知识丨浅析下一代铁路移动通信系统

上世纪90年代，在国际铁路联盟（UIC）的领导下，全球移动通信系统（GSM）被引入铁路行业，形成了GSM-R铁路移动通信系统标准，GSM-R在ETCS-2和CTCS-3级系统中被广泛采用，并一直沿用至今。与此同时，在公众移动通信领域，系统已经发展到第四代（4G）以及第五代（5G），相较之下，基于第二代移动通信技术的GSM-R已经显得不合时宜，且其产业链在不断萎缩，给大量既有线路的运营和维护造成困难。

为此，UIC于2012年启动未来铁路移动通信系统（FRMCS）计划，并于2016年起，将5G纳入研究范围。根据UIC的相关计划，欧盟各国铁路将于2025年底前陆续引进基于5G的铁路移动通信系统，新系统将与既有GSM-R系统并行工作，以便在2030年左右实现向5G的平稳过渡。为此，UIC于2020年11月启动5GRAIL项目，致力于建立和测试FRMCS铁路现场示范系统，为开展欧洲铁路FRMCS跨境试验奠定基础。

中国拥有超过12万公里铁路，其中高速铁路约3万公里。同时，中国5G技术领先，商用规模较大，具备将5G技术应用于铁路系统，替代目前使用的450M无线列调和GSM-R系统，提高铁路移动通信网络服务质量的技术条件。为此，国家铁路集团公司于2020年8月发布《国铁集团关于加快推进5G技术在铁路应用发展的实施意见》，同年12月，又发布《铁路5G技术应用科技攻关3年行动计划》，提出到2023年完成铁路5G专网关键技术攻关和专用设备研制，开展安全保障，出行服务等急需业务的试验验证和使用考核，完成5G专网技术标准制定，为开展铁路5G专网建设和业务应用奠定基础。

但必须指出的是，自2018年末5G在中国试商用以来，刚刚经历了不到4年的时间，尚处于商用的初期，产业链，特别是针对工业系统的产业链尚不成熟。原因在于5G一类的移动通信网络，通常较多考虑公众移动通信需求，设备制造商和运营商也大多优先针对公众移动通信系统进行开发和部署。当前，在5G的三大主要应用场景中，仅主要针对公众无线通信的eMBB（增强型移动宽带）场景完成标准编制（R16）并得以应用，主要针对工业场景的mMTC（大规模机器间通信）和uRLLC（超高可靠性低时延通信）尚未有明确的部署和应用路径。同时，5G标准的编制工作也受到全球疫情影响，根据3GPP最新发布的消息，5G标准R17版本的冻结时间将推迟至2022年6月，更进一步拖慢了针对工业系统的5G网络商用进程。

此外，当前5G网络的特性和铁路移动通信系统的需求，尚存很多不能匹配之处，或将影响到5G在铁路领域的应用，是未来一段时间内必须解决的问题。

本文将从铁路对移动通信网络的需求入手，分析5G网络在铁路领域的适用性。

（1）覆盖

理论上，铁路移动通信网络的单站覆盖距离越大越好，较大的覆盖距离，可以减少沿线基站的布置数量，从而降低成本，提高可维护性，减少站间切换，降低因站间切换导致通信中断的概率。试想，几百乃至上千公里的铁路，使用单站覆盖只有200～300米的的无线通信系统将是什么效果，接近100m/s（360km/h）的时速，2～3秒切换一次，极难保持高的切换成功率，采用小区合并技术，虽然可解决切换频繁问题，仍旧无法降低基站数量通信系统安全，轨旁基站林立，将导致不可接受的维护工作量。

频谱的选择也会对覆盖造成明显的影响，频谱对覆盖的影响将在下一节详细介绍。

（2）频谱和带宽

考虑到列车运行控制系统的网络安全因素，铁路移动通信网络倾向于采用专有频段，例如GSM-R网络采用900MHz专有频段（中国铁路使用的频段为上行885-889MHz，下行930-934MHz）。

频谱的选择将影响单站覆盖距离，频率每提高1倍，相同距离下的自由空间传播损耗将增加6dB。以采用900MHz的GSM-R网络为例，最大覆盖距离可达6～9km。但随着社会的发展，近年来公众无线网络使用的频率不断提高，5G网络已经向3～6GHz的部分频段扩展，3GHz以下（sub3G）“黄金”频段已经非常拥挤，难以划定专用频段供铁路专网使用，比较充裕的频谱资源集中在高频段（如3～6GHz），但高频段覆盖较差，覆盖较好的低频段（如sub3GHz）频谱紧张，频谱与覆盖的矛盾一直困扰着科研人员与铁路系统用户。

同时，想要获得较高的通信速率，就要使用较大的带宽，与频谱分配面临的情况类似，比较丰富的带宽资源位于高频段（如3～6GHz），而较低频段（如sub3GHz）带宽资源则相对紧张，因此，除频谱与覆盖的矛盾外，还存在带宽与覆盖的矛盾。

