基于云計算的下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

王開鋒,張 琦,李 輝,高 鶯,陳寧寧,付文剛

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081； 3.國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

信息技術(shù)與鐵路產(chǎn)業(yè)的融合、互聯(lián)網(wǎng)與高速鐵路網(wǎng)的融合，給鐵路建設(shè)、運營維護及旅客服務(wù)等方面帶來深遠影響，智能鐵路已經(jīng)成為未來鐵路發(fā)展的趨勢，而鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)在其中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，列車自動駕駛、旅客智能出行和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能運維的實現(xiàn)要求在車地之間提供高帶寬、低延時、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[1]。目前，鐵路所使用的GSM-R(Global System for Mobile Communications -Railway，鐵路專用數(shù)字移動通信)屬于窄帶移動通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于承載帶寬需求較小的列車運行控制、調(diào)度通信等相關(guān)業(yè)務(wù)[2-3]，無法滿足未來鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。為此，中國和歐洲均開展了下一代鐵路移動通信技術(shù)的研究[4-6]，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)也針對高速鐵路應(yīng)用場景提出了移動通信性能目標(biāo)和5G(Fifth-Generation Mobile Communication System，第五代移動通信系統(tǒng))接入網(wǎng)部署建議[7-8]。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)需要在鐵路沿線布設(shè)大量采用專用平臺構(gòu)建的基站設(shè)備，實現(xiàn)對鐵路作業(yè)區(qū)域的無縫覆蓋[9]，這種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在以下問題：(1)每個基站均需要建設(shè)獨立的機房，不僅征地成本高還要占用大量土地資源；(2)基站需要配套建設(shè)空調(diào)、傳輸、不間斷電源等附屬設(shè)備，根據(jù)中國移動的統(tǒng)計，基站的功率效率只有51%[10]，大量的能源被附屬設(shè)備消耗；(3)基站的實際利用率低，通常情況下大部分基站只有列車通過時才有負載，但基站的處理能力僅供自身使用，無法與其他基站共享，造成基站處理能力的浪費。

云計算、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)的出現(xiàn)，推動了移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革[11]，作為下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)采用滿足鐵路智能化需求的高性能、低成本、低能耗體系架構(gòu)。C-RAN(Cloud Radio Access Network，云計算無線接入網(wǎng))是中國移動首先提出的一種無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并得到了國內(nèi)外運營商和組織的廣泛支持[12]，中國移動在多個省進行的C-RAN規(guī)模部署，證明了C-RAN具有綜合成本低、節(jié)能及抗干擾等優(yōu)點。C-RAN為下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)智能、綠色演進提供了技術(shù)手段，本文分析了C-RAN的基本架構(gòu)以及在鐵路使用C-RAN帶來的技術(shù)優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，根據(jù)未來鐵路移動通信業(yè)務(wù)需求，提出了下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)的部署方案，最后，基于鐵路移動通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)演進路線。

1 下一代鐵路移動通信業(yè)務(wù)需求

未來鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)需要在列車高速運行環(huán)境下，提供高帶寬、低延遲、高可靠的數(shù)據(jù)、語音服務(wù)以及必要的緊急通信服務(wù)[13]。其中，可靠的承載列車運行控制、調(diào)度指揮等業(yè)務(wù)仍然是下一代鐵路移動通信的首要問題，列車自動駕駛乃至無人駕駛是未來鐵路的發(fā)展趨勢，下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)需要為此提供服務(wù)保障。包括以下幾個方面：

(1)移動授權(quán)、臨時限速、自然災(zāi)害報警、站臺屏蔽門控制等列車運行控制信息以及全自動洗車等輔助業(yè)務(wù)信息；

(2)列車牽引制動、火災(zāi)報警、故障報警等列車運行狀態(tài)監(jiān)測信息；

(3)列車向地面控制中心傳輸駕駛室、旅客車廂以及運行前方軌道狀況等視頻監(jiān)控信息，畫面質(zhì)量需要滿足調(diào)度運行需求；

(4)地面控制中心向列車發(fā)送緊急文本、圖像及視頻等旅客服務(wù)信息；

(5)為鐵路運營維護人員提供集群調(diào)度通信業(yè)務(wù)，為旅客提供緊急報警服務(wù)；

(6)為列車提供可靠的位置跟蹤服務(wù)。

未來的鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)為旅客提供體驗良好的移動寬帶服務(wù)，隨著智能鐵路的不斷推進，為旅客提供高速互聯(lián)網(wǎng)、移動云辦公、在線視頻、在線云教室、在線游戲、增強現(xiàn)實等服務(wù)將成為鐵路的重要增值業(yè)務(wù)，這些應(yīng)用也需要較高的帶寬及嚴(yán)格的延遲要求。

