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SPN 5G-R（5G-Railway，5G铁路）是SPN承载的，基于5G技术的铁路新一代移动通信系统，属于专网通信（Private Network）系统。它是铁路专用的5G网络，专门用于满足铁路通信行车指挥及控制和运营维护需求。
SPN 5G-R业务承载网络支持铁路新业务通信的高安全、高可靠、大带宽以及灵活连接等需求，是打造下一代铁路无线通信系统，推动铁路数字化转型的必由之路。

什么是SPN 5G-R

5G-R的英文全称是5G-Railway。Railway，是英文“铁路”的意思。5G-R被称为“基于5G技术的铁路新一代移动通信系统”。其实，简单来说，SPN 5G-R就是SPN承载的，用于铁路运输行业的5G专网通信系统。

5G-R，可以分为5G和Railway两部分。下面将先介绍铁路专网的通信场景有哪些，接着介绍为什么用5G技术来承载铁路通信业务。

铁路专网通信场景

铁路交通运输，是典型的移动通信场景，对无线通信技术的需求非常强烈。不管是高铁，还是普速列车（绿皮车），不管是客运列车，还是货运列车，都需要随时保持与车站的紧密联系，这是铁路安全运行的基本前提。归纳来看，铁路专网无线通信包括以下几种应用场景：

1. 正线车地/车车通信
   所有铁路正线经过的地方，都需要进行信号覆盖。这属于典型的广域覆盖场景。列车运行过程中，主要用到的通信系统和业务包括：列车运行控制系统、重载组合列车的机车同步控制和调度通信、列车进路预告、调度命令信息等。除了车地之外，现在车车（thing to thing，T2T）通信也有需求，主要应用于防撞系统。

2. 铁路站场、枢纽
   铁路客运车站、货运编组站、机务段、车辆段、动车所等区域，也是通信需求较为密集的场所，属于热点覆盖区域。主要业务包括：平面调车、调车监控、编组站自动化、客站服务、车载数据下载、站场物联网、站场维护作业等。

3. 铁路沿线基础设施
   除了列车之外，铁路沿线的基础设施，也有通信需求。例如，铁路沿线电务、工务等专业基础设施设备（桥梁、隧道、接触网、铁塔等，目前重要的线路信号等设备还是有线通信为主）。此外，铁路沿线洪水、山体滑坡等自然灾害频发。为了监测灾害，铁路部门设置了很多监测物联网节点，也有通信需求。

4. 车辆内部通信场景
   主要指动车组等高速客运车辆，业务包括：列车定位、自动驾驶、移动装备状态检测、智能诊断等。列车内外的监测系统比较多，例如6A（机车车载安全防护系统，包含：机车的制动系统、防火、高压绝缘、列车供电、走行部、视频）和6C（供电安全检测监测系统）。它们是掌握列车运行状态的重要手段。

其它铁路通信会用到的场景还包括：事故救援（话音和多媒体集群）、移动运维（数据、话音和多媒体集群）、LBS（基于位置的服务，如人员定位和列车定位等）和高铁Wi-Fi。高铁Wi-Fi现在比较热门。数字时代，旅客对高铁上网的需求比较大。

参考下表，5G-R作为基于5G技术的铁路新一代移动通信系统，相比GSM-R（Global System for Mobile Communications – Railway，铁路综合数字移动通信系统），能够满足更多的铁路通信业务需求。

表1-1 典型的5G-R业务场景

5G承载铁路通信的优势

国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大类应用场景，即超高可靠低时延通信（ultra-reliable low-latency communication，uRLLC）、增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）和大规模机器类通信（Massive Machine-Type Communications，mMTC）。这三大应用场景完美契合当前铁路移动通信的场景，具体阐述如下：

• 超高可靠低时延通信（uRLLC），顾名思义，其特点是高可靠、低时延。在正线车地通信场景中，列车移动过程中用到的列控系统、机车同步操作、调度通信等，对安全性和可靠性要求极高。因为列车高速行驶（尤其是高铁），所以通信系统也必须具备高速适应性，时速350km也能够保证一定的通信能力。而超高可靠低时延通信（uRLLC）正好契合正线车地通信需求。
• 增强移动宽带（eMBB），是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升。在铁路站场和枢纽，人员、车辆和设备较多，对通信带宽和容量有一定的要求（终端的空间移动速率较低，没有高速适应性要求）。增强移动宽带（eMBB）完美契合铁路站场、枢纽通信需求。
• 大规模机器类通信（mMTC），即大规模物联网下的海量机器通信。铁路沿线基础设施的电务、公务、监测节点连接数量大，带宽要求小。海量机器通信（大规模物联网）完美契合铁路沿线基础设施通信需求。

为什么需要5G-R

要说清楚5G-R，还要从GSM-R开始说起。GSM是世界上最广泛应用的第二代数字移动通信标准（2G）。顾名思义，GSM-R是基于GSM标准，专门为铁路行业设计的无线通信系统。

