《铁道通信信号》期刊优秀论文：《5G-R网络运维质量评价体系研究》_

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《铁道通信信号》2025第三期优秀论文

5G-R网络运维质量评价体系研究

张卫军蒋笑冰胡新李岩

摘要5G-R网络承载铁路行车相关通信业务，其运维质量对业务运用起着关键性作用，客观评价网络运行、业务运用和维护工作，真实反映网络运维质量情况至关重要。相比GSM-R网络，5G-R网络架构更复杂、管理网元数量更多、承载业务更丰富，构建5G-R网络运维质量评价体系面临着诸多难点。通过分析5G-R网络运行的关键性能指标、业务感知的关键质量指标、日常运维工作的关键成效指标，提出基于5G-R网络运行和业务感知的网络运维质量评价体系；通过研究5G-R网络中的网元功能及业务流程、承载业务的质量要求，以及日常维护管理工作，明确各个评价指标的具体定义和计算方法等，确保所构建的评价体系中的所有评价指标均可量化，增强5G-R网络运维质量评价的客观性和准确性。

关键词5G-R；运维质量；业务感知；服务质量；评价体系；评价指标；量化评价

5G-R网络的稳定和可靠运行对承载的行车指挥及控制、运营维护运用等业务十分重要。第三代合作伙伴项目（3GPP）在Release16版本技术规范（technical specification，TS）22.289和技术报告（technical report，TR）22.889中提出，基于5G网络的铁路通信应支持终端移动速度可达500 km/h，这对网络的稳定性和可靠性提出了更高的要求。5G-R相较于GSM-R有明显的差异，网络架构更复杂、网元数量更多、承载业务更丰富［1］。构建5G-R网络运维质量评价体系，全面深入掌握5G-R网络运维质量状况，实现5G-R网络运维质量可感知、可量化的目标，是当前急需攻克的难题。

3GPP、国际电信联盟（ITU）、国际铁路联盟（UIC）、欧洲电信标准协会（ETSI）等国际组织，均对基于5G的下一代铁路移动通信系统（future rail mobile communication system，FRMCS）展开了深入研究，但主要集中在网络架构、功能需求、运用定义、业务流程、网络性能要求等方面，目前缺少对5G-R网络运维质量评价体系的研究。本文在深入解读3GPP TS 28.552、28.554、28.863、22.289，TR 22.889等与FRMCS相关的技术规范与研究报告，以及国铁集团发布的5G-R相关规范的基础上，同时参考运营商公网5G运维质量考核体系［2-3］、行业研究［4］，以及现有GSM-R运维质量评价体系，并结合“十四五”铁路通信发展展望中提出的研究建立与铁路实际业务相适配的5G专网服务质量评价体系［5］要求，提出适用于5G-R专网的运维质量评价体系（以下简称“评价体系”），用于客观反映网络运行、业务运用、维护工作的质量。

本评价体系结合5G-R网络设备和铁路业务的运用特点，分析5G-R网络运维质量评价需求和关键技术指标，明确5G-R网络运维质量评价项点，可实现对不同粒度的评价对象和评价周期做客观综合评价。后续随着5G-R网络逐步建设，将积极探索评价体系在5G-R网络中的运用实践，并根据运用情况做持续改进完善。

1　5G-R网络运维质量评价需求

5G-R网络承载的业务运用种类较多，国内外行业组织也做了较多研究。其中由UIC发布的FRMCS用户需求规范，根据业务特征的差异性提出了六大类业务，且各类业务运用对服务质量（quality of service，QoS）的要求差异较大，对优先级、包时延、可靠性、吞吐率、业务建立时延、会话丢失率、语音质量等提出了不同的要求。

国铁集团于2021年发布的《铁路5G专网业务和功能需求暂行规范》［6］（TJ/DW 239—2021）规定了铁路运用需求总体上分为四大类，包括行车指挥及控制、运营维护、旅客及货运客户服务和工程建造。其中行车指挥及控制和运营维护由铁路5G专网承载。文中也规定了基于专网承载的90种运用，可被归纳为10种通信模型，且各种通信模型对网络质量要求有较大的差异。