根據(jù)應(yīng)用特征及應(yīng)用級別，未來鐵路移動通信服務(wù)可以劃分為不同類別的用例[14]，如圖1所示。

圖1 未來鐵路移動通信服務(wù)用例

(1)基本功能：主要定義了移動臺開關(guān)機、移動性管理、會話管理、基本數(shù)據(jù)通信、基本語音通信等功能。

(2)苛求應(yīng)用：與列車運行控制、調(diào)度指揮及養(yǎng)護維修密切相關(guān)的通信服務(wù)，包括語音調(diào)度通信、鐵路緊急通信、列車自動控制、列車自動駕駛、列車接近預(yù)警、列車定位等業(yè)務(wù)。

(3)性能需求應(yīng)用：與提升鐵路維護管理效率相關(guān)的應(yīng)用，如列車運行監(jiān)測、實時視頻傳送等。

(4)商業(yè)應(yīng)用：與旅客服務(wù)相關(guān)的無線互聯(lián)網(wǎng)、實時流媒體等應(yīng)用。

3GPP針對未來高速鐵路應(yīng)用場景提出了以下目標(biāo)[15]：在最高速度為500 km/h的條件下，用戶能獲得數(shù)據(jù)速率為100 Mbps的移動寬帶服務(wù)，同時網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)支持同一列車多達500用戶同時在線的高連接密度。4 MHz頻段GSM-R網(wǎng)絡(luò)上下行峰值吞吐量約為172 kbps[16]，無法支撐未來鐵路的發(fā)展需要，下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)充分考慮未來鐵路運營維護和旅客服務(wù)兩方面的需求。

2 C-RAN架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線接入網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

C-RAN的基本思想是將基帶處理集中部署并云化[17]，形成基帶資源池統(tǒng)一管理和分配，在遠端僅設(shè)置射頻單元和天饋線，通過高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的無線信號。如圖2所示，C-RAN由基帶資源池、光傳輸網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作式無線電網(wǎng)絡(luò)三部分組成。

圖2 C-RAN基本結(jié)構(gòu)

基帶資源池引入企業(yè)級的云計算平臺，由一個或多個虛擬BBU(Base Band Unit，基帶單元)集群構(gòu)成，提供動態(tài)的基帶處理能力；協(xié)作式無線電網(wǎng)絡(luò)由多個RRU(Remote Radio Unit，射頻拉遠單元)構(gòu)成，提供服務(wù)區(qū)域的無線覆蓋；高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)在BBU集群與RRU之間提供高帶寬、低延遲連接。與傳統(tǒng)的分布式基站不同，C-RAN模糊化了物理上的小區(qū)，BBU和RRU之間沒有固定的連接關(guān)系，每個RRU上發(fā)送或接收的信號由一個虛擬的BBU處理，而這個BBU是一個邏輯實體，由可配置的資源共享池動態(tài)分配。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，C-RAN的概念也進一步演進[18]，BBU功能被重構(gòu)劃分為CU(Centralized Unit，集中單元)和DU(Distributed Unit，分布單元)兩部分，CU主要用于實現(xiàn)高層協(xié)議棧，處理非實時內(nèi)容；DU主要用于實現(xiàn)物理層和實時性要求較高的第二層功能。CU采用通用的硬件，部署在虛擬化的處理平臺之上；DU采用專用硬件平臺，以便實現(xiàn)高密度的數(shù)學(xué)計算。

2.2 C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢及技術(shù)特征

C-RAN架構(gòu)具有基帶資源集中化、計算資源云化、協(xié)作式無線收發(fā)等特征，鐵路下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)使用C-RAN具有明顯的優(yōu)勢。

(1)降低綜合成本和能耗

當(dāng)前GSM-R網(wǎng)絡(luò)的基站均需要配套建設(shè)機房及大量附屬設(shè)備，而在C-RAN中，軌旁只配置RRU和天線，用于實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號濾波、變頻等射頻相關(guān)功能。RRU體積小、功耗低并易于安裝，無需建設(shè)機房，由于RRU可以接近天線放置，大大減小了饋線長度和由此引起的信號衰耗，RRU的發(fā)射功率也可以適當(dāng)減小。

同時，BBU集中化放置在少數(shù)的機房內(nèi)，基帶資源可以按需分配，由多個RRU共享，提高了基帶資源的利用效率。引入軟件無線電和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)后，還可以使用通用硬件來代替原來相對昂貴的專用硬件設(shè)備。