上世纪90年代初，GSM标准刚确立的时候，西门子公司就开始酝酿和起草GSM-R技术标准。后来，国际铁路联盟（UIC，International Union of Railways）和欧洲电信标准协会（ETSI）合作，针对欧洲铁路系统，共同推出了最终版的GSM-R标准。但随着铁路里程数、规模的增加，加之无线通信技术的更新换代，给铁路通信系统提出了新的业务需求。具体来说，分为以下几点：

• 综合承载大带宽需求：不仅要满足行车指挥等业务的承载，还要满足轨旁区间视频、车站视频监控、运营维护、铁路综合信息网专线、客票网专线等综合承载大带宽需求。
• 安全可靠承载需求：行车指挥及控制应用等高优先级业务，必须提供安全可靠承载能力。核心网和基站都要做到冗余备份，保证网络可靠性。
• 灵活连接需求：运营维护类业务，需要网络提供点对点IP互通能力。智能检测和监测系统，需要网络提供大量灵活联接需求。
• 低时延需求：控制类业务就近转发，满足基站之间的业务灵活调度就近互通低时延需求。
• 网络切片需求：保障关键业务，如信号业务等核心生产业务，需要采用TDM时隙交叉端到端进行保障。
• 线路时钟同步需求：由于铁路隧道和山区的特殊性，必须支持并部署线路侧时钟同步，包括时间和频率同步。
• 智能运维需求：对铁轨两旁海量电务、工务设备和灾害检测设备等进行管理、控制，设备自动上线，并且实现基于业务的故障快速感知和故障定位。

然而，如表1-1所示，GSM-R作为第二代移动通信技术（2G），属于窄频通讯系统，主要承载语音业务和少量数据业务，数据速率较低。在现有GSM-R平台上承载车站视频监控等大带宽的业务有难度。其次，GSM-R作为上世纪90年代底技术，随着全球主流运营商退网，大量老旧器件已停产，供应安全难以保障。概括来说，GSM-R通信系统存在以下3点不足：

• 由于技术瓶颈，GSM-R无法承载下一代新型列控系统（CTCS-4：中国列车运行控制系统4级）。
• 带宽不足，不支持视频类和运营维护类大带宽数据业务，无法支撑铁路智能化发展。
• 产业链逐渐衰退，无法进行业务扩展。

GSM-R与5G-R网络规模的变化

2013年工信部与中国铁路集团已就高铁5G建设达成共识，采用2.1GHz频段进行5G-R建设。5G-R标准及设计规范也于2020年发布，铁路将从GSM-R直接进入5G-R时代，中国将有可能成为首个使用5G-R的国家。此外，2020年7月，中国铁路集团党组召开会议强调：“加快推进新一代信息技术特别是5G、大数据技术在铁路的应用，提高铁路信息化、智能化水平，促进传统产业提质升级。”因此，伴随着中国5G大规模建设，铁路通信系统将跨域4G门槛，直接步入5G时代。

5G-R是如何工作的

5G-R首选SPN（Slicing Packet Network，切片分组网）作为承载网技术。SPN支持承载GSM-R和5G-R，能实现铁路移动通信系统从2G到5G的平滑升级。对于列控列调的小带宽业务，采用SPN小颗粒硬管道技术，实现高可靠、高安全承载。对于视频和数据等大带宽业务，采用分组转发，端到端L3VPN方案，实现灵活连接、高性价比大管道承载。

SPN承载5G-R的优势

SPN只是5G承载的一种方案。在5G技术应用到铁路通信的道路上，与之竞争的还有OTN（Optical Transport Network，光传送网）方案。SPN比OTN承载5G-R更有优势，具体阐述如下：

• 成熟商用的优势
  如下图所示，SPN的承载4G/5G方案大规模商用超过5年且产业链成熟，2023年现网已经部署超45万端SPN设备。华为等国内多家系统设备厂商和多家接入设备厂商共提供30多款SPN设备。国外芯片厂商博通和国内芯片厂商盛科都支持SPN。另外SPN目前已经在电力、地铁、高速公路、煤矿、澳洲铁路和政府行业规模商用。

• 标准方面的优势
  SPN是中国原创技术体系，从2018年12月到2020年9月，国内CCSA和国际ITU标准全部已经发布。2023年3月，SPN完成5G-R选型报告。月底，北京东郊环线5G-R完成动态验证。同年12月，适配铁路硬隔离需求的SPN FGU小颗粒技术的国际标准，也在国际电信联盟（ITU）发布。

SPN技术的发展

• 部署方案优势

1. 灵活连接方案优势：SPN支持L3VPN技术，满足单基站和相邻基站灵活连接IP互通需求。
2. 高精度时钟方案优势：SPN支持ATOM GNSS北斗轻量化高精度时钟源，满足长链路超20跳的时钟同步需求，且超高精度时间源支持单跳小于±5ns。作为5G-R基站的主用或备用时钟源，ATOM GNSS北斗轻量化高精度时钟源满足未来基站精准定位、移动闭塞/车车通信等应用演进需求。
3. 可靠性方案优势：SPN承载重载线路支持端到端双物理平面组网，单平面故障不影响业务，可靠性高。

