《融合5G铁路全连接智能信息网络研究》-工学论文，通信论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

融合5G铁路全连接智能信息网络研究

范文

刘默涵曲成昊

【摘要】 ? ?5G新技术将改变铁路信息网络。本文通过对5G技术进行研究结合铁路信息网络的业务需求，提出了适用于铁路信息网路的全连接解决方案，并对融合性进行了研究。

【关键词】 ? ?铁路信息网络 ? ?5G ? ? 切片

一、概述

国家新基建发展的新理念，将会引领以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型和智能升级、融合创新等服务的基础设施体系建设的发展思路。而铁路网的建设（特高压、城际高速铁路和城市轨道交通建设）以及铁路网辅助应用（高清晰视频监控、高精度铁路网管控、高质量人脸识别对铁路系统的智能监控、高体验的铁路票务系统服务、高效率铁路智能仓储配送）都需要与新技术网络进行结合，推从5G网络与铁路高质量应用发展相结合，实现信息基础设施在铁路实体基础设施建设的深度融合，发展出5G网络+铁路应用服务网络的融合基础发展和创新基础发展，实现十四五计划中铁路网络服务满足国家新基建和战略层面发展的需求。

随着智能铁路的发展和物联网技术的普及，铁路基础设备设施监测检测的业务需求使得越来越多的设备通过各种网络技术实现了数据回传，2、3、4G网络已经为铁路发展提供一张基础的物联网。这张网已经提供了包括在铁路网应用的终端管理、数据传输安全、SIM卡管理等基本管理能力，解决了铁路网的分散独立发展的瓶颈，完成了铁路信息网络海量终端的有效管理，实现了铁路在生产、运营、监控和服务方面的网络应用承载和集中核心管理的能力。

二、5G网络特性在铁路服务中的应用支撑

5G 具有三大网络能力：增强型移动宽带（eMBB，简称大带宽）、低时延高可靠通信（uRLLC，简称低时延）及海量机器类通信（ mMTC，简称大连接）。这些特性在千行百业中发挥了重大的信息化、数字化转型的强有力的支撑，同样在铁路信息网络的发展中也有广大的应用发展空间。

5G的高带宽特性是来源于在5G网络中应用了新型64通道的大规模天线应用，同时采用了新型的波束赋形的技术，让5G网络在应用承载中的频谱利用率有了很大的提升，同时在5G基站的配置中采用了DU/CU分离的结构设计理念，让5G基站的基带资源得到了共享，并实现了无线接入的切片和云化的能力。这些技术都为5G的高速率带宽打下了技术基础，在5G网络中的应用上传和下载速率有了极大的提升：

在5G网络的典型配置下，5G网络单点下行峰值容量可达5.2Gbps，上行峰值容量761Mbps，这为5G行业应用提供了新应用速率支撑，针对单用户上下行峰值分别为190Mbps和1.74Gbps，相比4G网络的上下行速率，提高了上行速率提升了10倍、下行速率提升了100倍。这就给铁路信息网络应用的拓展提供更大的空间，以往的铁路高清视频监控、铁路自动无人巡检、铁路远程会诊维修都需要高带宽上行，而铁路应用由于与铁路机车的移动性、铁路的覆盖广特性影响，无法按照其他行业通过专线、裸光纤等固定数据能力进行网络部署，而4G网络的上行带宽在没有网络特殊保障的情况下往往只能达到5M～10M的带宽，对于高清视频监控、高清设备视频维修检测、高清巡检都需要大于20M的带宽上行带宽传输，原有的4G物联网无法支撑这种移动性的高带宽视频承载，而5G网络的基站特性为行业应用提供了100M～200M的上行特性，从而就能结合视频监控终端、视频检查设备的升级到5G模组的植入，在产业链形成5G端到端的铁路高清视频监控网。

铁路信息网络承载铁路北斗基础设施检测、应急处置综合管理应用、机务段运营统一管理等应用，同时还承载着聚合支付、应急通信等基础服务，这就要求有相应的低时延和数据隔离的安全保障。随着5G网络的应用广发性提升，低时延和安全隔離性也成为行业对高科技网络的迫切需求。

5G切片技术就是在解决行业应用中对远程低时延控制和网络专用、网络隔离的需求中应用而生的，5G网络使用了多重隔离技术，这些隔离技术可以灵活的应用组合，构建不同隔离等级的软/硬切片，满足不同应用和不同行业对网络隔离的需求：

无线切片隔离：可以采用不同频段的硬隔离，也可以采用基于切片优先级调度的软隔离，同时采用切片的接纳控制手段对无线侧的RB QCI等无线资源和QoS保障等级的控制;

承载切片隔离：可以采用FlexE的能力进行传输网的硬隔离，可以用使用SR VPN的技术实现逻辑软隔离;

核心网切片隔离：可以采用5GC独立布设核心网的方式进行硬隔离，也可以通过控制面和转发面的共享优先级调度控制，通过全局的NSSAI切片标识进行带宽、时延的控制，实现同一个5GC核心网的能力预留和能力调用，从而实现核心网的软隔离。

