CN115460722A - 一种5g-r基站网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G‑R基站网络系统，是一种单条漏缆情况下5G‑R基站系统冗余方案，对于保证列控区段任意长度隧道、非列控区段长度大于等于3公里隧道内单条漏缆情况下通信可靠性具有重要意义，可指导5G‑R系统基站设备研发、系统试验及工程建设；而且，不仅可以克服单点设备故障，当发生一些多点故障时，仍可提供通信业务；此外，除了能克服故障保证铁路正常运营以外，还便于对5G‑R系统实施有计划地检修、升级等运维操作及更新改造等工程建设，而且不影响系统容量和无线信号电平。

Description

一种5G-R基站网络系统

技术领域

本发明涉及5G专网技术领域，尤其涉及一种5G-R基站网络系统。

背景技术

铁路5G专用移动通信(5G-R)系统将赋能中国铁路智能化、智慧化发展，5G-R系统承载的业务包括行车指挥与控制及运营维护类应用，其中行车指挥与控制包含的CTCS-3级列控、ATO自动驾驶、机车同步操控等应用对5G-R系统的可靠性要求较高，5G-R系统单点故障不应影响以上应用的信息传送。

我国铁路存在大量的隧道，根据GSM-R系统(铁路综合数字移动通信系统)的建设原则，CTCS-3级列车运行控制区段、机车同步操控区段应根据需要进行冗余无线覆盖设计，包括任意长度的隧道区段；采用单基站覆盖(非冗余覆盖)的线路，对于长度大于等于3公里的隧道，要求专用移动通信系统宜考虑冗余无线覆盖措施，避免单点设备故障而无法及时维修对通信造成影响。

5G-R系统在隧道内将采用分布式基站结合漏泄同轴电缆(简称“漏缆”)方式进行无线覆盖，如果能敷设两条漏缆，实现MIMO(多入多出)，将有利于提高系统在隧道内的吞吐率，保证更多或更高速率的业务需求，同时保证了系统的可靠性。但因为隧道内缆线众多，而漏缆除了要满足挂高要求以外，还需要满足与高低压电缆之间安全防护距离的要求，这些限制条件可能导致隧道内只具备敷设一条漏缆的条件，同时，考虑建设投资等因素的限制，可能只允许敷设一条漏缆，这对于5G-R基站RRU(射频拉远单元)设备仅支持整机备份，为保证系统容量，信道带宽不允许分割使用情况下的基站系统可靠性提出了挑战。

GSM-R系统普遍敷设单条漏缆，这种情况下基站系统的冗余，主要通过基站连接直放站，采用同站址双基站或单基站交织方式实现，具体实现方案如下：

(1)同站址双基站方案中，双基站分别连接直放站，同址双套直放站配置不同的频点，通过电桥连接两侧漏缆，两套直放站可以同时工作，单套基站或直放站故障时，同址另一套直放站提供服务；

(2)单基站交织方案中，直放站间距加密，直放站一般配置3个光模块，分别连接至相邻两个基站，主、备光模块连接主用基站，从模块连接从用基站，为合理切换，工程中通过调整直放站增益或增加衰减器等方式控制直放站主从信号差，即单套直放站中同时引入了两个基站的信号，主用基站故障时，使用从用基站的信号，单套直放站故障时，因为直放站间距加密，故障直放站两侧的直放站仍可通过漏缆实现无缝覆盖。

但是，以上两个方案中：方案(1)，一套直放站故障或停用时，会导致系统容量降低；方案(2)，一套直放站故障或停用时，无线信号电平降低，克服干扰能力变差，因此，有必要研发新的方案以保障发生故障时网络仍然可以有效的提供通信业务。

发明内容

本发明的目的是提供一种5G-R基站网络系统，不仅可以克服单点设备故障，而且当发生一些多点故障时，网络仍可有效的提供通信业务。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种5G-R基站网络系统，应用于隧道内敷设单条漏缆情况下，系统结构包括：