丁建文等［7］提出的基于5G-R的各类运用场景及创新运用方案，也需要有与之匹配的质量评价体系，以便客观评估各类运用是否达到服务质量要求。

综上，5G-R网络运维质量评价需求为：

1）5G-R网络是为各类运用业务提供服务的基础，其网络运行质量对运用质量起着决定性的作用。《铁路5G-R专用移动通信（5G-R）系统总体技术要求（暂行）》［8］（TJ/DW 246—2022）对5G-R网络提出了总体设计规划，明确了5G-R网络架构组成、各个网元设备的作用及要求，评价体系应当包含面向网元设备和面向信令流程的主要指标。

2）运维工作主要是消除故障隐患风险，确保设备健康运行，提升网络运行的稳定性和安全性，避免造成网络运行事故。运维工作质量是影响5G-R网络质量和业务运用质量的重要因素，开展科学高效的日常维护工作，是5G-R网络安全可靠运行的重要基础。因此，运维工作相关的指标需要一并纳入到5G-R网络运维质量评价体系。设计评价体系时，可参考《铁路通信维护规则》［9］（TG/TX 106—2014）中现有GSM-R网络的维护规则，包括故障与障碍、网络工单、网络隐患处理和日常工作计划等方面的指标。

按照行业通常定义，运用质量一般由运用感知（quality of experience，QoE）进行主观评判。QoE是受业务质量、业务内容、用户心理预期等多重因素影响的主观感受［10］。其中业务质量的可量化评价与贴近用户感受的业务层面质量的关键质量指标（key quality indicator，KQI）密切相关，而KQI则依赖于网络自身运行质量的网络关键性能指标（key performance indicator，KPI）。因此，需要构建5G网络中端到端业务的感知质量模型，分析KQI、KPI、QoE之间的关系。目前行业内已提出了一些方法，例如对基于深度包检测（deep packet inspection，DPI）采集合成的多接口呼叫详细记录（X detail record， XDR）大数据，采用机器学习方法分析KPI、KQI、QoE相互之间的关联性［11-12］。相关研究均是将QoE分解映射到对其有较大影响的一系列KQI中；同理，KQI可以映射到对其有较大影响的一系列KPI中。三者的层次关系见图1。

图1

QoE、KQI、KPI三者关系

只有满足上述需求，才能建立科学的网络运维质量评价体系，客观反映网络、业务运用、运营维护之间的关系，实现多维度、多层次、多目标的5G-R网络运维质量评价。

2　5G-R网络运维质量评价体系

评价5G-R网络运维质量，可总结为“网络稳、占得上、留得住、用得好、体验佳、工作优”，其中“网络稳、占得上、留得住”表示网络设备KPI良好，“用得好”表示业务KQI良好，“体验佳”表示用户主观感受良好，“工作优”表示故障障碍处理及时、维护计划落实好、工作效率高。KPI统计对象是网元级粒度、KQI是统计呼叫或用户级粒度，因此，评价质量需结合KPI和KQI两方面做综合考虑，既反映实际的网络运行质量，也从业务感知角度充分体现业务运用质量。

评价体系设计一般遵循四大基本原则，即区域性原则、动态原则、可量化原则和层次原则。在设计5G-R网络运维质量评价体系时，应对设备归属进行区域性划分；在选取指标项点时，应考虑时效和采集频率；设立体系项点时应遵循SMART原则［13］，设计指标体系要具体（specific）、可度量（measurable）、可实现（attainable）、指标和体系之间的关联性清晰（relevant）、时效性（time-bound）明确。

结合本文对质量评价需求的研究，在评价体系中应充分反映KQI与KPI之间的关系，并根据设计原则可将5G-R网络质量评价维度划分为设备质量、工作质量、运用质量，具体维度结构见图2。

图2

5G-R网络运维质量评价维度结构

1）5G-R设备质量评价。设备质量来源于网元运行的原始记录计数器，客观反映设备自身运行质量。根据网元的作用和所处的架构层级，可划分为核心网设备和无线设备。核心网设备按照服务范围划分为核心网全路共用设备和核心网路局设备；无线设备主要为基站设备。

