通信行业：铁路专网，无线系统迭代拐点将至

铁路专网：无线系统迭代拐点将至 西南证券研究发展中心通信研究团队2023年12月 目录 1铁路专网——铁路系统安全通信的基石 2铁路无线通信系统迭代时点将至，市场需求加速释放 3铁路系统壁垒高，关注核心供应商 2 铁路专用通信实现需求 1.1铁路专用通信系统：保障行车安全的重要设施 定义：铁路专用通信系统是保障行车安全和效率的重要基础设施。其能够提供行车调度指挥电话、公务联络电话、专用电话、电视电话会议、IP数据、视频监控、应急通信等通信业务。 分类：铁路专用通信系统网络可分为有线网络和无线网络。目前有线网络已经形成了以干线光纤为主体，包含了接入网、数据网、电话网、调度网、会议电视网等。无线通信网络包括了无线列车调度电话系统和无线调度命令传送系统等，其中，调度电话系统能够完成列车调度员、车站值班员和列车司机的通话，调度命令传送系统能够完成调度命令、行车凭证、调车作业通知单等命令的传输作用。 干、局线通信 区段通信 站场通信 无线专用通信 应急通信 列车通信 区段调度通信 区段专用电话 区段数据通信 1.列车无线调度 1.干线调度通信2.局线调度通信 3.干、局线电话会议4.干、局线会议电视 1.列车调度通信2.货运调度通信3.电力调度通信 4.其他调度通信 1.车务、公务、水电、供电等电话 2.桥隧守护电话3.道口电话4.区间电话 1.各类MIS信息通信 2.电力远动通信 3.红外线轴温检测通道4.信号控制信息通道5.其他控制信息通道 1.站内调度电话2.站场内部电话3.扳道电话4.客运广播5.客运信息系统6.站场扩音对讲 电话 2.列车无线防护 报警 3.站场无线电话 4.铁路数字移动通讯系统5.公安、公务对讲 6.道口无线报警 1.救援指挥系统电话 2.图像传输 3.数据传输 1.列车广播2.列车电话3.闭路电视4.旅客电话 5.列车安全告警系统 数据来源：北京交通大学，西南证券整理3 1.2我国铁路无线通信发展历程 我国铁路无线通信系统正在经历模拟到数字、2G到5G的技术升级。铁路专用移动通信系统的演进随着高铁的广泛部署和列车的提速，及时、可靠、高速地传输列车控制信号和高铁乘客信息变得至关重要，由于150MHz频段频率资源少、电气化区间干扰大，我国从20世纪90年代起逐步将150MHz设备过渡到450MHz，当前过渡已完成。目前通信系统正在从GSM-R向LTE-R、5G-R演进。 数据来源：立鼎产业研究院，西南证券整理4 1.3GSM-R是基于GSM技术的铁路通信系统 GSM-R是基于GSM技术开发的铁路综合数字移动通信系统。GSM-R基于GSMPhase2+，通过在铁路旁安装定向天线形成一条沿 着铁路线的无缝覆盖链。GSM-R工作频段为876MHz~880MHz（上行），921MHz~925MHz（下行），载波为200kHz。 GSM-R在铁路运输的智能化和信息化中起着重要的作用。它主要负责在有线通信不能实现的情况下，在信息的提供者和接收者之间提供信息传输的通道，这些信息包括语音和数据。GSM-R可以为无线列调、行车调度指挥、铁路运输安全和保障、列车运行控制等 几个方面提供信息传输通道，能够满足车-地、地-车、车-车之间的信息传输。 GSM-R业务系统模型 无线列调 基于位置的寻址 接入矩阵 功能寻址 功能号表示 列车运行安全与保障 行车调度指挥 面向铁路的应用 列车运行控制 铁路基本业务 VBS VGCS eMLPP GSM基础设施 集群通信 数据来源：《GSM-R数字移动通信系统及其应用》，西南证券整理5 1.4铁路无线通信是完成行车调度的重要方式 铁路调度系统是铁路无线通信的重要应用场景，能够对列车运行进行指挥调度。铁路列车调度指挥系统（TDCS）是实现铁路各级运输调度对列车运行实行透明指挥、实时调整、集中控制的现代化信息系统，由铁道部、铁路局TDCS中心局域网及车站基层网组成，是一个覆盖全路的现代化铁路运输调度指挥和控制系统。