同站址设置双套RRU，双套RRU通过电桥连接漏缆；异站址设置双套BBU，双套BBU主备设置，且通过冗余心跳连线连接；其中，RRU表示射频拉远单元，BBU表示基带单元；BBU与RRU之间通过光纤环型连接，同站址的双套RRU以及双套BBU之间，通过光纤环实现RRU与BBU一对一连接；

每一BBU均通过NG接口与核心网进行数据交互，在隧道区段，RRU之间部署漏缆，通过漏缆辐射无线信号，实现与用户设备的通信，BBU通过全球导航卫星系统和地面承载网实现频率同步和时间同步；

当出现故障时，触发双套BBU主备倒换，以及在检修、升级、或者更新改造情况下通过暂停双套BBU主备倒换，依次执行检修、升级、或者更新改造；其中，故障类型包括：单点设备故障与一些多点故障。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，提供的是一种单条漏缆情况下5G-R基站系统冗余方案，对于保证列控区段任意长度隧道、非列控区段长度大于等于3公里隧道内单条漏缆情况下通信可靠性具有重要意义，可指导5G-R系统基站设备研发、系统试验及工程建设；而且，不仅可以克服单点设备故障，当发生一些多点故障时，可以避免前述方式(1)与方案(2)存在的问题，从而有效的提供通信业务；此外，除了能克服故障保证铁路正常运营以外，还便于对5G-R系统实施有计划地检修、升级等运维操作及更新改造等工程建设。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种5G-R基站网络系统的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

下面对本发明所提供的一种5G-R基站网络系统进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

目前的5G-R系统技术方案研究，在隧道内按照敷设两条漏缆实现MIMO考虑的基站冗余设置方案，其中包括同址设置双套RRU同时工作。当隧道内的实际情况只具备敷设一条漏缆的条件，或者受投资限制只允许敷设一条漏缆时，因为5G-R基站RRU设备仅支持整机备份，为保证系统容量，5G-R系统信道带宽不允许分割使用，导致双漏缆时的基站冗余设置方案不再适用。因此，本发明实施例提供一种在隧道内敷设单条漏缆情况下5G-R基站系统冗余方案。

本发明实施例提供的一种5G-R基站网络系统可直接与现有5G-R系统相结合。5G-R系统包括核心网和无线接入网，其中无线接入网包括gNB(5G基站)和漏缆，无线接入网在铁路沿线采用gNB+天线或gNB+漏缆方式实现带状无线覆盖。gNB采用分布式架构，包括基带单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)，BBU与RRU之间采用光缆连接，一个BBU可拉远多个RRU，RRU拉远距离可达到20km。BBU与RRU之间通过通用公共无线接口(CPRI)进行通信，BBU通过NG接口与核心网进行数据交互。在隧道区段，RRU之间部署漏缆，通过漏缆辐射无线信号，实现与用户设备(UE)的通信。BBU通过GNSS(全球导航卫星系统)和地面承载网实现频率同步和时间同步，当外部同步源丢失后，BBU设备内部时钟可发挥作用，频率保持时间不低于30天，输出信号的载波频率准确度满足系统需求，主时钟自主授时不低于24小时，时间准确度满足系统需求。

在隧道内敷设单条漏缆情况下，为实现可靠通信，本发明实施例提供的5G-R基站网络系统主要包括：同站址设置双套RRU，双套RRU通过电桥连接漏缆；异站址设置双套BBU，双套BBU主备设置，且通过冗余心跳连线连接；其中，RRU表示射频拉远单元，BBU表示基带单元；BBU与RRU之间通过光纤环型连接，同站址的双套RRU以及双套BBU之间，通过光纤环实现RRU与BBU一对一连接；每一BBU均通过NG接口(一种逻辑接口，它是无线接入网和5G核心网之间的接口)与核心网进行数据交互，在隧道区段，RRU之间部署漏缆，通过漏缆辐射无线信号，实现与用户设备的通信，BBU通过全球导航卫星系统和地面承载网实现频率同步和时间同步；当出现故障时，触发双套BBU主备倒换，以及在检修、升级、或者更新改造情况下通过暂停双套BBU主备倒换，依次执行检修、升级、或者更新改造；其中，故障类型包括：单点设备故障与一些多点故障。

