特别策划铁路5G-R系统核心网架构研究庞萌萌(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司通信信号设计院，北京100070)摘要：基于铁路5G专网的业务和功能需求，提出铁路5G专用移动通信(5G-R)系统核心网的体系架构，包括基于5G公网技术的5G核心网(5GC)设备和边缘计算节点设备，以及体现铁路特殊需求的铁路宽带集群通信(MC)系统设备和应用支撑设备；分析核心网各组成部分的主要功能，并在此基础上，研究基于云基础硬件的核心网组网方案，并结合GSM-R核心网共用设备的设置情况，分析探讨5G-R核心网全路共用设备的部署策略。关键词：5G-R;系统架构；组网技术；核心网；全路共用设备中图分类号：U285文献标识码：A文章编号：1001-683X(2021)08-0001-06D01:10.19549/j,issn.1001-683x.2021.08.0011研究背景级，成为必然发展和迫切需求[]。5G具有大带宽、大连接、低时延等优势，可实现我国铁路专用移动通信历经数十年发展，紧跟时人与物、物与物的泛在互联，是支撑经济社会数字化、代步伐，持续进行技术迭代、制式演进，从而满足日网络化、智能化转型的关键新型基础设施[2】。2020年益丰富的铁路无线通信业务需求。从450MHz列车无初，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）经过线调度通信系统到铁路数字移动通信(GSM-)系统业务需求分析和技术经济比选，结合我国加快5G网络的升级改造，实现了模拟制式向数字制式的跨越，等新型基础设施建设的决策部署，基本明确了5G专网GSM-R系统在我国的大规模运用，助力高速铁路发展。的系统目标[1。由于铁路5G专用移动通信(5G-R)系而GSM-R系统作为窄带制式，目前面临设备停产和无统具有线路覆盖、站场覆盖和车内覆盖相结合的网络覆法满足宽带业务需求的问题，GSM-R系统向铁路新一盖特征，以及部分应用业务对网络安全性和可靠性的较代移动通信系统演进，实现窄带制式向宽带制式的升高要求，公网5G的技术和装备无法直接应用于铁路，铁路需根据应用业务特点，定制适用于铁路的5G-R系基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目统架构和设备组成，形成完整、成熟、具备自主知识产(P2020G004作者简介：庞萌萌(1986一)，女，高级工程师，硕士。权和铁路特色的5G-R技术体系及系列专用装备，保障E-maik5G-R系统的全生命周期可用、可控。CHINA RAILWAY 2021/08特别策划铁路5G-R系统核心网架构研究庞萌萌25G-R系统核心网架构及功能重要的位置，负责无线接入网和用户设备的接人，以及与其他通信系统和应用业务系统的互联，从而打通5G-R系统由核心网、无线接入网(RAN)、用户端到端的应用业务通道。设备(UE)及运营与支撑系统(0SS)4个部分组成，5G-R系统核心网在3GPP规范和公网5G技术的基系统架构见图1。础上，结合GSM-R在我国铁路成功运用的经验，增加5G-R系统核心网主要具备用户、业务、资源、安铁路特色功能网元，形成由5GC设备、MC系统设备、全的管理控制功能，在整个5G-R系统架构中占据非常应用支撑设备和边缘计算节点设备组成的体系架构。核心S应支撑计备接S关位S服条系SDNSSIP-3有终调度通信系S5GC计备sP-2N终FAUSEUDMMC应I.N5g-airNamf数据库MC业务PCEN5N2NAUPFCSC-17/CSC-18N3TN9应接口接入端理计备应业务系S铁路宽带集S数据通信节D计备MEPY2CTC无终接入SN3T边边监A检A端应业务系SWLANSSCMP铁路基L计备计施Uu列控端不需要边接监户计备本地应业务系S边边无终通信模块边发终端USIM边营与支撑SM卡端理密铁及终安全理监A图1铁路5G-R系统架构2.15GC设备网络接入控制、注册和连接管理、接入管理和移动性5GC设备为5G-R系统核心网中基于公网5G技管理、注册区管理、策略控制等基本核心网功能，可术41的部分，为3GPP标准定义的典型核心网，具备承载基本的数据传输业务。