可見，采用C-RAN架構(gòu)可以減少建設(shè)成本和運營成本，并節(jié)省能源消耗。

(2)提高容災(zāi)能力

基帶資源云化后，傳統(tǒng)的基站實體已經(jīng)不復(fù)存在，由一個或多個BBU池對外提供基帶處理能力，BBU池之間以及BBU池內(nèi)部組件之間通過高速交換網(wǎng)絡(luò)互連，基帶處理能力可以被動態(tài)地重新配置和調(diào)整。這就使得網(wǎng)絡(luò)具備了很強的容災(zāi)容錯能力，部分組件故障可能會導(dǎo)致基帶處理能力下降，但不會出現(xiàn)基站退出服務(wù)等問題。

(3)便于設(shè)備運用維護

C-RAN架構(gòu)中，軌旁的RRU設(shè)備功能簡單，可以實現(xiàn)較高的可靠性，基帶及相關(guān)輔助設(shè)備被集中放置在骨干機房內(nèi)，機房可以選擇設(shè)置在車站等交通便利地點。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，可以減少工作人員前往現(xiàn)場維護、巡檢的頻次和工作強度。

2.3 基帶信號前傳

BBU和RRU之間通常采用光纖連接，實現(xiàn)基帶信號前傳，前傳接口協(xié)議主要包含兩種：CPRI(Com-mon Public Radio Interface，通用公共射頻接口)及OBSAI(Open Base Station Architecture Initiative，開放式基站架構(gòu))。在C-RAN架構(gòu)中，基帶資源被聚合在一起，需要大量的光纖構(gòu)建前傳網(wǎng)絡(luò)。下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)普遍采用多天線技術(shù)和更高的頻段帶寬，對前傳網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率提出了更高要求，以配置了8發(fā)8收、20 MHz頻段帶寬的LTE(Long Term Evolution，長期演進)基站為例，CPRI接口傳輸速率需求可達9.8 Gbps，而在5G網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率需求還將進一步提升。

在節(jié)省光纖資源的同時實現(xiàn)高帶寬、低延遲的基帶信號前傳成為C-RAN面臨的挑戰(zhàn)之一。近年來，相繼提出了許多前傳網(wǎng)絡(luò)解決方案[19-20]，相關(guān)的研究主要集中在提高光纖數(shù)據(jù)承載能力和減少前傳網(wǎng)絡(luò)傳輸速率需求等方面。

(1)使用無源波分復(fù)用技術(shù)，利用光復(fù)用器將十幾個至幾十個載波復(fù)用到單根光纖上傳輸，從而大幅度節(jié)省光纖資源。

(2)使用非線性量化、I/Q數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)實現(xiàn)回傳壓縮。

(3)將BBU的部分基帶處理功能下移到RRU中，降低傳輸接口帶寬需求。目前，基于以太網(wǎng)的下一代前傳接口標(biāo)準(zhǔn)也正在制定之中，以滿足未來5G前傳網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)需求[21]。

3 下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)部署方案

3.1 無線接入網(wǎng)絡(luò)部署方案

如圖3所示，無線接入網(wǎng)絡(luò)可以采用RRU、DU、CU三層結(jié)構(gòu)，在鐵路沿線布設(shè)RRU及配套的定向天線，形成橢圓形小區(qū)實現(xiàn)對鐵路的覆蓋。在車站、區(qū)間中繼站等位置設(shè)置DU，通過光纖或高速傳輸網(wǎng)連接多個RRU。CU可以按線路或者區(qū)域設(shè)置，連接多個DU，CU也可以和下一代核心網(wǎng)同址設(shè)置。

圖3 下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

通過DU和CU的集中設(shè)置，可以較少機房等配套設(shè)備的數(shù)量、提高計算資源的利用效率，節(jié)約建設(shè)成本和能耗。同時，機房選址更加靈活，可以避免在自然條件惡劣、交通條件差或征地成本高的地點建設(shè)機房，降低維護成本。

在下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)通過軟件配置的方式邏輯劃分，可以通過RRU合并擴大單個小區(qū)的覆蓋范圍，增大無線覆蓋冗余度、節(jié)省信令開銷，提高用戶的服務(wù)質(zhì)量。

3.2 車載終端無線訪問方案

目前，列車內(nèi)部的GSM-R移動臺通過安裝在列車頂部的天線接收和發(fā)送無線信號，以“復(fù)興號”動車組為例，兩端各安裝了8根天線分別供列車自動防護系統(tǒng)、機車綜合無線通信設(shè)備、車載地震緊急處置裝置及機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)使用。下一代移動通信中，為對抗多徑衰落，終端普遍采用分集接收技術(shù)，單個移動臺至少需要兩個天線，而隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)所承載的應(yīng)用類別擴充，未來列車內(nèi)的移動終端數(shù)量也會大大增加，列車無法為每個終端提供獨立的車頂天線，移動終端面臨著嚴(yán)重的穿透損耗問題。

