2024集成未来铁路移动通信系统（FRMCS）：5G技术推动铁路通信提质升级白皮书

内容 介绍3 GSM-R - FRMCS在900 MHz的共存挑战5 FRMCS部署 - 从n101频段开始7 利⽤5G关键功能实现⾼效的铁路覆盖9 与CSP共享⽆线电以优化部署12 主要收获14 参考资料16 作者17 介绍 全球各国正努⼒增加铁路在运输⼈员和货物中的份额，以开发更可持续的交通系统[1]。他们认识到铁路是当今最可持续、创新和安全的交通⽅式，并在可预⻅的未来仍将如此[2]。对于乘客来说，铁路旅⾏是最安全的选择，这表现在每⼗亿乘客/公⾥的极低死亡率上，相⽐之下，道路上的旅⾏者所遭受的致命危险要⾼得多。在美国拥有超过20万公⾥的铁路线，在欧洲有15万公⾥，在印度有超过10万公⾥，企业和货运公司可以受益于低成本和⽇益竞争激烈的交通解决⽅案，同时减少其碳⾜迹[3]。 只有通过⾃动列⻋控制才能实现⾼铁⾏驶。没有控制的列⻋司机会失去情况意识，在时速超过180公⾥时⽆法做出⾜够快速的反应。在欧洲，标准的铁路控制-调度和交通管理系统是欧洲列⻋控制系统（ETCS）。这⼀系统⽬前由全球移动通信系统——铁路（GSM-R）实现，其标准化主要受国际铁路联盟（UIC）推动。尽管GSM-R取得了成功，但由于移动通信系统的技术进步、宽带服务的⼴泛应⽤和5G蜂窝⽹络的⽇益部署，它正在变得过时[4]。为了逐步⽤现代技术取代GSM-R，UIC已决定为未来的5G铁路移动通信系统（FRMCS）奠定基础[5]。FRMCS的主要⽬标是全⾯数字化铁路运营，⽀持越来越⾼级别的⾃动列⻋运营（ATO），并拥抱5G带来的可能性，⽽不会创造铁路特定的蜂窝⽹络技术。除了这些基本⽬标，FRMCS还旨在具有成本效益且具备未来准备性，确保顺畅兼容并轻松从GSM-R迁移。 FRMCS试验已经在进⾏，系统的部分部分已⾜够成熟，可以开始部署了，FRMCS第⼀版规范将在2026年底前完全结束。FRMCS欧洲试验（MORANE 2）定于2026年初结束。这将标志着验证规范成熟性 的⼀个重要⾥程碑，包括专⽤铁路频段规范和共享通信服务提供商（CSP）频段，以及FRMCS组件的产品互操作性。MORANE 2不仅与标准化⼯作相关，还标志着从GSM-R向FRMCS进⾏⾃动列⻋控制的⼤转变的开始，如图1所⽰。 部署⾄关重要的FRMCS是⼀项具有挑战性和昂贵的任务，有⼏种选择可以进⾏，特别是考虑到这需要在GSM-R仍在运营并占⽤最终将⽤于FRMCS的两个频谱频段（在900MHz和1900MHz），在新的未占⽤的1900MHz铁路频谱频段有效地利⽤丰富的5G NR功能集，并在必要和可⾏的情况下与CSP合作，是以经济⾼效且具有未来性的⽅式开始部署FRMCS，与GSM-R并⾏，并将其延伸⾄未来。 部署具有关键使命的FRMCS是⼀项具有挑战性和昂贵的任务。 有⼏种选择可以进⾏，特别是考虑到这需要在GSM-R仍在运营并占⽤最终将⽤于FRMCS的两个频谱频段（在900MHz和1900MHz）。 在新的未占⽤的1900MHz铁路频谱频段中有效地利⽤5G NR的丰富功能，并根据需要与移动⽹络运营商（CSPs）合作，是以经济⾼效且具有未来性的⽅式开始部署FRMCS并在⻓期内扩展的⽅法。 GSM-R - FRMCS共存挑战在900兆赫兹 许多铁路应⽤，如ETCS和ATO，对铁路运输的运作⾄关重要，因此移动⽹络必须在整个铁路⾏程路线上使⽤这些应⽤程序（尤其在⼩区边缘）提供⾜够的容量。此外，移动⽹络故障会对现代数字化铁路交通造成不利影响（如GSM-R故障[7]所⽰）。因此，必须在移动⽹络设计中加⼊冗余和故障切换机制，包括冗余覆盖和FRMCS的⽹络组件。 考虑到铁路轨道的⼤量和⻓度，以及在给定频谱下可实现的站点间距（ISD），部署FRMCS在成本上对铁路基础设施管理者⽽⾔具有挑战性，尤其是对韧性要求和对冗余部署的相应需求。 根据ECC [8]为铁路分配的两个频谱带（n100和n101，参⻅图2），可以使⽤这些频段对FRMCS进⾏冗余部署。