鐵路5G-R無線接入網組網方案

葛偉濤，馮敬然，周 敏，楊 琪，李珉璇

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 概述

目前，鐵路專用移動通信系統主要采用GSM-R系統，為窄帶移動通信系統，只能承載語音業務或少量的數據業務。隨著國內鐵路向數字化、智能化方向發展，GSM-R系統已經無法滿足智能鐵路發展的需要。另外，GSM產業日益萎縮，預計到2030年設備廠商將逐漸停止GSM-R相關產品的供應。5G具有大帶寬、低時延、多接入、高可靠等技術優勢，是目前已商用的技術中最先進、產業發展趨勢最好、適合行業應用的寬帶移動通信技術體系，具有良好的政策支持和商業環境。結合國內加快5G網絡等新型基礎設施建設的決策部署，下一代鐵路專用移動通信系統將采用5G-R系統。

5G-R系統按照獨立組網考慮，主要包括核心網、無線接入網（RAN）、用戶設備（UE）及運營與支撐系統（OSS）4個部分。其中，無線接入網主要由5G-R基站（gNB）、天饋線、漏泄同軸電纜等組成，其中基站根據應用場景可分為宏覆蓋基站和室內覆蓋基站。宏覆蓋基站用來覆蓋鐵路線路（含隧道），主要以分布式基站的方式組網，包括基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）。

2 5G-R接入網組網方案研究

2.1 5G-R覆蓋場景

根據《鐵路5G專網業務和功能需求暫行規范》（鐵科信[2021]63號），鐵路5G-R不僅要給鐵路行車指揮、運營維護人員提供語音通信，還要提供大量視頻通信、數據信息傳送等，因此5G-R的應用及覆蓋范圍將比GSM-R更廣泛。根據5G-R業務需求，5G-R覆蓋場景主要包括鐵路線路非隧道區域、鐵路線路隧道區域、沿線車站/站場、局/段/所等生產辦公場所、列車車廂內等，其中鐵路線路隧道和非隧道區域的5G-R組網方案是研究重點。

2.2 鐵路線路非隧道區域組網方案

根據列車運營時速、信號列控等級的不同，5G-R分為單網覆蓋和冗余覆蓋兩種方式。普速鐵路或信號列控等級采用CTCS-2的高速鐵路5G-R應采用單網覆蓋，300 km/h及以上、信號列控等級采用CTCS-3的高速鐵路或重載鐵路5G-R應采用冗余覆蓋。

1）單網覆蓋方案

由于5G-R系統擬用2 100 MHz的頻率，系統帶寬為上、下行各10 MHz。為了將頻譜效率最大化，滿足更多業務的承載需求，同時考慮到鐵路對可靠性要求較高，結合目前設備廠商支持的組網方式，可在每個物理站址設置2套4T4R RRU進行同頻組網。由于環形組網對占用光纖資源較少，可靠性較高，因此推薦BBU和RRU之間采用環形方式組網。根據RRU與天線之間是否設置電橋，單網覆蓋有以下兩種方案。

方案一：單網覆蓋不設置電橋方案

每個物理站址設置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線直接與天線相連。BBU內主控板、基帶板、電源模塊等關鍵板件按照冗余配置。RRU1和RRU3組成一個環，RRU2和RRU4組成一個環。為充分利用BBU關鍵板件的冗余特性，減小BBU單基帶板故障時對系統的影響，每個RRU環的環頭、環尾接入BBU的不同基帶板上。組網示意如圖1所示。

方案二：單網覆蓋設置電橋方案

每個物理站址設置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線經3 dB電橋與天線相連。其他連接方式與方案一相同，如圖2所示。

圖2 單網覆蓋設置電橋方案Fig.2 Scheme of single network coverage with bridge

上述兩個方案，每個物理站址設置兩套RRU，任意一套RRU故障時，還有另外一套RRU在工作，覆蓋不受影響。兩套RRU均正常工作時，兩種方案基站側均實現4T4R MIMO。但方案二RRU和天線間設置了電橋，不僅增加3 dB損耗，饋線連接方式也更加復雜，故障點也會增多，因此方案一優勢較大。當其中一個RRU故障時，方案一基站側由4T4R變為2T2R，相當于基站發射功率減少3 dB，下行波束賦形增益減少3 dB。方案二仍為4T4R，但有3 dB電橋插入損耗。整體來看，方案二下行覆蓋比方案一有3 dB波束賦形增益。由于單RRU故障模式不是常態，而且方案一施工簡單，綜合考慮，單網覆蓋時推薦按照方案一不設置電橋進行組網。

2）冗余覆蓋方案

冗余覆蓋主要包括同站址雙網和單網交織冗余方案。與GSM-R不同，5G-R將承載大量視頻通信和數據傳送，若將10 MHz帶寬分成2個5 MHz，分別組成同站址異頻雙網（每張網絡使用5 MHz）或單網交織冗余（兩個相鄰小區之間采用不同的5 MHz帶寬），將大大影響5G-R系統的頻譜效率和傳輸速率，因此5G-R冗余覆蓋推薦采用10 MHz同頻組成雙網覆蓋，即同站址同頻雙網方案。BBU和RRU之間采用環形組網時，根據RRU與天線間是否設置電橋，冗余覆蓋有以下兩種方案。

方案一：同站址同頻雙網不設電橋方案

每個物理站址設置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線直接與天線相連。設置2套BBU作為信源，2套BBU可以設置在同一物理站址，也可設在不同物理站址以增加容災性。兩套BBU其中一套BBU主用，另一套BBU備用，主、備用BBU通過承載網之間進行心跳連接。BBU內主控板、基帶板、電源模塊等關鍵板件按照冗余配置。RRU1和RRU3組成一個環接入BBU1，RRU2和RRU4組成一個環接入BBU2。為了充分利用BBU關鍵板件的冗余特性，減小BBU單一基帶板故障系統的影響，每個RRU環的環頭和環尾接入同一BBU的不同基帶板上。組網示意如圖3所示。