5GC设备基于云基础设施，C之CHINA RALWAY2021/08铁路5G-R系统核心网架构研究庞萌萌特别策划采用服务化架构，可根据需要实现网络功能的弹性增2.3应用支撑设备减。5G-R建网初期，5GC可设置控制面网元接人和移应用支撑设备包括域名服务器(DNS)、远端拨入动管理功能(AMF)、会话管理功能(SMF)、策略控制用户验证服务(RADIUS、位置服务系统和短消息服功能(PCF)、网络存储功能(NRF)、认证服务器功能务中心(SMSC),为支撑5G-R系统提供业务功能的辅(AUSF)、统一数据管理(UDM)、网络切片选择功能助设备。DNS负责域名解析和电话号码映射工作组(NSSF)、短消息服务功能(SMSF)、5G设备识别寄存(ENUD解析，RADIUS负责验证、授权和记账器(5G-EIR)和用户面网元用户面功能(UPF)等基(AAA)认证及互联网协议(IP)地址分配，RADIUS本的网络功能，上述网络功能与公网相比，增加了和DNS联合应用，还可实现动态域名更新，适用于动5G-EIB实现终端设备认证，满足铁路的安全需求。态分配IP地址的情况下，基于自定义用户名的域名与P地址的绑定与查询，如双模列尾业务应用。位置服随着技术演进及相关标准冻结，还可增加网络曝光功能(NEF)、网络数据分析功能(NWDAF)、非3GPP接务系统获取用户设备上报的位置信息，或根据用户设人5G网络功能(N3IWF)等网络功能，实现网络开放、备发送的位置测量值计算位置估算值，并支持将位置网络数据分析以及非3GPP网络接入等功能。信息位置估算值提供给其他系统，满足其他系统对用2.2MC系统设备户设备的位置需求。SMSC是在2G时代就存在的网元，5GC设备只能实现基本的数据传输功能，而语音、主要用于短消息的存储和转发，5G时代短消息的实现也需要SMSC网元，还需要在5GC中设置SMSF实现超视频呼叫业务以及铁路特色的集群通信业务和智能网文本传送协议2.0(HTTP2)与移动应用部分(MAP)业务等功能需要增加相应的核心网网元实现。公网采协议的编解码转换。5G-R短消息主要有空中下载用IP多媒体子系统(IMS)解决语音和视频呼叫业务，(OTA)、物联网场景应用的通信模组唤醒、系统登录但IMS系统无法实现铁路的语音、视频组呼以及点对多验证码发送等应用。点数据传输等集群通信业务和智能网业务，并不适用2.4边缘计算节点设备于铁路。因此，5G-R系统在核心网中增加定制化的MC系统设备，满足铁路特色业务需求6-61。边缘计算是在移动网络的边缘整合信息化架构和MC系统设备包括初始会话协议核心(SIP Core)、云计算能力，利用无线接人网络就近提供低时延与高带宽的网络服务，在本地网络中实现各项内容、服务接口网关和MC应用。其中，SIP Core主要实现信令控与应用的快速获取，提升用户体验7-。铁路可在车制平面的注册、服务选择和路由功能；接口网关主要站、编组站、动车段、机务段等业务类型多，且对数实现与铁路既有通信系统的互联；MC应用为基于SIP据传输有低时延或大带宽要求的区域设置边缘计算节Core的应用服务，包括公共管理、用户数据库、MC业点设备，实现站场本地路由和转发。边缘计算节点设务应用和5G业务控制点(5G-SCP等。在MC应用备包括边缘UPF和移动边缘计算平台(MEP),边缘中，公共管理负责铁路宽带集群通信业务的身份管理、UPF对用户面数据进行本地分流和转发，MEP支撑本配置管理、群组管理、密钥管理、用户迁移管理以及地应用，并开发应用程序接口(AP)提供网关功能。用户位置管理等；用户数据库负责MC系统用户数据和35G-R系统核心网组网研究业务数据的管理；MC业务应用由铁路宽带集群语音通信(MCPTT)、铁路宽带集群视频通信(MCVideo)和3.1组网方式铁路宽带集群数据通信(MCDat组成，分别实现语核心网作为5G-R网络的核心节点，是整个网络有音、视频和数据集群通信业务的呼叫控制；5G-SCP为序运转的管理与控制中枢，且对运维要求较高，应采应用于5G的智能网网元，实现功能寻址、基于位置寻用相对集中（如铁路局集团公司集中或更高程度的集址等智能网业务。中)方式进行部署。CHINA RAILWAY 2021/08