然⽽，GSM-R⽬前正在使⽤n100频谱的部分。虽然有关于FRMCS和GSM-R在相同频谱中共存的解决⽅案[9]，但这将始终导致频谱的利⽤效率⽐仅使⽤完整NR载波为FRMCS低。 尽管所有这些都是具有挑战性的，但FRMCS必须⽀持的基本服务的性能要求，包括负荷和延迟，是适度的，仅针对GSM-R的替代。但是，FRMCS可以为铁路运营提供更多。更⾼级别的铁路⾃动化和远程列⻋操作需要关键视频和传感器通信，以及视频监控，还可以在有更多容量可⽤时实现其他补充应⽤，例如通过包括铁路拥有的频谱之外的公共⽹络。 FRMCS部署-从n101波段开始 FRMCS的初始部署应侧重于利⽤包括完整的10 MHz TDD载波和30 kHz⼦载波间距（SCS）在⾼列⻋速度下实现⽐15 kHz SCS更好性能的n101全带宽覆盖。为了冗余，应优先考虑现有的GSM-R覆盖（如有），并在市场上GSM-R逐步淘汰且n100产品占据主导地位后，⽤n100全2x5 MHz FDD载波替换，以实现冗余。稍后可以添加⽀持n100和n101的多波段天线，以降低部署成本。 在GSM-R不可⽤的情况下，应积极与CSP合作，通过⼀个或多个公共⽹络提供冗余连接。与CSP合作可实现更先进的架构，很好地整合到专⽤铁路5G核⼼⽹络中，⽽不像通常⽤⼾那样使⽤公共⽹络。此外，与CSP合作提供沿着铁路轨道的⽆缝覆盖不仅有助于增强FRMCS的韧性，还可⽤来提供视频应⽤的吞吐量。许多铁路也计划利⽤基于CSP的FRMCS覆盖区域线路，其中交通量不⾜以使专⽤覆盖经济可⾏。列⻋乘客的⽆处不在的连接和混合部署模型有望⽐两个独⽴的独⽴⽹络更具成本效益地实现部署。 为了解决FRMCS部署的重⼤成本压⼒，许多情况下可以重复使⽤现有的基础设施，特别是来⾃GSM-R部署的⽆线电站。虽然n101频段的传播损耗⽐GSM-R使⽤的频谱更⼤，需要较短的ISD - 因此需要更多的⽆线电站 - 这似乎是显⽽易⻅的。然⽽，NR的先进功能可以弥补这⼀点。我们已经看到 - 根据具体的部署情况 - 在重新使⽤GSM-R站点的基础上，只需要少量额外的站点即可沿着铁路轨道实现全⾯覆盖，这就是为什么使⽤n101频段部署FRMCS可以约同使⽤n100频段在现有的GSM-R⽹络上部署FRMCS⼀样具有成本效益。 利⽤5G关键功能提⾼铁路轨道覆盖效率 基站配置的选择在确定ISD⽅⾯起着重要作⽤。较⼤的ISD会降低基础设施建设和运营成本。选择适当的天线对于最⼤化覆盖范围和容量将是重要的。为了实现轨道覆盖，可以使⽤⽔平波束宽度较窄的⾼度定向天线，以最⼤化沿着轨道的信号⽔平并控制⼲扰进⼊和来⾃其他FRMCS单元或其他⽹络。天线可以配置为背靠背，带有两个独⽴的⽆线电，或者⼀个⽆线电同时提供两个⽅向的服务。对于多个轨道汇合的⼤型⻋站部署，可以使⽤波束较宽的天线，需要注意站点放置和天线设计，以满⾜更⾼的交通需求。可以通过使⽤微型天线的⽆线电单元或使⽤具有较⼩外形天线的⽆线电单元（适应隧道的物理限制）来实现隧道覆盖。理想情况下，泄漏馈线应⽀持MIMO以最⼤化⽐特率。 可以利⽤额外的天线端⼝来最⼤化覆盖范围和站点间距。预计FRMCS将使⽤2、4和8端⼝天线。通常，所有天线将包含在⼀个单独的包中。 使⽤4或8端⼝天线还提供诸如波束成形和上⾏⼲扰抑制组合等好处。 图4显⽰了不同基站配置选择的ISD⽰例，具有中等负载。 ISD已根据所需的⼩区边缘上⾏⽐特率为3 Mbps进⾏计算。 这个⽬标是基于两列⽕⻋在⼩区边缘经过，每列使⽤1 Mbps，同时还有⼀些容量可⽤于更靠近⼩区站的⽕⻋。 前三个结果展⽰了在郊区环境中使⽤更多基站天线的好处。 最后三个结果展⽰了相同的基站配置，但在农村环境中。 对于每种情况，也显⽰了下⾏⼩区边缘可实现的⽐特率。 与2T2R相⽐，每加倍基站天线，ISD增加了20到25%。 相⽐GSM-R⽆线电站通常放置在FRMCS塔底部的避难所中，将⽆线电单元放在桅杆顶部，靠近天线具有优势。