到底什么是5G-R？

作者：小棗君 2023-10-12 20:43:15

2012年，UIC聯(lián)合ETSI、3GPP，啟動(dòng)了FRMCS（Future Railway Mobile Communication System，未來鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)）項(xiàng)目。2016年，UIC將5G納入FRMCS的研究范圍。

近日，工信部向中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（以下簡稱“國鐵集團(tuán)”）批復(fù)5G-R試驗(yàn)頻率的消息，引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

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究竟什么是5G-R？為什么工信部會(huì)在此時(shí)批復(fù)5G-R的試驗(yàn)頻率？

今天，小棗君就通過問答的形式，給大家做一個(gè)詳細(xì)解讀。

█ 什么是5G-R？

5G-R的英文全稱，是5G-Railway。Railway，是英文“鐵路”的意思。

在批復(fù)中，5G-R被稱為“基于5G技術(shù)的鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)”。其實(shí)，簡單來說，5G-R就是用于鐵路運(yùn)輸行業(yè)的5G技術(shù)。

有的讀者可能會(huì)問：5G-R是不是給鐵路乘客上網(wǎng)用的？

答案是：No。

5G-R屬于專網(wǎng)（Private Network）通信系統(tǒng)。它是國鐵集團(tuán)的專用5G網(wǎng)絡(luò)，專門用于滿足鐵路通信運(yùn)營和管理需求，是鐵路內(nèi)部使用的。

而乘客上網(wǎng)，連接的主要是移動(dòng)、電信、聯(lián)通等運(yùn)營商的公網(wǎng)（Public Network）通信系統(tǒng)。

這兩種系統(tǒng)完全獨(dú)立和隔離，終端也不能混用。

正因?yàn)槿绱耍?G-R才需要單獨(dú)申請(qǐng)頻譜，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

國內(nèi)5G-R的工作頻段是2100MHz。具體來說，上行1965~1975MHz，下行2155~2165MHz，各10MHz，采用FDD制式。

█ 鐵路專網(wǎng)通信，有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？

鐵路交通運(yùn)輸，是典型的移動(dòng)通信場(chǎng)景，對(duì)無線通信技術(shù)的需求非常強(qiáng)烈。

不管是高鐵，還是普速列車（綠皮車），不管是客運(yùn)列車，還是貨運(yùn)列車，都需要隨時(shí)保持與車站的緊密聯(lián)系，這是鐵路安全運(yùn)行的基本前提。

歸納來看，鐵路專網(wǎng)無線通信包括以下幾種應(yīng)用場(chǎng)景：

1、正線車地通信

所有鐵路正線經(jīng)過的地方，都需要進(jìn)行信號(hào)覆蓋。這屬于典型的廣域覆蓋場(chǎng)景。

列車運(yùn)行過程中，主要用到的通信系統(tǒng)和業(yè)務(wù)包括：列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS/ETCS）、重載組合列車的機(jī)車同步控制和調(diào)度通信、列車進(jìn)路預(yù)告、調(diào)度命令信息等。

這些都關(guān)系到列車的正常運(yùn)行，對(duì)安全性和可靠性要求極高，偏uRLLC（高可靠低時(shí)延通信）場(chǎng)景。

因?yàn)榱熊嚫咚傩旭偅ㄓ绕涫歉哞F），所以通信系統(tǒng)也必須具備高速適應(yīng)性，時(shí)速350km也能夠保證一定的通信能力。

大家可能潛意識(shí)會(huì)認(rèn)為鐵路專網(wǎng)會(huì)有極高的時(shí)延需求，但實(shí)際上，像列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，鐵路規(guī)范給出的要求只有150ms，并不難實(shí)現(xiàn)。

除了車地之外，現(xiàn)在車車（T2T）通信也有需求，主要應(yīng)用于防撞系統(tǒng)。

2、鐵路站場(chǎng)、樞紐

鐵路客運(yùn)車站、貨運(yùn)編組站、機(jī)務(wù)段、車輛段、動(dòng)車所等區(qū)域，也是通信需求較為密集的場(chǎng)所，屬于熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域。

主要業(yè)務(wù)包括：平面調(diào)車、調(diào)車監(jiān)控、編組站自動(dòng)化、客站服務(wù)、車載數(shù)據(jù)下載、站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)、站場(chǎng)維護(hù)作業(yè)等。

這里的人員、車輛和設(shè)備較多，對(duì)通信帶寬和容量有一定的要求（終端的空間移動(dòng)速率較低，沒有高速適應(yīng)性要求），偏eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）場(chǎng)景。

3、鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施

除了列車之外，鐵路沿線的基礎(chǔ)設(shè)施，也有通信需求。

例如，鐵路沿線電務(wù)、工務(wù)等專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備（橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、鐵塔等，目前重要的線路信號(hào)等設(shè)備還是有線通信為主）。

這幾年，鐵路沿線洪水、山體滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)。為了監(jiān)測(cè)災(zāi)害，鐵路部門設(shè)置了很多監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，也有通信需求。

