多，需要完善标准体系，实现设备之间的互联互通，进而促进竞争，降低网络建设和运行成本，引导5G-R产业良性发展。
3 5G-R技术标准体系架构
3.1 5G-R系统架构
5G-R基于3GPP定义的5G系统构建，除提供移动数据通信业务外，在核心网将引入铁路宽带集群通信（MC）设备，实现语音和视频通话需求，并设置智能网设备，实现功能寻址、基于位置寻址等铁路特色应用业务。5G-R系统通过用户面功能（UPF）与应用业务系统互联，实现对列控及非列控等应用业务的承载，同时通过MC设备与其他通信系统互联，提供有线无线融合的调度通信业务，满足铁路运输指挥通信需求，并可实现与铁路固定电话网互联互通，满足公务通信需求。
3.2 5G-R技术标准体系架构
根据5G-R系统构成及运营维护需求，提出5G-R技术标准体系架构（见图1）。
由图1可知，可以将5G-R技术标准体系架构按照大类、小类和具体标准分为3个层次，共规划了7大类标准，分别为综合类、系统类、应用业务类、工程类、设备类、接口类、运维管理类。设备类（包括技术要求、试验方法）按照设备类型分为核心网、无线接入网、用户设备、应用接口/接入管理设备、运营与支撑系统5个小类。接口类按照接口类型分为通用接口、用户设备和网络的接口、无线接入网和核心网的接口、核心网之间的接口、局核心网内部接口、核心网和其他系统的接口6个小类。
在装备研发、试验验证时期，可先发布暂行技术规范，待5G-R系统成熟运用之后，可将标准性技术文件上升为企业标准。
4 5G-R技术标准体系
4.1 综合类
综合类规划了1项标准，为5G-R系统名词术语及缩略语。5G-R系统包含新的名词术语，如“MC业务”等，5G-R系统丰富的网元名称、协议名称等需要通过缩略语来表示，而且5G-R系列标准涉及的名词术语及缩略语应保持协调统一，为此，编制5G-R系统名词术语及缩略语很有必要，此部分内容将来可纳入铁路通信名词术语标准。
4.2 系统类
系统类规划了4项标准，分别为铁路5G专网业务和功能需求规范、铁路5G专用移动通信（5G-R）系统需求规范、铁路5G专用移动通信（5G-R）系统总体技术要求、5G-R系统安全技术要求。前2项标准国铁集团已发文件，总体技术要求正在编制当中，在系统需求暂行规范的基础上增加组网技术要求，发布后可替代系统需求暂行规范。国铁集团正在编制铁路通信网络安全技术要求系列标准，包括总体技术要求、承载网、铁路数字移动通信系统（GSM-R）、综合视频监控系统、安全管理中心、安全基线等内容，5G-R系统安全技术要求将来可纳入此系列标准。
4.3 应用业务类
应用业务类规划了12项标准，主要涉及近期规划的行车指挥及控制类应用业务，包括调度通信、行车调度命令信息传送、列车无线车次号校核信息传送、CTCS-3列控信息传送、列车自动驾驶（ATO）信息传送、车车通信的列车接近预警信息传送、列车超视距信息传送、机车同步操控信息传送、列车安全防护预警信息传送、列车尾部安全防护信息传送、车载综合无线传输、灾害防护与周界入侵监测信息传送等5G-R系统应用业务技术条件。上述12项标准涵盖GSM-R系统目前承载的主要应用业务，可实现GSM-R系统向5G-R系统的顺利过渡，随着5G-R系统的建设和发展，可根据需要补充、细化，完善应用业务类标准。
4.4 工程类
工程类规划了5项标准，分别为5G-R系统工程设计规范、工程施工规范、工程验收规范、工程检测规范、编号计划。这5项标准涵盖5G-R系统工程建设的全生命周期，可有效指导工程建设全过程。编号计划涉及编号方案及IP地址规划，内容较丰富，借鉴GSM-R系统标准编制的经验，将5G-R系统编号计划独立出来进行标准编制，作为工程设计规范的有效补充。
4.5 设备类
【核心网】
核心网规划了14项标准，分别为5G核心网（5GC）、铁路宽带集群通信（MC）设备、5G智能网（5G-IN）、5G设备识别寄存器（5G-EIR）、域名服务器（DNS）、远端拨入用户验证服务（RADIUS）、位置服务设备等的技术要求和试验方法，前6种设备为核心网的主要设备，在5G-R系统建设时必选部署，目前国铁集团的相关科研项目，也主要是针对该6种设备进行关键技术研究和攻关。MC设备、5G-IN、5G-EIR为5G-R系统专用设备，基于5G-R承载的MC设备在我国铁路为首次应用，5G-IN和5G-EIR在GSM-R系统智能网设备、EIR设备基础上进行开发，但在采用的协议、业务流程、性能要求上与GSM-R系统均有差异。DNS、RADIUS等设备在公网中有应用，在铁路GSM-R系统中也有设置，但在5G-R系统中的部署方式、实现的功能和性能要求与公网及GSM-R系统均有不同。5G-R系统的5GC与公网的5GC相比，网元种类和容灾备份方式不同，在组网上也存在差异，为了适应铁路特色应用，5G-R系统的5GC对个别网元提出了新的功能要求。鉴于以上原因，编制标准对以上设备的技术要求和试验方法进行明确和约束。
【无线接入网】