2）5G-R工作质量评价。评价内容来源于日常维护工作的原始记录报表，根据类型和内容可以归纳为日常维护工作和故障障碍处理工作。

3）5G-R运用质量评价。运用质量依据运用业务对质量的不同要求，划分为列车控制管理场景下的典型运用、端到端语音和数据传送的通用运用、无线监测，以及动检车检测运用等。针对不同的业务定义不同的KQI，从而反映真实的运用质量。

综上，5G-R网络运维质量评价的维度应能涵盖网络设备运行质量KPI、业务质量KQI、日常工作管理等，通过构建合理的评价体系，以便能全面、科学、客观、准确地评价5G-R网络运维质量。5G-R网络运维质量评价体系结构见图3。

图3

5G-R网络运维质量评价体系结构

3　项点设计

5G-R网络运维质量评价体系项点的设计应充分考虑KPI和KQI的重要性和代表性。KPI评价业务流程的可靠性，数据来源于协议栈低层流程，以控制面为主；KQI评价运用体验，数据来源于协议栈高层流程，以用户面为主。项点选取应包含网络基础覆盖、干扰、接入性、保持性、移动性、完整性、业务建立、数据传送、运用体验、工作计划安排、故障障碍处理、网络隐患处理等。

3.1　设备质量评价项点

5G-R设备可划分为核心网设备和无线设备，网络中各个网元设备的功能、角色、层级、部署策略、关键特性、典型运用等截然不同，既是服务提供者，也是消费者，各个网元各司其职，共同配合完成各项业务流程，使得网络构建成为一个整体，为上层各类运用提供服务。网元KPI是通过网元计数器对应公式计算得到的指标数据，用于评价网元运行的信令流程或网元自身状态是否正常。因此，5G-R设备质量评价项点来源于各个网元的KPI，选取部分具有重要性和代表性的KPI作为评价项点的组成部分。

3.1.1　核心网设备

根据不同归属，核心网设备可划分为全路共用设备与路局设备，评价以设备运行质量为主，评价项点构成见图4。

图4

核心网设备评价项点构成

1）核心网全路共用设备

核心网全路共用设备包含5G设备识别寄存器（5G equipment identity register，5G-EIR）、5G智能网（5G intelligent network， 5G-IN）、一级网络存储功能（network repository function，NRF）、一级服务通信代理/互联网协议信令转接点（service communication proxy/internet protocol signaling transfer point，SCP/IP STP）、一级域名服务器（domain name server， DNS）、短消息服务中心（short message service centre， SMSC）、一级车载无线通信设备运用维护管理系统业务转发接口服务器（railway cab radio operation and maintenance management system-interface， RMS-I）、一级连接管理平台（connection management platform， CMP）、5G-R GPRS归属服务器（5G-R GPRS home server， 5G-GROS）。

各个网元设备的功能不同，例如一级DNS负责动态域名维护管理功能和对二级DNS查询、地址解析等；5G-IN负责功能号控制管理、基于位置的呼叫限制等智能业务控制管理。因此，每个网元设备的评价指标也不尽不同，全路共用设备部分评价项点对应的指标定义见表1。

表1 5G-R核心网全路共用设备部分评价项点对应的指标定义

2）核心网路局设备

核心网路局设备包括5G核心网（5G core network， 5GC）、二级DNS、远端拨入用户验证服务（remote authentication dial in user service，RADIUS）、位置服务设备、铁路宽带集群通信（mission critical， MC）设备、二级RMS-I、二级CMP和5G-R接口服务器（5G-R interface server，5G-GRIS）。其中，5GC设备采用服务化架构（service based architecture， SBA），包括接入和移动管理功能（access and mobility management function，AMF）、会话管理功能（session management function，SMF）、策略控制功能（policy control function，PCF）、二级NRF、统一数据管理（unified data management，UDM）、认证服务器功能（authentication server function，AUSF）、网络切片选择功能（network slice selection function，NSSF）、短消息服务功能（short message service function，SMSF）、用户面功能（user plane function，UPF）、计费功能（charging function，CHF）、网络开放功能（network exposure function，NEF）和业务通信代理二级SCP；MC设备包括初始会话协议核心网（session initiated protocol core，SIP Core）、接口网关和MC运用等单元；SIP Core包括代理呼叫会话控制功能（proxy-call session control function，P-CSCF）、服务呼叫会话控制功能（serving-call session control function，S-CSCF）、查询呼叫会话控制功能（interrogating-call session control function，I-CSCF）、5G语音应用服务器（voice over new radio-application server，VoNR-AS）等。核心网路局设备部分评价项点对应的指标定义见表2。