這些監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接數(shù)量大，帶寬要求小，偏mMTC（海量機(jī)器通信）場(chǎng)景。

4、車輛內(nèi)部通信場(chǎng)景

主要指動(dòng)車組等高速客運(yùn)車輛，業(yè)務(wù)包括：列車定位、自動(dòng)駕駛、移動(dòng)裝備狀態(tài)檢測(cè)、智能診斷等。

列車內(nèi)外的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較多，例如6A（機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)，包含：機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)、防火、高壓絕緣、列車供電、走行部、視頻）和6C（供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）。它們是掌握列車運(yùn)行狀態(tài)的重要手段。

其它鐵路通信會(huì)用到的場(chǎng)景還包括：事故救援（話音和多媒體集群）、移動(dòng)運(yùn)維（數(shù)據(jù)、話音和多媒體集群）、LBS（基于位置的服務(wù)，如人員定位和列車定位等）和高鐵Wi-Fi。

高鐵Wi-Fi現(xiàn)在比較熱門。

數(shù)字時(shí)代，旅客對(duì)高鐵上網(wǎng)的需求比較大。公網(wǎng)運(yùn)營商信號(hào)覆蓋有好有壞，國鐵集團(tuán)也在研究和部署高鐵Wi-Fi等，尋找商業(yè)機(jī)會(huì)。國鐵集團(tuán)還聯(lián)合吉利、騰訊專門成立了國鐵吉訊，推動(dòng)高鐵Wi-Fi平臺(tái)的建設(shè)。

█ 什么是GSM-R？

說到5G-R，就肯定會(huì)提到它的前任——GSM-R。

顧名思義，GSM-R是基于GSM技術(shù)，專門為鐵路行業(yè)設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)。

上世紀(jì)90年代初，GSM標(biāo)準(zhǔn)剛剛確立的時(shí)候，西門子公司就開始醞釀和起草GSM-R技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

后來，國際鐵路聯(lián)盟（UIC，International Union of Railways）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）合作，針對(duì)歐洲鐵路系統(tǒng)，共同推出了最終版的GSM-R標(biāo)準(zhǔn)。

與傳統(tǒng)GSM標(biāo)準(zhǔn)相比，GSM-R主要增加了鐵路專用調(diào)度通信的相關(guān)功能。

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目前，我們國家主要使用的鐵路專網(wǎng)通信技術(shù)，就包括GSM-R。

新中國成立后，鐵路系統(tǒng)開始使用列車無線調(diào)度電話和站內(nèi)無線電話，采用工作頻率為2MHz和40MHz的電子管設(shè)備。

進(jìn)入70年代，我們逐漸開始轉(zhuǎn)向150MHz和450MHz頻段的晶體管設(shè)備。

再后來，鐵路專用的無線電頻率，就定在450MHz頻段，用于列車無線調(diào)度通信、站場(chǎng)平面調(diào)車、客貨運(yùn)輸及養(yǎng)護(hù)維修等對(duì)講通信業(yè)務(wù)。

無線列調(diào)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

90年代GSM-R在歐洲出現(xiàn)之后，我們國家也及時(shí)進(jìn)行了學(xué)習(xí)和引進(jìn)。

2004年，為滿足高速鐵路發(fā)展CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的需要，鐵道部正式采用GSM-R標(biāo)準(zhǔn)，作為我國新一代鐵路無線通信國家標(biāo)準(zhǔn)。

值得一提的是，我國是亞洲第一個(gè)發(fā)展GSM-R的國家。國內(nèi)第一條應(yīng)用GSM-R的鐵路，是著名的青藏鐵路。

國內(nèi)的GSM-R，采用的是900MHz“黃金頻段”（從中國移動(dòng)那邊“要”來的），上行885-889MHz，下行930-934MHz，2×4MHz帶寬，最大覆蓋距離可達(dá)6～9km。

從2008年起，新（改）建鐵路幾乎全部采用GSM-R作為專用無線通信系統(tǒng)。

從2012年起，工信部停止核準(zhǔn)基于450MHz頻段的模擬制式無線列調(diào)系統(tǒng)。因?yàn)樵撓到y(tǒng)抗干擾能力差、語音質(zhì)量低、業(yè)務(wù)有限。

在那之后，廈深高鐵、廣深港高鐵、青藏線、大秦線、膠濟(jì)線、武廣線、鄭西線、石太線、合寧線、合武線、京津城際線、京滬高鐵等國內(nèi)重要鐵路線路，都采用了GSM-R技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)。

截至2021年底，國內(nèi)GSM-R覆蓋線路里程（含在建）達(dá)到8.9萬公里，用戶數(shù)超過35萬。

█ 有了GSM-R，為什么還要搞5G-R？

當(dāng)然是因?yàn)?G-R更先進(jìn)。

時(shí)至今日，基于2G技術(shù)構(gòu)建的GSM-R標(biāo)準(zhǔn)，早已無法滿足現(xiàn)代鐵路的發(fā)展需求。

GSM-R以語音業(yè)務(wù)為主，頻率效率低，窄帶數(shù)據(jù)帶寬最多只有100多KB，難以承載鐵路數(shù)字化改造后的通信大帶寬需求。

幾年前，國內(nèi)曾經(jīng)提出基于LTE-R（4G）建設(shè)鐵路無線專網(wǎng)，但測(cè)試了一段時(shí)間后，沒有大規(guī)模商用。