• 长期演进优势
  SPN具备SRv6 EVPN L3VPN方案演进能力，满足未来长期核心网云化、智慧铁路长期演进需求，符合中国铁路集团IPv6+长期演进战略。国际铁路联盟（UIC）技术专家联合发布的技术白皮书已经明确，铁路SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）下一代演进技术为IP/MPLS（L3/L2）。

5G-R综合承载网解决方案架构

华为智能铁路5G-R综合承载网解决方案的架构如下图所示，承载网位于核心网与基站之间，承载着核心网与基站之间的通信，主要分为区间接入层、汇聚层（车站接入、车站汇聚）、核心层（路局核心）。

华为智能铁路5G-R综合承载网解决方案整体架构

华为5G-R承载网的网络架构相比GSM-R更加扁平化，采用SPN双平面组网，从以前的电路域发展为全IP化的分组域，标准开放的架构和接口便于对接各类上层铁路应用和各类终端。

核心层

• 高可靠
  华为5G-R核心层采用SPN双平面组网，对接核心网设备。两套核心网设备采用异地容灾备份，避免了单点故障，且主备核心网倒换时长小于50ms，满足承载网络性能指标要求。倒换过程0中断，不会对关键的列控业务产生降级等不良影响，基本做到了业务不感知。主用核心网故障后，后续的业务都会立即自动的接入到备用核心网。

• 100GE大带宽组网
  传统的GSM-R通信系统主要是支持行车线的车地之间的通信，无法承载运营维护类业务，还有轨旁区间视频/车站视频监控等大带宽业务。SPN 5G-R承载网核心层（路局核心）与骨干汇聚层（大型车站和枢纽）采用100GE的大带宽互联，按均值规划带宽，统计复用提高带宽利用率，如下表所示，满足海量视频和数据大带宽业务的上线需求。并且在未来可实现向200GE/400GE带宽的共产业链平滑演进。

表1-2 不同列控等级下铁路通信带宽需求

• 超高精度时钟
  传统固定闭塞系统，系统无法获取列车在固定闭塞区间的具体位置。为了保证行车安全，必须增加足够长的保护段，影响了线路的使用效率。华为智能铁路5G-R综合承载网解决方案以路局为单位，每个路局的核心部署主备2台BITS设备（时钟服务器），为路局全网SPN双平面提供主备两个时间源/频率源。SPN支持超高精度时间同步，单跳误差小于±5ns，使得列车定位更加精准，可满足未来列车移动闭塞的需求。

目前，华为SPN承载网提供超高精度时钟，单节点频率同步精度达到±0.05ppm（±5×10-8），背靠背时间同步精度优于±5ns，超额满足时钟同步的精度要求：

1. 在任何1个子帧（1ms）的时间内，基站输出信号的载波频率准确度优于±5×10-8。
2. 支持时间同步，时间准确度优于±1.5us。

汇聚层

汇聚层包括普通汇聚层（车站接入）和骨干汇聚层（车站汇聚）。

• 50/100GE大带宽组网
  车站接入层部署50GE/100GE组网，车站汇聚层以上采用100GE组网。网络侧50/100GE端口，支持10、40和80km灰光组网。少量超过80km的场景，采用100GE相干光模块，配合外置光放。

• 高可靠
  车站接入层、汇聚层采用SPN双平面组网，实现冗余备份。单点故障，主备倒换的恢复时间小于50ms。多点故障，SPN支持快速重路由技术，快速计算流量报文物理可达路径，保证业务永不中断。

• 智能运维
  采用IFIT随流检测技术，网络状态可视化、智能化呈现，实现分钟级故障定位，减少人力投入。业务流量性能劣化会自动触发逐跳检测，实现分钟级故障自动定位定界。

区间接入层

• 灵活连接
  SPN支持L3VPN技术，满足单基站和相邻基站灵活连接IP互通需求。如下图所示，在区间接入层（车站），在规划单个IP的情况下，每个基站和相邻的基站至少18个IP连接关系，站内任意两个BBU之间有4种互通关系，同站台的2台BBU和相邻站台的BBU之间至少有32种IP互联关系。而重载线路每个BBU至少规划5_{6个IP，单基站和相邻基站之间支持超100个IP路由连接，相比传统基站增加至少4}8倍互通关系，任何一个IP连接中断，都不会影响车站之间的通信。

区间接入层BBU之间的灵活连接

• 高安全
  对于列控列调类业务，SPN的CBR（Constant Bit Rate，恒定比特率）业务满足对基站E1业务（低速业务）安全承载需求，可以实现从SDH的平滑演进。SPN提供业务独享专用切片，对不同业务流量进行时隙隔离，实现端到端物理隔离，高安全承载，保障列控列调类业务的性能。

• 低时延
  2014年运营商4G时代就开始部署L3VPN到边缘技术，现在已经成熟。接入、汇聚、核心层端到端支持L3VPN，UPF（User Plane Function，用户平面功能）下沉，机车同步操控等控制类业务流量就近转发，时延更低。