这种放置⽅式减少了馈线损耗（2-4dB），最终优化了射频性能，实现了更⼤的站间距（约20%更⼤）。虽然桅杆顶部的⽆线电可能需要更⾼的维护成本，但这在很⼤程度上被所需站点更少所抵消。 FRMCS 5G RAN架构还允许部署集中式RAN（C-RAN），如图5所⽰。这意味着每条30公⾥轨道上都集中部署⼀个基带单元（BBU）。这个BBU通过光前向链路连接到这个30公⾥区段内的⽆线电站。这最⼩化了⽹络中所需的BBU和远程连接的数量。此外，这促进了BBU之间的⾼级互联，以增强移动性和⼩区边缘覆盖。 对于上述可能的铁路部署，5G NR⽀持各种配置和功能，以实现⾼效可靠的FRMCS。以下我们列出其中⼀些。 1.5G中的30 kHz⼦载波间距⾮常适合在n101频段和⼀般中频段进⾏⾼铁部署，这是因为较短的时隙持续时间。2.在⼀个时隙中⽀持3和4个DMRS符号，可以在⾼速铁路场景中实现准确的信道估计。3.NR⽀持灵活的TDD模式，因此可以为实现所需的上⾏和下⾏性能⽽优化n101频段的TDD模式。4.5G⽀持移动特性，如较低层的移动性（例如，动态点选择）和有条件的切换，可在铁路部署中利⽤以最⼩化服务中断。5.5G⽀持丰富的按需和可灵活配置的参考信号、CSI反馈模式和MIMO⽅案，以最⼤化不同铁路场景中的频谱利⽤。6.⽤于改善上⾏覆盖的UL-CoMP/联合接收。 与CSP共享⽆线电以优化部署 虽然铁路基础设施管理者主要将依赖于利⽤专⽤铁路频谱的专⽤5G系统，但与CSP合作进⾏混合⽹络部署有两个原因。 1整合公共⽹络以实现冗余和增加容量，以及2成本共享 虽然冗余也可以通过仅使⽤专⽤⽹络组件来实现，但考虑到为增强可供列⻋使⽤的⽹络容量⽽进⾏整合已经是⼀个推动因素，利⽤CSP的现有基础设施要更具成本效益。 在成本共享⽅⾯，主要侧重于共享被动基础设施，如塔，光纤和电⼒，但在某些情况下还可以共享主动组件。 ⼀般来说，将公共⽹络整合到专⽤铁路⽹络中有三种⽅式[10] 1多运营商核⼼⽹络（MOCN）：⼀个⽆线电站被铁路专⽤⽹络和CSP公共⽹络的核⼼⽹络共享[11]。这需要从每个共享BBU站点到FRMCS核⼼的专⽤回传，但可以避免对CSP核⼼⽹络的依赖，因此更具弹性和安全性。在MOCN中，⽤⼾设备可以基于专⽤铁路⽆线电站点和CSP站点构建邻区列表，并在它们之间平滑切换。 这样做需要在每个共享BBU站点和FRMCS核⼼之间的专⽤回传线路，但可以避免对CSP核⼼⽹络的依赖， 因此更具弹性和安全性. 2国家漫游：允许⽕⻋在当前位置提供⽆线电覆盖的不同⽹络之间移动，实现全程连接，只在转换期间出现短暂中断。采⽤家庭路由漫游模式，所有数据通过CSP的核⼼⽹络路由。只有核⼼⽹络需要整合，但这包括⼀些控制接⼝，不是⼀件简单的事情。 公共⽹络的使⽤完全依赖于CSP的核⼼⽹络是否正常运⾏。 3订阅者：第⼆个⽤⼾设备使⽤单独的SIM卡连接到公共⽹络，完全独⽴于专⽤铁路⽹络。尽管专⽤⽹络和公共⽹络之间没有整合⼯作，但任何⽹络之间的移动必须由⼀个使⽤两个⽹络作为独⽴IP路径的功能提供，并且需要将MC服务与两个核⼼⽹络整合，从⽽使⽹络之外的复杂性更⾼。 ⽆论使⽤哪种选项，都可以通过在⽕⻋上使⽤多个UE（⽤⼾设备），每个设备使⽤⾃⼰的SIM卡和⽤⼾配置⽂件，同时利⽤铁路专⽤⽹络和CSP的⽹络。FRMCS多径可以同时利⽤这些多个连接，从⽽进⼀步提升⽕⻋的连通性，例如能够动态地将应⽤程序的连通性从⼀个UE切换到另⼀个UE，以防⼀个UE的连接失败或质量下降。 同时利⽤多个UE还可以增加⽕⻋连通性的可⽤容量，通过聚合多个UE的连接的可⽤容量。 关键要点 FRMCS部署策略：开始部署n101频段设备，具备必要的关键功能以提供铁路轨道上所需的连接性。为了冗余性，如果可⾏，继续使⽤GSM-R和公共⽹络。避免在GSM-R旁边使⽤带宽⼩于5MHz的n100频段。为了成本优化，与通信服务提供商合作，改善沿铁路轨道的覆