（3）通信速率

现代铁路生产业务越来越依赖移动通信系统，移动通信系统在列车运行控制（CTCS/ETCS）、运行调度和事故救援（话音和多媒体集群）、设备设施监测（5T、6A、6C等系统车载和轨旁设备监测）、环境监测（防灾系统）、移动运维（数据、话音和多媒体集群）和LBS（基于位置的服务，如定位服务，人员安全防护和列车定位等）等领域发挥着越来越重要的作用，为满足上述业务的需求，对通信速率的需求日益增加。

此外，现代铁路系统对于旅客服务的重视程度越来越高，中国铁路于2017年组建了国铁吉讯公司，承担动车组无线局域网的运营工作，但时至今日，由于车地无线网络的限制，动车组无线局域网的使用体验与最终设定的目标（在动车组上可以流畅的运行网络游戏，笑）仍然有有一定的差距。5G网络的商用，为利用5G网络为旅客服务系统提供网络支持，提高服务质量创造了条件，但不幸的是，由于使用频率较高，轨旁部署基站过多（考虑到车体衰减，针对车内乘客使用场景，需要增加基站数量），切换过于频繁等一些因素，除个别示范线路（如京张、广深等）沿线部署5G网络外，目前看来，铁路沿线的5G网络部署还存在一定的技术困难。

最后不得不指出，移动通信网络由于其与生俱来的技术特点，在上行领域存在极大的短板，原因在于，移动通信系统面向的是手机一类的电池供电的移动终端。这类移动终端发射功率小，功放芯片性能有限，不能使用高阶调制，天线数量也受到限制，使得系统上行速率普遍较低。以LTE系统为例，上行带宽始终徘徊在100～300Mbit/s，同期下行速率已超过1Gbit/s，5G网络相比LTE网络，在上行速率方面并无实质改善，为了改善5G网络上行速率低的问题，业内想出了很多办法，例如调整上下行子帧配比，超级上行等，但收效甚微。而铁路移动通信，由于监测类业务较多，对上行带宽的需求较大，使得上行短板成为阻碍5G用于铁路的一块绊脚石。

（4）QoS

基于对业务需求的分析，可以看出，未来承载在铁路移动通信网络上的业务种类比较多，各类业务具有不同速率，时延要求。如列控业务，虽带宽较低，但需要保证速率，时延小于100ms；话音集群，带宽较低，但需要保证速率和低网络抖动；视频监控业务，则对带宽需求较大，时延小于500ms即可。同时诸如列控一类的业务信息安全等级要求较高。

同时承载各类带宽、时延、信息安全等级要求不同的业务，需要完备的QoS机制。在5G网络商用初期，“切片”的概念曾经红极一时，当时普遍认为采用切片技术可以为不同的业务提供有效的服务保证，但如何针对不同的业务运用切片技术，仍然是目前需要致力于研究的问题。

（5）移动性

铁路移动通信面向的是350km/h乃至更高（可达600km/h，高速磁悬浮）的终端移动速度，在如此高的速度下，如何对抗多普勒效应，保证较高的通信速率，仍需要进一步研究。

（6）集群

在铁路移动通信系统中，集群通信具有相当重要的地位。我国铁路目前使用450MHz无线列调（普速铁路）和GSM-R数字集群（高速铁路和部分普速铁路）两种话音集群通信体制。铁路集群通信的应用场景较为复杂，需要组呼、强插，强拆等功能，需要对应的无线承载网络具备相应的网元（如LTE网络中的eMBMS），但目前5G集群标准尚未成型，暂时无法支持专业集群的相关功能。

（7）应用系统

铁路移动通信网络最重要的应用是列控系统，长期以来，列控系统（CTCS-3/ETCS-2）一直使用GSM-R网络，GSM-R网络是以电路交换为基础的移动通信网络，而5G网络是以IP交换为基础的，因此，应用5G网络涉及对列控系统底层通信协议较大的修改，目前为止，全球尚未有基于IP通信的列控系统投入使用，只有少数企业做过相关试验，如我国曾试验GPRS网络承载CTCS-3网络通信。

（8）长期维护

铁路移动通信系统的生命周期通常长达20～30年，这一时间尺度大大长于公众移动通信系统5～10年的代际跨度（LTE，2013年商用，2018年5G商用），当前5G刚刚商用，又有企业提出6G愿景。自GSM-R起，铁路移动通信系统就走上了基于公众移动通信系统发展的道路，依赖公众移动通信系统的产业链，由此带来的问题就是公众移动通信系统发展迅速，导致几年后的代际切换，之后产业链逐步萎缩，备品备件供应出现问题，维护成本升高，给系统运营和维护造成困难。GSM-R在系统的长期演进和维护方面考虑不足，使得全球铁路运营商不得不接受这一现实，这一点在基于5G的铁路移动通信标准的制定过程中，必须予以充分考虑。

综上所述，虽然作为未来综合交通网络中的重要基础设施，5G网络的优越性显而易见，但目前基于5G的铁路移动通信系统中还存在很多亟待解决的问题。尽管如此，相信随着时间的推移，5G的产业链将逐渐成熟，上述问题终将得到解决，5G网络在铁路移动通信领域具有广泛的应用前景。

（编辑：温州站长网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!