通信行业：华为下一代铁路移动通信系统白皮书（2023）

华为下一代铁路移动通信系统 白皮书 (2023) 华为下一代铁路移动通信系统白皮书（2023）.indd12023/9/2820:02:15 华为下一代铁路移动通信系统白皮书（2023）.indd22023/9/2820:02:16 CONTENTS 目录 1.铁路无线通信的现状与趋势01 1.1铁路无线通信发展现状 ......................................... .............01 2.1铁路无线通信系统发展趋势 ................................... .............02 2.1无线通信技术现状 ............................................... .............03 2.1小结 ................................................................ .............03 3.总体技术分析 3.1FRMCS网络服务分析 ............................................ 04 .............04 3.2FRMCS无线制式和频率选择 ................................... .............05 3.2TDD制式分析 ..................................................... .............06 4.FRMCS网络架构分析07 4.2FRMCS无线网络架构 ........................................... .............07 4.2无线冗余组网方案 ............................................... .............08 4.2无线场景设计 ..................................................... .............08 5.FRMCS无线网络关键技术 5.1大功率终端提升FRMCS无线网络覆盖 ....................... 10 .............10 5.2多阵列智能天线提升FRMCS无线网络覆盖和容量 ......... .............11 5.2频偏预估和共小区技术保障高速列车稳定通信 ............. .............12 5.2冗余方案提升FRMCS无线网络可靠性 ........................ .............13 5.24G/5G融合网络保障业务平滑演进和长期稳定运行 ........ .............13 6.产品及商用解决方案14 6.结论16 华为下一代铁路移动通信系统白皮书（2023）.indd32023/9/2820:02:16 2023/9/2820:02:17 前言 上个世纪90年代，在国际铁路联盟（UIC）的倡导和引领下，全球移动通信系统（GSM）被引入铁路行业，并形成了GSM-R铁路移动通信系统标准，GSM-R被广泛采用，并一直沿用至今。然而，基于GSM-R的铁路移动通信系统已不能满足未来数字铁路诉求，同时GSM逐步退网，其产业链也在加速收缩，这给全球GSM-R存量线路的维护、运营以及演进造成诸多困难。GSM-R属于窄带通信，业务承载能力有限，在铁路大站、枢纽地区及并线区域，已经出现容量受限问题；同时，由于系统内部同频、邻频干扰等问题，网络规划难度也不断加大。预计到2030年左右，设备商将终止GSM-R产品及技术支持。 PREFACE 当前，随着铁路行业数字化发展，数字铁路对更高安全、更高性能、高效运维、更好业务体验提出了新的诉求。而在消费者领域，移动通信系统已发展到第四代（4G/LTE）和第五代（5G），形成非常成熟的产业链，并在全球大规模商业部署。相比之下，行业均认同铁路移动通信系统亟待升级换代。 为了应对铁路移动通信系统升级换代的迫切需求，UIC于2012年启动未来铁路移动通信系统（FRMCS）计划，为了更好地支撑列控、列调、旅客信息系统等多业务，也进一步将建议频谱从900MHz扩展到1.9GHz（1900MHz-1910MHz）。铁路行业可以依托3GPPLTE成熟的标准、频谱、生态、产品和解决方案，实现快速商用部署。基于产业链生态及频谱现状分析，业界普遍认为1.9GHz的终端生态较完善，频谱干扰较小，是现阶段FRMCS商用部署的优先选择。 根据UIC最新计划，欧盟各国铁路将于2025年底前验证和分阶段引入基于FRMCS的未来铁路移动通信系统，通过更成熟、可快速灵活部署的无线宽带网络满足铁路数字化发展的需求，FRMCS系统将和GSM-R系统并行工作，以便在2030年左右实现向5G的平稳过渡。考虑到FRMCS5G标准尚未冻结，LTE网络是优先选择。LTE网络支持平滑升级到5G，使能FRMCS方案面向未来持续演进，在保护客户投资前提下满足商用部署需求。 本白皮书探讨FRMCS系统在无线技术选型、无线频率选择、网络部署方案等方面内容，并提出了相关建议，期望能为FRMCS下一代铁路无线网络的规划和建设提供技术借鉴和参考。 华为下一代铁路移动通信系统白皮书（2023）.indd1 华为下一代铁路移动通信系统白皮书（2023）.indd22023/9/2820:02:17 铁路无线通信的现状与趋势 1.1 铁路无线通信发展现状 1.铁路无线通信的现状与趋势 1994年，GSM被UIC选定为车地无线通信系统。GSM-R源自欧洲综合铁路无线电增强网络（EIRNEN），由 ETSI标准化和增强。