如今看來，國家就是打算一步到位，跳過LTE-R，直接上5G-R。

5G-R基于5G技術(shù)，具備超大帶寬、超低時(shí)延、海量連接的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)性能幾乎碾壓GSM-R。

在網(wǎng)絡(luò)能力上，5G-R支持網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等業(yè)務(wù)，可以為鐵路關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障。

在安全性和可靠性上，5G-R也有巨大的提升。這對(duì)鐵路運(yùn)輸安全非常重要。

█ 5G-R和公網(wǎng)5G，有什么區(qū)別？

5G-R和公網(wǎng)5G的工作原理基本上是一樣。尤其是無線空口部分，基本上沒有區(qū)別。

5G-R的主要不同，集中體現(xiàn)在業(yè)務(wù)類型、組網(wǎng)方式和性能要求上。

業(yè)務(wù)類型前面已經(jīng)介紹過了，鐵路有自己很多的特殊業(yè)務(wù)。

在組網(wǎng)方式方面，5G-R沿鐵路線進(jìn)行部署，無線接入網(wǎng)更多采用鏈狀組網(wǎng)。

核心網(wǎng)側(cè)，需要與鐵路部門的生產(chǎn)方式、組織方式相匹配，進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M網(wǎng)改造。

下面這張圖，是5G-R的一個(gè)組網(wǎng)架構(gòu)示意：

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參考來源：鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)研究，鮮棗課堂做了修改

除了傳統(tǒng)公網(wǎng)5G所包含的控制面網(wǎng)元（AMF、SMF、UDM等）和媒體面網(wǎng)元（UPF）之外，我們可以看到一些5G-R專用設(shè)備，例如鐵路寬帶集群通信（MCX，Mission Critical X-Service，關(guān)鍵業(yè)務(wù)）設(shè)備、5G智能網(wǎng)（5G-IN）、5G設(shè)備識(shí)別寄存器（5G-EIR）等。

這個(gè)MCX設(shè)備，通過它，5G-R可以與其他通信系統(tǒng)互聯(lián)，提供有線無線融合的調(diào)度通信業(yè)務(wù)。還可以實(shí)現(xiàn)與鐵路固定電話網(wǎng)互聯(lián)互通，滿足公務(wù)通信需求。

█ 5G-R標(biāo)準(zhǔn)由誰負(fù)責(zé)制定？

5G-R基于5G（IMT-2020），而5G的標(biāo)準(zhǔn)制定當(dāng)然是大名鼎鼎的標(biāo)準(zhǔn)化組織——3GPP（第三代合作伙伴項(xiàng)目）負(fù)責(zé)。

目前，5G已經(jīng)經(jīng)歷了3GPP R15-R17階段。R18也即將凍結(jié)，它將開啟5G-Advanced（5.5G）時(shí)代。

國際上另外一個(gè)專門負(fù)責(zé)鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)研究的組織，是前面提到的，參與制定GSM-R標(biāo)準(zhǔn)的UIC（國際鐵路聯(lián)盟）。

UIC的目標(biāo)，是在2025年推出基于R17版本的第1版FRMCS，在鐵路試點(diǎn)應(yīng)用。

國內(nèi)在5G-R標(biāo)準(zhǔn)體系方面也做了大量的工作。

國鐵集團(tuán)在2015年成立了NGCR（下一代無線電通信工作組），設(shè)頻譜、標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)、行業(yè)、測(cè)試5個(gè)分工作組。

2020年8月，國鐵集團(tuán)發(fā)布《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，明確提出：

“加強(qiáng)5G通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和應(yīng)用，豐富應(yīng)用場(chǎng)景，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，統(tǒng)籌推進(jìn)鐵路新一代移動(dòng)通信專網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建泛在先進(jìn)、安全高效的現(xiàn)代鐵路信息基礎(chǔ)設(shè)施體系”。

后來，國鐵集團(tuán)先后印發(fā)《國鐵集團(tuán)關(guān)于加快推進(jìn)5G技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實(shí)施意見》、《鐵路5G技術(shù)應(yīng)用科技攻關(guān)三年行動(dòng)計(jì)劃》，積極部署5G-R應(yīng)用，以及技術(shù)研究。

根據(jù)行業(yè)的初步預(yù)測(cè)，2025年將實(shí)現(xiàn)5G-R和GSM-R的并行發(fā)展。2030年實(shí)現(xiàn)5G-R對(duì)GSM-R的替代。基于900MHz頻段的5G-R研究，也已經(jīng)在啟動(dòng)推進(jìn)之中。