圖3 同站址同頻雙網不設電橋方案Fig.3 Scheme of same address,same frequency and double network without bridge

方案二：同站址同頻雙網設電橋方案

每個物理站址設置2套4T4R RRU和2副天線，RRU通過饋線經電橋與天線相連。其余組網方式與方案一相同，如圖4所示。

圖4 同站址同頻雙網設電橋方案Fig.4 Scheme of same address,same frequency and double network with bridge

上述2個方案中，BBU1主用，BBU2備用，每個物理站址的2個RRU，也是一個主用、一個備用。由于同站址同頻組網，為減小備用RRU對主用RRU信號的干擾，正常情況下，主、備RRU均處于加電狀態，但只有主用RRU發射信號，備用RRU處于加電但不發射功率狀態。當設備或接口故障時，觸發主、備系統倒換。因此兩個方案正常情況下，方案一基站為2T2R，方案二基站為4T4R，雖然引入3 dB電橋插損，但下行有3 dB波束賦形增益。當一個RRU故障時，方案一和方案二的MIMO方式不變?？紤]到高速鐵路及重載鐵路業務承載需求高于普速鐵路，因此冗余組網推薦采用方案二。

2.3 鐵路線路隧道內組網方案

鐵路5G-R基站主要采用分布式基站方式組網，隧道內主要采用“隧道外/隧道口BBU+隧道口/隧道內RRU+隧道內漏纜+隧道口天線”的方式進行覆蓋。

考慮到5G-R系統對MIMO的需求，隧道內敷設漏纜的條數應大于等于2條。參照公網覆蓋設計經驗及測試效果，兩條漏纜間距為4λ時MIMO覆蓋效果較好，按照2 100 MHz計算，5G-R兩條漏纜間距可按0.6 m設置。由于標準動車組列車車頂距軌面高度為4.05 m，為了保證漏纜覆蓋效果，漏纜掛設高度應大于動車組車頂天線的高度，建議漏纜最低掛設高度距軌面4.2 m。若隧道內掛設2條漏纜，漏纜可掛設在距軌面4.2～4.8 m的高度。若掛設4條漏纜，漏纜可掛設在距軌面4.2～6 m的高度。由于接觸網下錨底座掛設在距軌面5.1～6 m的位置，掛設4條漏纜時，漏纜遇到接觸網下錨底座需要提前上繞或下繞避開，增加了施工和維護的難度?？紤]到隧道壁空間、隧道內施工及維護的難度及成本，推薦隧道內敷設2條漏纜組成2T2R MIMO覆蓋隧道內。

1）隧道單網覆蓋

方案一：不設置電橋方案

在隧道口/隧道內每個物理站址設置2套2T2R RRU，隧道外/隧道口機房內設置1套BBU，如圖5所 示。RRU1、RRU3、RRU5組 成1個 環，RRU2、RRU4、RRU6組成1個環。為最大化利用BBU主控板的冗余特性，每個環的環頭和環尾接入BBU不同的主控板上。在隧道內掛設2條漏纜，RRU通過饋線直接和漏纜/天線相連。

圖5 隧道內單網覆蓋不設置電橋方案Fig.5 Scheme of single network coverage without bridge in tunnel

方案二：設置電橋方案

與方案一不同的是，RRU通過饋線經電橋與隧道內漏纜和隧道口天線連接，其余組網方式均與方案一相同。如圖6所示。

圖6 隧道內單網覆蓋設置電橋方案Fig.6 Scheme of single network coverage with bridge in tunnel

兩個方案在正常工作模式下均能實現2T2R MIMO，但方案二有3 dB電橋插損，因此方案一比較好。當單個RRU故障時，方案一由2T2R降為1T1R。方案二仍為2T2R，方案二比方案一下行有3 dB增益，由于單RRU故障模式不是常態，而且方案一施工簡單，綜合考慮，單網覆蓋時隧道推薦按照方案一不設置電橋進行組網。

2）隧道冗余覆蓋方案

在隧道口/隧道內每個物理站址設置2套2T2R RRU，在隧道口/隧道外機房內分別設置2套BBU，1套主用，1套備用，如圖7所示。RRU1、RRU3、RRU5組成1個環接入BBU1，做為主用RRU環，RRU2、RRU4、RRU6組 成1個 環 接 入BBU2，做為備用RRU環。由于采用同頻組網，為減小備用RRU對主用RRU的影響，備用RRU設備只加電，但不發射功率。為最大化利用BBU主控板的冗余特性，每個環的環頭和環尾接入BBU不同的主控板上。隧道內掛設2條漏纜，為了實現隧道內2T2R的MIMO，需要在RRU和漏纜之間安裝3 dB電橋。

圖7 隧道冗余覆蓋方案Fig.7 Scheme of redundancy coverage in tunnel

3 總結

與GSM-R系統相比，5G-R系統不僅承載語音業務，還要承載大量的數據業務。從系統需求到系統架構，從覆蓋場景到組網方案，從工程設計到工程建造，從工程驗收到運營維護等均變得更加復雜。目前，5G-R系統的業務需求、關鍵技術、系統方案、系統指標、應用場景等還在研究中。本文重點針對普通單網和冗余組網兩種覆蓋模式以及鐵路沿線非隧道區域和隧道區域兩種覆蓋場景，對5G-R系統無線接入網的組網方案進行研究，以供今后相關技術標準制定以及工程設計借鑒參考。