无线接入网规划了7项标准，分别为基站设备、漏泄同轴电缆（简称漏缆）及附件的技术要求和试验方法。5G-R系统的基站设备在遵循3GPP、通信行业相关标准的基础上，需要根据工作频段、系统带宽、节能减排、智能运维、应用场景等特征，提出铁路特色应用需求，实现5G-R系统基站设备谱系化的目的。
【用户设备】
用户设备规划了14项标准，分别为车载综合无线传输设备、机车综合无线通信设备、手持终端、通用数据模组、SIM卡、路由转发设备、多业务车载通信综合天线等的技术要求和试验方法。
【应用接口/接入管理设备】
应用接口/接入管理设备规划了3项标准，分别为与CTC/TDCS应用接口设备（5G-GRIS和5G-GROS）、连接管理平台（CMP）、RMS运用维护业务转发接口服务器（RMS-I）等的技术要求和试验方法。
【运营与支撑系统】
运营与支撑系统规划了10项标准，分别为终端数据管理系统，网络数据管理系统，终端安全管理系统，网络切片管理系统，接口监测系统，漏缆监测系统，铁塔监测系统，无线电干扰监测和台站数据管理系统，场强、服务质量及应用功能检测系统等的技术要求和试验方法。
4.6 接口类
对5G-R系统接口进行梳理，对于5G-R系统专用接口，需要编制接口规范；对于公网通用接口，可结合5G-R系统互联互通、运营维护需要及实际运用情况确定是否编制标准。5G-R系统接口数量较多，接口内容繁简不一，在实际编制过程中，单个接口标准可分册，也可将多个同类型接口合并为一册，当接口内容较少时，也可纳入相关设备类标准。以下对接口类标准进行具体分析。
【用户设备和网络的接口】
用户设备和网络之间包括4类接口，分别为Uu接口、N1接口、MC业务UE与MC设备之间的接口、NWt接口。MC业务UE与MC设备之间的接口，包括MC业务UE与MC应用的公共管理之间的逻辑接口（CSC-1、CSC-2、CSC-4、CSC-8、CSC-14）、MC业务UE与MC应用的MC业务应用之间的逻辑接口（MCPTT-1、MCVideo-1、MCData-1），可参照3GPP相关标准编制适合5G-R系统的接口技术要求和试验方法。
【无线接入网和核心网的接口】
无线接入网和核心网之间为NG接口，通信行业具有相关的接口技术要求和测试方法，5G-R系统需根据自身运用需求，研究确定是否编制NG接口技术标准。
【核心网之间的接口】
经过梳理可知，核心网之间包括24类接口，分别为N4（SMF与UPF间接口），N8（AMF与UDM间接口），N9（UPF与UPF间接口），N10（SMF与UDM间接口），N11（AMF与SMF间接口），N12（AMF与AUSF间接口），N14（AMF与AMF间接口），N16a（I-SMF与SMF间接口），N17（AMF与5G-EIR间接口），N21接口（SMSF与UDM间接口）、N22接口（AMF与NSSF间接口），N27（二级NRF与一级NRF间接口），N31（NSSF与NSSF间接口），二级SCP与一级SCP间接口，MC设备与5G-IN间接口，MC设备与MC设备间接口，RADIUS与一级DNS间接口，二级DNS与一级DNS间接口，SMSF、UDM与SMSC间接口，5G-EIR与一级RMS-I间接口，一级RMS-I与二级RMS-I间接口，一级CMP与二级CMP间接口，NL3（GMLC与GMLC间接口），NL7（LMF与LMF间接口）。
【局核心网内部接口】
局核心网内部包括9类接口，分别为N5（MC设备与PCF间接口）、RADIUS与SMF间接口、二级DNS与UPF间接口、二级DNS与应用接口/接入管理设备间接口、二级DNS与SIPcore间接口、NL1/NL2（位置服务设备与AMF间接口）、NL5（位置服务设备与NEF间接口）、NL6（位置服务设备与UDM间接口）。
【核心网和其他系统的接口】
核心网和其他系统之间包括5类接口，分别为E接口（MC设备接口网关与GSM-R系统MSC间接口）、Ici和Izi接口（MC设备与铁路IMS电话网间接口）、N6接口（UPF与列控等直连应用业务系统间接口）、Yt接口（UE与TNAP间接口）。
【通用接口】
可设置通用接口小类，根据研究情况，将核心网服务化接口通用要求纳入此类标准。同时，DNS相关接口在局核心网与共用核心网之间、局核心网内部均有设置，可统一为Nx接口，纳入通用接口小类。
4.7 运维管理类
运维管理类规划了5项标准，分别为5G-R系统运行维护规则、数据管理规定、版本管理规定、运用管理办法、安全管理规定。我国铁路在GSM-R系统运用过程中建立了比较完善的管理制度，在此基础上，将深入研究公网5G系统运维管理技术和制度，结合铁路特点及运维需求，研究制订相应的运维管理类标准。
5 结束语
建立5G-R技术标准体系非常重要，可为5G-R系统的建设奠定坚实基础。5G-R系统网元和接口丰富，形成的标准体系所包含的标准项目较多，需要结合5G-R系统自身特点开展深入研究。5G-R系统目前处于关键技术攻关阶段，互联互通测试尚未开展，3GPP关于5G的标准尚未完全冻结，通信行业关于5G的标准尚未完全出台，公网5G系统也是在摸索中不断完善，以上原因导致5G-R技术标准体系在现阶段还不能完全确定，需要在后续研究、试验、建设和运用过程中不断调整、细化和补充。
来源：《中国铁路》编辑部