为了便于理解，下面从系统结构、参数配置、以及不同情况下的工作机制三个方面对本发明做进一步介绍。

一、系统结构。

图1提供了上述5G-R基站网络系统的主要结构的示例，其中：

(1)RRU1与RRU2、RRU3与RRU4、RRU5与RRU6、RRU7与RRU8、RRU9与RRU10、RRU11与RRU12，六组双套RRU，每一组均为同站址设置。

(2)双套BBU采用异站址设置，冗余心跳连线通过光纤连接或者通过承载网连接等方式实现。

(3)所述BBU中的组件类别包括：基带处理单元、主控及传输单元、以及电源模块，所有组件均采用冗余设置，当组件故障时，切换为同类中的正常组件进行工作。图1中提供了每套BBU配置4块基带处理单元，2个主控及传输单元、以及电源模块的示例，实际应用中各组件的数目可根据情况进行设置。

(4)BBU与RRU之间通过光纤环型连接，同址双RRU通过不同的光纤环各连接一套BBU，如图1所示，同址双RRU中的每个RRU各自单独连接一套BBU(如RRU1连接BBU1，RRU2连接BBU2)。每一个光纤环的环头(如图1的①)和环尾(如图1的④)连接BBU内不同的基带处理单元。图1中提供了，每套BBU连接2个RRU环，每个环设置3个RRU的示例，实际应用中不限于每套BBU连接1个或3个及以上RRU环，每个RRU环设置2个或4个及以上RRU的情况。

(5)双套BBU与所带RRU(即与各个BBU相连的RRU)之间的光缆，采用不同路径敷设。

(6)所述电桥为四端口无源器件，两个端口连接同址双套RRU，另外两个端口连接两侧漏缆，当电桥位于隧道口时，另外两个端口中的一个端口连接一侧漏缆，剩余一个端口安装负载。

(7)当同站址的双套RRU位于隧道口，每一RRU在连接漏缆的同时利用剩余射频端口连接天线，对隧道外空间区域进行无线覆盖。图1提供了RRU1和RRU2、RRU11和RRU12位于隧道口的示例，图1未提供所述RRU与天线的连接方式，可根据工程实际情况灵活选择连接方式。

(8)双套BBU与所属核心网的AMF(接入和移动管理功能)、UPF(用户面功能)采用全连接方式。

二、参数配置。

(1)双套BBU及各自所连接的RRU，配置不同的基站名称、小区名称以及不同的NCGI(NR小区全球标识)，配置相同的无线参数，如RRU的发射功率、PCI(物理小区标识)等。

(2)同站址的双套RRU定义为一个位置组，不同位置组之间采用小区合并工作方式时，配置用于小区分裂时的小区名称、NCGI及PCI参数。

(3)主备BBU之间支持心跳检测，心跳检测使用的协议可灵活选择，心跳检测数据包发送间隔可配置，在判断心跳丢失之前检测数据包发送的次数可配置。

(4)主备BBU倒换之前的故障探测时间可配置。

三、不同情况下的工作机制。

1、正常情况下，系统的工作机制。

(1)双套BBU以及所有RRU均加电，由主用BBU以及与主用BBU连接的RRU工作承担通信业务，备用BBU及所带RRU(即所连接的RRU)参数配置完成，备用RRU不发射信号，避免网内干扰。

(2)为保证系统容量，主备部分均按照5G-R完整信道带宽进行工作，不进行带宽分割。

(3)不同站址的双套RRU为不同位置组，不同位置组之间可采用异小区或小区合并工作方式。

(4)BBU与RRU之间的光纤环，BBU与RRU之间的数据传送仅由环头负责，或者由环头与环尾同时负责，当环头与环尾同时负责数据传送时，光纤环上的RRU与BBU之间的通信采用就近原则。