其中，列车调度电话是为列车调度员指挥列车运行而设置的专用电话，通过该系统列车调度员可向调度区内有关人员下达命令，并负责组织实现运输方案编组计划及列车运行图。与机车司机或列车长进行调度命令发布是列车调度的重要环节，因此铁路无线通信需要在铁路线上完全覆盖。 列车调度系统架构 列车调度电话应用场景 数据来源：中国通号，西南证券整理6 1.5列车无线信号收发通过机车综合无线通信设备完成 机车综合无线通信设备（CIR）是安装在机车上由司机使用的，用于火车司机与车站值班员、其他机车司机、调度员等进行语音通信和数据通信的设备，是基于GSM-R数字移动通信技术、GPS全球定位技术、450MHz模拟无线电台通信技术等开发的综合车载通信设备，包括语音、数据等业务，主要应用于客运专线或高速铁路。 CIR原理框图 数据来源：《GSM-R技术及机车综合无线通信设备的研究与设计》，西南证券整理7 目录 1铁路专网——铁路系统安全通信的基石 2铁路无线通信系统迭代时点将至，市场需求加速释放 3铁路系统壁垒高，关注核心供应商 8 2.15G技术基本成熟，5G-R升级趋势明确 GSM-R技术效用滞后，迭代需求日渐加深。目前，GSM-R仍是我国铁路主要使用的专用数字移动系统，但GSM-R已无法满足日益增长的铁路通讯需求。GSM-R作为第二代移动通信技术，属于窄频通讯系统，主要承载语音业务和少量数据业务，数据速率较低，使得在现有GSM-R平台上开拓各种新业务有其难度。因此，随着通信系统整体的发展，GSM-R系统未来如何向更高级的通信制式演进，备受铁路部门关注。 LTE-R是基于准4G技术的铁路专用通信技术，能够适应高速铁路的运营和业务需求，在时延、抗干扰、无线联通能力、安全性方面相较于GSM-R更具优势。 LTE-R 未来发展路径 2020年初，随着中央“新基建”的整体布局，逐渐打破了LTE-R的原有推进计划。各界认 为5G-R更有可能成为铁路通信系统的下一代标准。 5G-R 数据来源：立鼎产业研究院，西南证券整理9 2.15G-R性能具备优势，将成为下一代铁路移动通信系统 铁路通信系统更迭周期为10-20年，5G-R是技术迭代的更优选择。LTE-R虽然在国内已有数年研究，但却迟迟未进入大规模商用阶段。此外，从技术上看，LTE-R仍无法解决高速行进中无线通信的切换稳定性、空口时延等技术难题；5G-R基于5G技术，具备超大带宽、超低时延、海量连接的特点，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。 铁路5G专网系统架构 数据来源：立鼎产业研究院，西南证券整理10 GSM-R应用线路（不完全统计） 2.2当前铁路无线调度系统和GSM-R通信系统并存 铁路系统现行5大频段，调度通信频段主要为450MHz以及GSM-R。据国家铁路局，国家铁路通信频率包括(一）用于列车调度、站场调车、专用通信等业务的150、400、450MHz频段铁路通信频率；（二）2MHz频段工务施工和道口防护频率；（三）2.4GHz铁路战备通信、应急通信使用频率；（四）铁路GSM－R系统使用频率（900MHz）；（五）800MHz列尾和列车安全预警系统使用频率；（六）需跨铁路局使用的其它频率。 GSM-R在新建线路得到广泛应用，150/400/450MHz设备具有成本优势。从2008年起，新（改）建线路普遍采用GSM-R通信系统，2023年，GSM-R覆盖线路里程预计将达到8.9万KM。相较于GSM-R，低频通信设备则更具成本优势，能够帮助铁路集团降本增效。我们认为，当前铁路调度通信系统将呈现普速（支线）低频，高速+部分普速（干线）高频的并存格局。 