其频段876-880兆赫（列车到地面）和921-925兆赫（地面到列车）由欧洲联盟（欧盟）分配。 欧盟从1997年开始部署GSM-R网络，目前已部署GSM-R铁路线10万多公里。中国也从21世纪初引入GSM-R技术，并部署了超过6.5万公里的GSM-R铁路线。这些可靠、安全、成熟的商业网络见证了GSM-R20多年的成功。 然而，作为定制的铁路GSM系统，GSM-R生态系统受电信行业生命周期的强影响。经过了20多年的发展，GSM产业已经进入生命周期末期，全球各国主流运营商已开始逐步停止GSM网络建设，并启动GSM退网。可以预见，基于GSM技术制式的GSM-R也即将面临产业生命周期到期的局面。 此外，GSM-R只有5.6MHz带宽，且频点须错开部署，业务承载能力有限，仅能满足最基本的语音列调和列控业务传输要求，没有额外业务的容量，无法灵活部署如铁路多媒体调度通信、铁路基础设施智能管理、轨旁物联网、预测维护、客运业务信息传输等增值业务。 虽然2013年欧洲和中国引入了基于IP的GPRS，进一步扩大GSM-R的数据容量，但由于两个根本原因，GPRS关键业务没有成功商用。首先，GPRS“尽力而为”的数据承载能力不能保证铁路行业的高QoS要求。其次，窄带本身也限制了GPRS的使用。因此，GPRS的应用场景仅限于非安全、不连续、小数据包业务。同时，基于移动闭塞的新型列车控制系统也对车地无线通信系统的带宽提出了更高的要求。 综上所述，铁路行业亟需新的宽带无线通信系统满足激增的应用需求。 铁路无线通信的现状与趋势 1.2 铁路无线通信系统发展趋势 随着铁路信息技术的发展，多媒体调度通信、基于移动闭塞的列控系统、列车车况实时监测、智能运维、铁路物联网等各种新业务需求不断涌现，GSM-R的带宽与时延逐渐无法满足需求。 2012年，UIC成立FRMCS项目组，启动下一代铁路移动通信系统研究。FRMCS项目成立了三个工作组。功能工作组负责制定用户需求和功能需求。架构与技术工作组负责制定系统需求和技术方案。频率工作组负责研究FRMCS的频率相关主题。 2019年，UIC发布了FRMCS用户需求规范（UGS）v4.0.0。功能需求规范（FRSv0.5.0）和系统需求规范（SRSv0.5.0）的第一个完整版本已发布。2023年第一季度，UIC发布了TOBAFRSv1.0.0和FRMCSSRSv1.0.0。同时，UIC也计划在2024年第一季度发布FRMCSv2.0。 由于FRMCS使用3GPP技术，FRMCS的基本要求也将纳入3GPP。2016年，ETSI和3GPP启动铁路业务需求与已完成的Rel-14规范的差距分析。并从Rel-15开始，结合铁路业务需求对基于LTE的关键业务进行了进一步补充和完善。 FRMCS的架构也利于铁路业务的发展。与GSM-R不同，FRMCS采用三层架构，由应用层、业务层和传输层组成，每个层都与其他层解耦，这给每层的业务升级或扩容带来更高的灵活性。新架构有效促进了铁路应用的扩展（如管理可视化、预测维护、入侵报警、精确定位、数字地图、灾难报警等）。 对于FRMCS的频率选择，作为UIC的成员，欧盟铁路组织拥有庞大的互联铁路网，他们对FRMCS可能使用的频段进行了大量研究。根据欧盟委员会下属的无线频率委员会（RSC）发布的决议，在目前GSM-R的2×4MHz频率资源的基础上，将FRMCS频率扩展为2×5.6MHz（874.4-880/919.4-925MHz）。同时使用1900-1910MHz的10MHz频段作为900MHz频段的补充。 •在2022年1月1日之前，成员国应指定并在非排他性基础上提供铁路移动无线电的配对频段874,4-880,0MHz和919,4-925,0MHz •欧盟成员国最迟应在2025年1月1日之前，根据国家需求，指定并在非排他性的基础上提供铁路移动无线电的非配对频段1900-1910MHz （委员会执行决定（欧盟）2021/17302021年9月28日) 铁路无线通信的现状与趋势 1.3 无线通信技术现状 无线通信技术在过去几十年中发展迅速。LTE作为主流技术，已经被全球电信运营商商业化，并取得了巨大成功。根据GSMA报告，到2023年LTE网络连接的百分比接近60%。 LTE作为一项3GPP成熟的移动通信技术，在部分区域的轨道交通领域已有广泛商用实践（包括韩国火车快线、中国重载铁路、中国城市轨道交通、法国城市轨道交通）。以中国为例，LTE规模承载了城轨最核心的列控和列调业务，为中国城轨行业的高速发展奠定了坚实的车地无线通信基础。也正是由于LTE在轨道交通行业的规模应用，奠定了LTE在轨道交通行业坚实的生态基础。同时，最新的无线通信技术已经完全实现了4G和5G共软硬件平台，使得4GLTE向5G的平滑演进成为可能。 5G作为4G的后续演进技术，也进入了部署阶段并逐步投入商用。5G引入了C波段和mmWave波段等频段，大大扩展了可选择的频率范围。未来，它还将为FRMCS网络提供端到端的铁路移动通信能力。 1.4 小结 综合看来，基于移动通信2G技术的GSM-R已经无法满足铁路无线通信系统的发展要求。而基于4G/5G通用软硬件技术的FRMCS将是铁路车地无线网络发展的方向。得益于4G/5G通用的软硬件模块，也可以实现未来的长期平滑演进，最大限度保护铁路运营商的投资。 总体技术分析 2.1 FRMCS网络服务分析 2.总体技术分析 FRMCS旨在建设数字化、智能、高效的铁路通信网络。相比传统GSM-R承载的TCS列控和语音列调外， FRMCS网络在承载业务上有如下创新应用： 01.列车自动运行(ATO) ATO系统主要用于实现“地对车控制”，即用地面信息实现对列车驱动、制动的控制，根据控制中心指令完成对列车的启动、牵引、惰行和制动，送出车门和屏蔽门同步开关信号，使列车按最佳工况正点、安全、平稳运行