2、故障情况下工作机制。

为了避免单点故障对通信造成影响，同时考虑避免一些多点故障对通信造成影响，当出现故障时，触发双套BBU主备倒换，备用BBU以及与备用BBU连接的RRU工作承担通信业务。具体的：

(1)每个站址预设的主用RRU故障或掉电，触发主备BBU倒换，5G-R基站名称中带数字编号，可设置奇数编号或偶数编号的RRU为主用。

(2)每个站址预设的主用RRU所有CPRI口故障，触发主备BBU倒换。

(3)主用BBU整机故障或掉电，触发主备BBU倒换。

(4)主用BBU的NG接口采用主备工作方式时，主用NG接口故障，触发主备BBU倒换。当主BBU的NG接口采用负荷分担工作方式时，一个NG接口故障，另一个NG接口承担全部业务，不触发主备BBU倒换。

(5)主用BBU同步信号丢失，不触发主备BBU倒换。

(6)主备BBU之间冗余心跳均故障，当故障由承载网故障引起且发生在主用BBU侧时，触发主备BBU倒换，当故障由承载网故障引起且发生在备BBU侧时，不触发主备BBU倒换。主备BBU之间单心跳故障，不触发主备BBU倒换。

(7)主用BBU内组件故障，且冗余组件倒换时间大于主备BBU之间倒换的时间。具体的：当主用BBU组件(前文提到的各类模块)故障，应根据冗余组件倒换和主备BBU之间倒换等两种倒换的倒换时间，触发一种倒换，任一倒换的倒换时间不应大于主备BBU之间倒换的时间。

(8)主用BBU侧某个主用RRU光纤环环头和环尾均故障(如图1的①和④)，触发主备BBU倒换。

(9)任意节点双RRU均故障或掉电，不触发主备BBU倒换。

(10)任意节点双RRU所有CPRI口故障，不触发主备BBU倒换。

(11)以图1中RRU1、RRU3、RRU5与BBU1之间组成的光纤环为例，假设所述光纤环处于主用状态，当①、②、③、④任一点光纤故障时，均不触发主备BBU倒换，断点至环头方向的通信不受影响，断点至环尾方向的通信由环尾连接的基带处理单元负责，如果正常情况下所述光纤环上的RRU之间采用小区合并工作方式，则以断点为界，分裂为两个小区。

本发明实施例中，主备BBU倒换时间应满足应用业务系统允许的无线超时时间要求，倒换时间包含故障检测的时间。故障恢复后，支持通过人工方式恢复工作状态。

3、检修、升级、或者更新改造情况下，系统工作机制。

(1)需要检修或者升级时，在天窗点暂停主备BBU之间的倒换机制，对备用BBU及其连接的RRU实施检修或升级操作，测试正常并按规定稳定运行指定的一段时间后，在天窗点暂停主用BBU及其连接的RRU承担通信业务并对其实施检修或升级操作，开启备用BBU及其连接的RRU承担通信业务。

(2)更新改造时，在天窗点暂停主备BBU之间的倒换机制，对备BBU及其连接的RRU实施更新改造，更新改造完毕且具备开通条件时，在天窗点暂停正在运行的主用BBU及其连接的RRU承载通信业务并对其实施更新改造，开启更新改造后的备用BBU及其连接的RRU承担通信业务。

本发明实施例上述方案主要获得如下有益效果：

(1)本发明对于保证列控区段任意长度隧道、非列控区段长度大于等于3公里隧道内单条漏缆情况下通信可靠性具有重要意义，可指导5G-R系统基站设备研发、系统试验及工程建设。

(2)本发明不仅可以克服单点设备故障，当发生一些多点故障时，网络仍可提供通信业务。

(3)本发明除能克服故障保证铁路正常运营以外，还便于对5G-R系统实施有计划地检修、升级等运维操作及更新改造等工程建设，而且不影响系统容量和无线信号电平。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种5G-R基站网络系统，其特征在于，应用于隧道内敷设单条漏缆情况下，系统结构包括：