GSM-R应用线路 线路里程（km） 站点数量（个） 厦深高铁 514 22 广深港高铁 115 7 青藏线 829 85 大秦线 635 36 胶济线 384 36 京广线 2263 210 郑西线 523 10 石太线 243 36 合宁线 156 7 合武线 359 14 京津城际线 166 7 京沪高铁 1318 24 数据来源：铁路总局，西南证券整理11 相关环节供应商 2.2通信技术匹配线路等级，铁路无线迭代呈现两大趋势 趋势一：450MHz—>400MHz。但目前450MHz的模拟调度系统以超期使用，系统维护面临难题，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。工信部委托国家铁路局约定，原则上在2024年9月30日之后不再对450MHz铁路模拟通信系统频段作出频率使用许可，400MHz数字通信设备在普速支线、货运专线等场景具有成本优势，将承担450MHz升级任务。 趋势二：450MHz&GSM-R—>5G-R。在2008年之后的新改建线路大部分都采用的GSM-R，而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（部分重要普速线的通信技术要和线路等级相匹配，也有升级需求）。5G-R基于5G技术，在网络能力、安全性和可靠性方面具备优势，能够支撑铁路未来10-20年的专用无线通信需求。2023年10月9日，工信部正式批复铁路5G-R试验频率，5G-R升级进入加速期。 频段 环节 相关供应商（部分） 400MHz 基站系统 中国通号、海能达、佳讯飞鸿 用户终端 海能达、摩托罗拉 5G-R 基站系统 华为、中兴、信科移动、泰通科技 用户终端 佳讯飞鸿、中国软件 其他 三旺通信、东土科技、广哈通信、七一二、高新兴 铁路通信架构示意 数据来源：工信部，佳讯飞鸿，西南证券整理12 2.3网络平滑升级难度较大，通信软硬件升级需求多 450MHz升级400MHz方面，平滑升级难度较大。由于450MHz系统为模拟信号系统，而400MHz为数字信号系统，两类通信技术对于软件和硬件的需求差异较大，在基站和终端侧均需要较大比例的替换升级。 GSM-R向5G-R升级中，能够设备复用和平滑升级的部分较少。 •核心网：核心网能够实现部分应用支撑设备的复用。5G-R系统核心网包括5GC、MC设备及应用支撑设备。5GC采用服务化架构，基于云原生技术实现。MC设备是分组域网络新增设备，实现集群业务功能。因此采用传统的ATCA架构的GSM-R网络核心网设备，无法通过升级现有的设备实现5G核心网5GC、MC设备功能。而部分应用业务接口设备由于业务与系统解耦，部分接口设备可以兼容。 •接入网：无法实现平滑过渡。GSM-R和5G-R采用了不同的空中接口技术，物理层调制技术和接入访问层技术不同，且两种系统的带宽、帧结构也不相同，要进行不同制式接入网之间的协议转换难度较大。目前设备厂家5G-R基站采用全新的平台开发，无法实现GSM-R基站向5G-R的平滑过渡。 •终端：部分模块化系统能够通过添加通信模块完成升级，终端需要重新配置多模终端。列控系统的射频功能由车载综合无线传输设备实现，通过手动切换模块可实现跨网运行。终端，GSM-R和5G-R仅能在网络侧互联，不能实现跨网漫游，因此跨网工作的列车人员需要配置多模手持终端，非跨网人员配置单模终端即可。5G-R系统在车上新设车载综合无线传输平台(WTP)设备，各业务系统(ATP/ATO等列控业务除外)有车-地无线传输需求时，统一接入。 区别 5G-R语音调度通信 GSM-R语音调度通信 业务交换体制 全IP分组交换 电路交换 系统架构 调度业务功能与5G网络功能解耦，通过MCPTT系统提供语 音调度业务功能，5G网络提供移动通信功能 语音调度业务功能与GSM网络功能合一，语音调度业务功能和网络移动通信功能都由GSM网络提供 无线空口 OFDMA多址，256QAM调制，MIMO多天线 TDMA多址，GM