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到底什么是5G-R?

发布时间:2023-10-20 浏览次数:667

什么是5G-R?

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

在批复中,5G-R被称为“基于5G技术的铁路新一代移动通信系统”。其实,简单来说,5G-R就是用于铁路运输行业的5G技术。

有的读者可能会问:5G-R是不是给铁路乘客上网用的?

答案是:No。

      5G-R属于专网(Private Network)通信系统。它是国铁集团的专用5G网络,专门用于满足铁路通信运营和管理需求,是铁路内部使用的。而乘客上网,连接的主要是移动、电信、联通等运营商的公网(Public Network)通信系统。

这两种系统完全独立和隔离,终端也不能混用。

正因为如此,5G-R才需要单独申请频谱,进行网络建设。

国内5G-R的工作频段是2100MHz。具体来说,上行1965~1975MHz,下行2155~2165MHz,各10MHz,采用FDD制式。

█ 铁路专网通信,有哪些应用场景?

        铁路交通运输,是典型的移动通信场景,对无线通信技术的需求非常强烈。

不管是高铁,还是普速列车(绿皮车),不管是客运列车,还是货运列车,都需要随时保持与车站的紧密联系,这是铁路安全运行的基本前提。

归纳来看,铁路专网无线通信包括以下几种应用场景:

1、正线车地通信

        所有铁路正线经过的地方,都需要进行信号覆盖。这属于典型的广域覆盖场景。

列车运行过程中,主要用到的通信系统和业务包括:列车运行控制系统(CTCS/ETCS)、重载组合列车的机车同步控制和调度通信、列车进路预告、调度命令信息等。

这些都关系到列车的正常运行,对安全性和可靠性要求极高,偏uRLLC(高可靠低时延通信)场景。因为列车高速行驶(尤其是高铁),所以通信系统也必须具备高速适应性,时速350km也能够保证一定的通信能力。

        大家可能潜意识会认为铁路专网会有极高的时延需求,但实际上,像列车运行控制系统,铁路规范给出的要求只有150ms,并不难实现。

除了车地之外,现在车车(T2T)通信也有需求,主要应用于防撞系统。

2、铁路站场、枢纽

        铁路客运车站、货运编组站、机务段、车辆段、动车所等区域,也是通信需求较为密集的场所,属于热点覆盖区域。主要业务包括:平面调车、调车监控、编组站自动化、客站服务、车载数据下载、站场物联网、站场维护作业等。

这里的人员、车辆和设备较多,对通信带宽和容量有一定的要求(终端的空间移动速率较低,没有高速适应性要求),偏eMBB(增强移动宽带)场景。

3、铁路沿线基础设施

         除了列车之外,铁路沿线的基础设施,也有通信需求。

例如,铁路沿线电务、工务等专业基础设施设备(桥梁、隧道、接触网、铁塔等,目前重要的线路信号等设备还是有线通信为主)。

        这几年,铁路沿线洪水、山体滑坡等自然灾害频发。为了监测灾害,铁路部门设置了很多监测物联网节点,也有通信需求。这些监测节点连接数量大,带宽要求小,偏mMTC(海量机器通信)场景。

4、车辆内部通信场景

           主要指动车组等高速客运车辆,业务包括:列车定位、自动驾驶、移动装备状态检测、智能诊断等。列车内外的监测系统比较多,例如6A(机车车载安全防护系统,包含:机车的制动系统、防火、高压绝缘、列车供电、走行部、视频)和6C(供电安全检测监测系统)。它们是掌握列车运行状态的重要手段。其它铁路通信会用到的场景还包括:事故救援(话音和多媒体集群)、移动运维(数据、话音和多媒体集群)、LBS(基于位置的服务,如人员定位和列车定位等)和高铁Wi-Fi。

         高铁Wi-Fi现在比较热门。数字时代,旅客对高铁上网的需求比较大。公网运营商信号覆盖有好有坏,国铁集团也在研究和部署高铁Wi-Fi等,寻找商业机会。国铁集团还联合吉利、腾讯专门成立了国铁吉讯,推动高铁Wi-Fi平台的建设。

█ 什么是GSM-R?

          说到5G-R,就肯定会提到它的前任——GSM-R

顾名思义,GSM-R是基于GSM技术,专门为铁路行业设计的无线通信系统。

上世纪90年代初,GSM标准刚刚确立的时候,西门子公司就开始酝酿和起草GSM-R技术标准。

后来,国际铁路联盟(UIC,International Union of Railways)和欧洲电信标准协会(ETSI)合作,针对欧洲铁路系统,共同推出了最终版的GSM-R标准。

与传统GSM标准相比,GSM-R主要增加了铁路专用调度通信的相关功能。

           目前,我们国家主要使用的铁路专网通信技术,就包括GSM-R。

新中国成立后,铁路系统开始使用列车无线调度电话和站内无线电话,采用工作频率为2MHz和40MHz的电子管设备。

         进入70年代,我们逐渐开始转向150MHz和450MHz频段的晶体管设备。

再后来,铁路专用的无线电频率,就定在450MHz频段,用于列车无线调度通信、站场平面调车、客货运输及养护维修等对讲通信业务。90年代GSM-R在欧洲出现之后,我们国家也及时进行了学习和引进。

         2004年,为满足高速铁路发展CTCS-3级列车运行控制系统的需要,铁道部正式采用GSM-R标准,作为我国新一代铁路无线通信国家标准。

值得一提的是,我国是亚洲第一个发展GSM-R的国家。国内第一条应用GSM-R的铁路,是著名的青藏铁路。

         国内的GSM-R,采用的是900MHz“黄金频段”(从中国移动那边“要”来的),上行885-889MHz,下行930-934MHz,2×4MHz带宽,最大覆盖距离可达6~9km。