表2 5G-R核心网路局设备部分评价项点对应的指标定义

3.1.2　无线设备

无线设备为下一代基站gNB（the next generation node base station，gNodeB），应考虑从覆盖性、接入性、保持性、移动性、完整性等方面做评价项点的设计。基站主要负责提供5G空口协议功能，支持与终端、5GC（信令面AMF，用户面UPF）之间的通信。无线设备部分评价项点对应的指标定义见表3。

表3 5G-R无线设备部分评价项点对应的指标定义

3.2　工作质量评价项点

5G-R工作质量评价项点主要是日常维护工作相关的评价指标，选取部分具有重要性和代表性的KPI作为评价项点的组成部分，5G-R工作质量部分评价项点对应的指标定义见表4。

表45G-R工作质量部分评价项点对应的指标定义

3.3　运用质量评价项点

5G-R运用质量评价项点主要是与运用相关的评价指标。从行业组织研究、中国信通院［14］与公网运营商［15］的评价考核趋势发展来看，评价侧重点从原有的面向网元性能逐步向面向用户感知转变。5G-R网络承载的各类运用业务对服务质量的要求应涵盖包时延、可靠性、吞吐率、业务建立成功率、业务建立时延、会话丢失率、语音质量等［16］，根据这些维度考虑运用质量关键指标KQI的选取，典型运用包括C3列控信息、调度命令、进路预告等，通用运用包括端到端语音及视频业务运用，无线监测运用包括干扰监测及自动路测的运用，检测运用包括场强与服务质量运用。5G-R运用质量部分评价项点对应的指标定义见表5。

表5 5G-R运用质量部分评价项点对应的指标定义

4　结束语

5G-R网络的复杂性及运维的巨大挑战性，对运维质量的精准科学评价提出了很高的要求，全面、准确、可靠、可用的质量评价体系的重要性不言而喻。本文对5G-R网络运维质量评价体系的研究与建立，为理解和评估5G-R网络性能和运维质量提供了有力的支撑，可作为5G-R网络运维的重要参考依据。

评价体系从基础网络性能、日常工作实施、业务运用、用户体验等维度，进行5G-R网络运维质量评价，提出了相应的多个评价项点，力求对应评价指标能够精准反映评价对象的质量水平，确保全面深入掌控5G-R网络的综合表现，为5G-R高质量运维提供可感知、可量化的重要依据，提升5G-R网络运维质量，为铁路安全可靠运行保驾护航。

引用本文：张卫军, 蒋笑冰, 胡新,等. 5G-R网络运维质量评价体系研究[J]. 铁道通信信号, 2025, 61(3): 1-9.

Citation:ZHANG Weijun, JIANG Xiaobing, HU Xin, et al. Research on Quality Evaluation System of 5G-R Network Operation and Maintenance[J]. Railway Signalling & Communication, 2025, 61(3): 1-9.

作者简介

张卫军：中国铁路北京局集团有限公司北京铁路通信技术中心正高级工程师 100038 北京

蒋笑冰：中国铁路北京局集团有限公司北京铁路通信技术中心正高级工程师 100038 北京

胡新：中国铁路北京局集团有限公司北京铁路通信技术中心正高级工程师 100038 北京

李岩：北京英诺威尔科技股份有限公司工程师 100070 北京

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关于《铁道通信信号》

《铁道通信信号》为月刊，创刊于1957年，主管单位为中国国家铁路集团有限公司，主办单位为中国铁道科学研究院集团有限公司。

素材来源：综合自公告公示