有了这三层的5G切片隔离技术，就能为铁路行业应用提供定制化的切片，以端到端切片能力开放的理念构建业务管理层;以统筹编排统一部署的策略实现无线＼核心＼传输层资源配置。通过5G的端到端切片能力，可以在北斗基础设施检测、应急处置综合管理应用、机务段运营统一管理等应用，聚合支付应用等多个应用中，形成不同的业务切片，业务之间的数据传递、数据控制都分别在各自的网络端到端的切片中进行执行，切片的隔离让不同的应用跑在不同的通道上，而不同的5G网络通道可以设置不同的上/下行数据的速率和带宽保证，比如在北斗基础设施检测中，对带宽的要求更高一些，因此该5G切片主要保障上行带宽;而应急处置管理应用由于控制的需要，要求控制时延和响应时延要高，对带宽次之，这就可以设置该切片的能力保障以时延保障为主;而不同的应用数据和控制消息也隔离在不同的切片中，确保了应用之间的安全性，防止应用数据窃取和应用控制被外来攻击。

5G+边缘计算能力结合，又能为铁路信息网络的发展提供了另外一个拓展空间和应用利器。充分利用5G网络UPF下沉的能力，让边缘计算的应用成为可能，MEC是集通讯、网络能力，云，智能，以及应用能力为一体的DICT智能信息节点，这个节点让5G、IoT和AI的应用能力结合在一起，满足铁路应用系统对数据处理提出了新的技术要求。例如在采集人脸识别，表情识别等数据，实现安防及客户感知监控与优化的应用中，就能采用5G+边缘计算的网络能力。在铁路信息网络的布设中，由于是全网布设，应用都是集中到核心服务器进行处理，如果在广州进行人脸识别的应用，往往需要从广州的终端节点跑到其他城市（应用服务器放置在哪个省，就会在哪个省核心服务提供）。这就造成了极大的数据处理的无法实时快速响应。而当该应用的部署依托了5G网络的数据下沉能力，结合UPF的特性，将服务应用的数据中心从“云+端”集中式架构向“云+边+端”分布式架构演变。

三、5G铁路专网建设思路和应用承接方案

5G网络的诞生使能千行万业不断发展，上述所涉及的5G网络性能：高带宽、低时延和大链接的三大5G网络特性和两大5G网络能力：5G切片能力和5G边缘计算能力给行业带来了高质量的服务，为了更好满足而对于铁路网络应用需求，运营商已经开始为垂直行业的需求为目标，进行5G网络的建设。

这就让铁路信息网络的发展可以按照专属的网络覆盖、专用的网络资源和专有的网络服务转型，启动5G铁路专网的建设，以发挥业务的专业沉淀，塑造精品的5G铁路专网形成布局优势。

5G铁路专网的应该基于“灵活组网、按需定制” 原則，按照不同业务需求、不同城市特点和不同服务区域来进行专网的建设落地。结合业务场景与实际需求进行能力组合，按照5G专网的建设，5G铁路信息网络专网可以按照以下的两个建设模式进行：

公网5G铁路信息网络专网建设共用模式：提供无线网络增强覆盖，通过边缘计算技术，实现本地业务处理，满足数据不出场、超低时延等需求，为多类铁路应用提供专属网络服务。在这种建设模式下，可以通过5G无线侧增强覆盖，按需补点，按需调优实现无线侧的网络专属服务，通过UPF及MEP按需下沉实现核心网媒体面资源独享。

专用5G铁路信息网络专网建设专用模式：通过对基站、频率等专建共用，为铁路服务应用构建专用无线网络，提供高安全性、高隔离度的专用定制化建网，在无线侧采用基站或者频率专用，通过独占无线侧资源，实现高隔离、高可靠;在核心网采用专用SA核心网，按需提供控制面资源（AMF/SMF/UDM）。

公网共用和专网专用的两个模式的关键技术、网络功能和服务功能也有一些差别，可以结合铁路业务和应用特性来决定采用哪种5G专网建设模式来进行。

例如针对铁路车站、铁路重点路段的监控需求，制定5G立体化指挥防控应用解决方案，就可以通过共用的方式，构建立体化数字安防体系以及情报、指挥、行动一体化的5G专用网络，实现了5G网络技术与人工智能、云计算、大数据等新技术的紧密融合。通过网络切片技术实现5G在铁路车站的安检、安控和立体指挥防控：

1、解决智能预警网络无法实时交互瓶颈：5G低时延，高清视频人脸识别和危险物品识别的实时性和准确性依赖移动网络;

2、立体安防需要越来越丰富的立体数据采集，5G大带宽满足各类感知设备中的多路数据并行传输需求，如指挥车（现场指挥能力从分局下移），巡逻车的数据传递要求;

3、提高警务数据安全性：5G切片支持当下警务数据移动数据上大网，需要更高的端到端的QoS和安全性保障，灵活的数据调度。

四、小结

2020年疫情后，国家增加铁路建设资本金，同时强调了加强新型基础设施建设，发展新一代信息网络，拓展5G应用。因此高速铁路网的投建和高速铁路信息网的建设需要同步进行、相辅相成。要拥抱“新基建”，建设交通强国，就要实现铁路信息网络的信息承载网络的快速转型，实现对5G技术的深入了解和深度融合，铁路发展离不开创新驱动，在创新驱动的引领下，在5G网络的辅助下，未来动车组的智能化程度会越来越高，而5G、大数据等技术应用，将更快的提升铁路的基础设施的智能化水平。

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。