          从2008年起,新(改)建铁路几乎全部采用GSM-R作为专用无线通信系统。

从2012年起,工信部停止核准基于450MHz频段的模拟制式无线列调系统。因为该系统抗干扰能力差、语音质量低、业务有限。

         在那之后,厦深高铁、广深港高铁、青藏线、大秦线、胶济线、武广线、郑西线、石太线、合宁线、合武线、京津城际线、京沪高铁等国内重要铁路线路,都采用了GSM-R技术,实现了数字化、网络化升级。

截至2021年底,国内GSM-R覆盖线路里程(含在建)达到8.9万公里,用户数超过35万。

█ 有了GSM-R,为什么还要搞5G-R?

          当然是因为5G-R更先进。

时至今日,基于2G技术构建的GSM-R标准,早已无法满足现代铁路的发展需求。

GSM-R以语音业务为主,频率效率低,窄带数据带宽最多只有100多KB,难以承载铁路数字化改造后的通信大带宽需求。

          几年前,国内曾经提出基于LTE-R(4G)建设铁路无线专网,但测试了一段时间后,没有大规模商用。如今看来,国家就是打算一步到位,跳过LTE-R,直接上5G-R。

5G-R基于5G技术,具备超大带宽、超低时延、海量连接的特点,网络性能几乎碾压GSM-R。

在网络能力上,5G-R支持网络切片、边缘计算等业务,可以为铁路关键业务提供服务质量保障。

在安全性和可靠性上,5G-R也有巨大的提升。这对铁路运输安全非常重要。

█ 5G-R和公网5G,有什么区别?

        5G-R和公网5G的工作原理基本上是一样。尤其是无线空口部分,基本上没有区别。

5G-R的主要不同,集中体现在业务类型组网方式性能要求上。

业务类型前面已经介绍过了,铁路有自己很多的特殊业务。

在组网方式方面,5G-R沿铁路线进行部署,无线接入网更多采用链状组网。

核心网侧,需要与铁路部门的生产方式、组织方式相匹配,进行适当的组网改造。

         除了传统公网5G所包含的控制面网元(AMF、SMF、UDM等)和媒体面网元(UPF)之外,我们可以看到一些5G-R专用设备,例如铁路宽带集群通信(MCX,Mission Critical X-Service,关键业务)设备、5G智能网(5G-IN)、5G设备识别寄存器(5G-EIR)等。

这个MCX设备,通过它,5G-R可以与其他通信系统互联,提供有线无线融合的调度通信业务。还可以实现与铁路固定电话网互联互通,满足公务通信需求。

█ 5G-R标准由谁负责制定?

         5G-R基于5G(IMT-2020),而5G的标准制定当然是大名鼎鼎的标准化组织——3GPP(第三代合作伙伴项目)负责。

         目前,5G已经经历了3GPP R15-R17阶段。R18也即将冻结,它将开启5G-Advanced(5.5G)时代。

         国际上另外一个专门负责铁路通信标准研究的组织,是前面提到的,参与制定GSM-R标准的UIC(国际铁路联盟)。2012年,UIC联合ETSI、3GPP,启动了FRMCS(Future Railway Mobile Communication System,未来铁路移动通信系统)项目。2016年,UIC将5G纳入FRMCS的研究范围。UIC的目标,是在2025年推出基于R17版本的第1版FRMCS,在铁路试点应用。 国内在5G-R标准体系方面也做了大量的工作。国铁集团在2015年成立了NGCR(下一代无线电通信工作组),设频谱、标准、服务、行业、测试5个分工作组。

        2020年8月,国铁集团发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》,明确提出: “加强5G通信网络、大数据、区块链、物联网等新型基础设施的建设和应用,丰富应用场景,延伸产业链条,统筹推进铁路新一代移动通信专网建设,构建泛在先进、安全高效的现代铁路信息基础设施体系”。

         后来,国铁集团先后印发《国铁集团关于加快推进5G技术铁路应用发展的实施意见》、《铁路5G技术应用科技攻关三年行动计划》,积极部署5G-R应用,以及技术研究。

根据行业的初步预测,2025年将实现5G-R和GSM-R的并行发展。2030年实现5G-R对GSM-R的替代。基于900MHz频段的5G-R研究,也已经在启动推进之中。

█ 这次批复试验频率,有什么意义?

        确定无线电工作频率,是发展一项无线通信技术的重要前提条件。

确定了频谱,产业界进行技术研究就有了目标,对于这项技术,也会更有信心。这有利于产业链的迅速成熟,也有利于激发科技自主创新。

        有了试验频率,国铁集团可以进一步推动相关科研课题和现场试验,验证5G-R频率方案的可行性,以及与邻频段相关系统的兼容共存。在核心网、承载网和接入网设备方面,在终端和模组方面,相关工作也可以大跨步向前推进。

█ 结语

        高铁是我们的国家名片,5G也是。 工信部适时批复试验频谱,显示出我们国家大力推动铁路数字化建设的决心。结合去年工信部给中国商飞颁发第一张企业5G专网频率的新闻,我们也可以看出,国家对专网通信的支持力度在加大。

      专网是支撑企业数字化转型的一个重要底座。授予专属频谱,对于专网发展极为有利。

未来,国家是否会给专网通信划分更多频率资源,以此促进数字化转型的全面推进,让我们拭目以待!