為了解決這一問題，下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)可以使用MRN(Mobile Relay Node，移動中繼節(jié)點)無線訪問架構(gòu)，在列車內(nèi)安裝由回程鏈路和接入鏈路兩部分構(gòu)成的MRN，回程鏈路使用車頂天線連接基站，接入鏈路使用內(nèi)部天線為車載終端提供服務(wù)，如圖4所示，列車可以通過泄露同軸電纜實現(xiàn)對車廂內(nèi)部的無線覆蓋。

圖4 MRN無線訪問架構(gòu)

MRN的類別可以分為層1中繼、層2中繼和層3中繼，層1中繼在物理層對信號進行放大和前傳，這種方式會對干擾信號和噪聲無差別的放大；層2中繼實現(xiàn)了無線資源調(diào)度功能，首先對接收到的信號解碼，再進行編碼和轉(zhuǎn)發(fā)，可有效去除中繼信道的干擾和噪聲；層3中繼可以看作是一個實現(xiàn)了無線回傳功能的基站，具備無線資源管理和移動性管理等功能。與普通移動終端相比，MRN大小和功率受到的限制比較少，可以使用更為復(fù)雜的智能天線技術(shù)、信號處理技術(shù)和高速條件下越區(qū)切換方案，除了克服穿透損耗之外，還有利于提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

4 下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)演進路線

自從青藏鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)開通以來，我國已經(jīng)建設(shè)了覆蓋數(shù)萬公里鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度通信、機車同步操控、列車運行控制等許多重要業(yè)務(wù)承載在GSM-R網(wǎng)絡(luò)之上，GSM-R網(wǎng)絡(luò)向下一代鐵路移動通信網(wǎng)的過渡必將是一個長期過程，可以預(yù)見，未來一段時期內(nèi)下一代鐵路移動通信網(wǎng)將與GSM-R網(wǎng)絡(luò)共存，圖5是本文提出的下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)演進路線。

圖5 下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)演進路線

(1)借鑒C-RAN在公眾移動通信網(wǎng)中的應(yīng)用經(jīng)驗，將C-RAN帶來的新架構(gòu)和新技術(shù)引入到GSM-R網(wǎng)絡(luò)之中，建設(shè)和改造GSM-R無線接入網(wǎng)。初期可以使用分布式基站的方式，將BBU集中并簡單堆疊，隨著技術(shù)的不斷成熟，將BBU虛擬化并向云化平臺演進。

(2)在世界范圍內(nèi)LTE-Advanced Pro已經(jīng)得到廣泛的部署，5G首個商用部署標(biāo)準(zhǔn)3GPP R15已于2017年底凍結(jié)，5G商用時代即將到來。為滿足未來智能鐵路發(fā)展需求，研究下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)需求定義、功能要求和頻率要求等內(nèi)容，建設(shè)C-RAN架構(gòu)鐵路專用下一代網(wǎng)絡(luò)，充分利用云計算、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等新技術(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護成本。

(3)研究GSM-R/下一代網(wǎng)絡(luò)雙模部署方案，開發(fā)雙?；荆瑢崿F(xiàn)GSM-R與下一代網(wǎng)絡(luò)共享站址、機房、鐵塔、天饋和傳輸?shù)荣Y源，保護GSM-R網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有投資，幫助GSM-R向下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)平滑演進。

(4)隨著鐵路下一代網(wǎng)絡(luò)普及和技術(shù)上的成熟，將原來承載在GSM-R網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用業(yè)務(wù)逐步遷移到下一代網(wǎng)絡(luò)之上，最終實現(xiàn)GSM-R退網(wǎng)。

5 結(jié)語

下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足未來智能鐵路、移動互聯(lián)網(wǎng)的長期發(fā)展需求，充分利用移動通信領(lǐng)域的新技術(shù)和新方案，為鐵路運營維護和旅客提供高帶寬、低延時、高可靠的車地通信服務(wù)，同時還應(yīng)考慮節(jié)約建設(shè)成本、運營維護成本以及節(jié)能環(huán)保等方面的需求。C-RAN是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將基帶處理與射頻部分分離并集中設(shè)置，形成云計算架構(gòu)基帶資源池，減少機房等配套設(shè)備的數(shù)量，實現(xiàn)資源共享，可以推動下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)的綠色演進。為滿足列車內(nèi)部移動終端高速數(shù)據(jù)傳輸需求，采用基于移動中繼的終端無線訪問方案，解決列車頂部天線布設(shè)困難等問題，擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高系統(tǒng)容量。在下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時，采用新技術(shù)、新架構(gòu)對GSM-R進行改造，逐步將承載在GSM-R的業(yè)務(wù)遷移，最終實現(xiàn)GSM-R向下一代鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)的平滑演進。