同站址设置双套RRU，双套RRU通过电桥连接漏缆；异站址设置双套BBU，双套BBU主备设置，且通过冗余心跳连线连接；其中，RRU表示射频拉远单元，BBU表示基带单元；BBU与RRU之间通过光纤环型连接，同站址的双套RRU以及双套BBU之间，通过光纤环实现RRU与BBU一对一连接；

每一BBU均通过NG接口与核心网进行数据交互，在隧道区段，RRU之间部署漏缆，通过漏缆辐射无线信号，实现与用户设备的通信，BBU通过全球导航卫星系统和地面承载网实现频率同步和时间同步；

当出现故障时，触发双套BBU主备倒换，以及在检修、升级、或者更新改造情况下通过暂停双套BBU主备倒换，依次执行检修、升级、或者更新改造；其中，故障类型包括：单点设备故障与一些多点故障。

2.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，异站址设置的双套BBU之间的冗余心跳连线通过光纤连接或者通过承载网连接方式实现。

3.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，所述BBU中的组件类别包括：基带处理单元、主控及传输单元、以及电源模块，所有组件均采用冗余设置，当组件故障时，切换为同类中的正常组件进行工作。

4.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，所述电桥为四端口无源器件，两个端口连接同址双套RRU，另外两个端口连接两侧漏缆，当电桥位于隧道口时，另外两个端口中的一个端口连接一侧漏缆，剩余一个端口安装负载。

5.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，当同站址的双套RRU位于隧道口，每一RRU在连接漏缆的同时利用剩余射频端口连接天线，对隧道外空间区域进行无线覆盖。

6.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，系统中，双套BBU及各自所连接的RRU，配置不同的基站名称、小区名称以及不同的NCGI，配置相同的无线参数；同站址的双套RRU定义为一个位置组，不同位置组之间采用小区合并工作方式时，配置用于小区分裂时的小区名称、NCGI及PCI参数。

7.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，正常情况下，系统的工作机制包括：

双套BBU以及所有RRU均加电，由主用BBU以及与主用BBU连接的RRU工作承担通信业务，并按照5G-R完整信道带宽进行工作；

不同站址的双套RRU为不同位置组，不同位置组之间可采用异小区或小区合并工作方式；

BBU与RRU之间的光纤环，BBU与RRU之间的数据传送仅由环头负责，或者由环头与环尾同时负责，当环头与环尾同时负责数据传送时，光纤环上的RRU与BBU之间的通信采用就近原则。

8.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，当出现故障时，触发双套BBU主备倒换，备用BBU以及与备用BBU连接的RRU工作承担通信业务，并按照5G-R完整信道带宽进行工作。

9.根据权利要求8所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，当发生故障时，触发双套BBU主备倒换的情况包括：

每个站址预设的主用RRU故障或掉电；

每个站址预设的主用RRU所有CPRI口故障；其中，GPRI口为公共无线接口，它是用于与BBU连接的接口；

主用BBU整机故障或掉电；

主用BBU的NG接口采用主备工作方式时，主用NG接口故障；

主备BBU之间冗余心跳均故障，当故障由承载网故障引起且发生在主用BBU侧时；

主用BBU内组件故障，且冗余组件倒换时间大于主备BBU之间倒换的时间；

主用BBU侧某个主用RRU光纤环所有CPRI口故障。

10.根据权利要求1所述的一种5G-R基站网络系统，其特征在于，当检修、升级、或者更新改造情况下，系统采用如下工作机制：

需要检修或者升级时，在天窗点暂停主备BBU之间的倒换机制，对备用BBU及其连接的RRU实施检修或升级操作，测试正常并按规定稳定运行指定的一段时间后，在天窗点暂停主用BBU及其连接的RRU承担通信业务并对其实施检修或升级操作，开启备用BBU及其连接的RRU承担通信业务；

更新改造时，在天窗点暂停主备BBU之间的倒换机制，对备BBU及其连接的RRU实施更新改造，更新改造完毕且具备开通条件时，在天窗点暂停正在运行的主用BBU及其连接的RRU承担通信业务并对其实施更新改造，开启更新改造后的备用BBU及其连接的RRU承担通信业务。

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