未来铁路移动通信系统

未来的铁路移动通信系统 明天的铁路高级连接今天开始 CONTENTS 铁路数字化3什 么是FRMCS？ 4FRMCS的主要挑战是什么？ 6为什么现在?10 现在该怎么办？11 Conclusion12 铁路数字化 随着旧的机械系统被高度互连的数字替代品所取代，铁路的数字化正在增加。这样的系统将需要 高带宽通信、面向服务的架构和安全关键的云基础设施，以减少路旁基础设施，并允许铁路运营商以敏捷的方式提供创新服务。 先进的连接是数字化的基础，数字化将实现更可持续的智能交通。这种先进的连接将实现先进的分析、人工智能(AI)和 机器学习(ML)将支持创新的解决方案、服务和应用程序。这将提供运营、性能和业务用例。 当前正在部署的服务的一个示例是欧洲铁路交通管理系统（ERTMS），该系统需要在火车和轨道之间进行数据传输，作为欧洲火车控制系统（ETCS）和自动列车运行（ATO ）的一部分。数据传输 当前基于全球移动通信系统（GSM-R），该系统需要广泛的网络升级以包括GSM（GPRS-通用分组无线电服务 ）的分组数据功能。但是，GSM-R基于2G GSM-R尽管是铁路运营的一项成功技术，但仍存在局限性 。 传统连接技术的挑战 第二代技术： GSM是在大约30年前开发的,其主要目的是提供电路交换语音和低速电路交换数据服务。 后来通过引入GPRS来增强GSM以提供分组数据能力(共享信道),随后引入EGPRS(增强GPRS)以提高数据速率。 窄数据管道: GSM为数据通信提供了非常有限的管道，比最新一代的管道少约4-6个数量级。 接近过时: GSM-R供应商已承诺在2030年之前以及此后的合同基础上支持该系统，这可能会使维护成本更高。 这些限制将不允许部署更高级别的ETCS和ATO，也不 全数字化铁路所必需的许多其他服务。这要求铁路行业用更先进的连接网络取代GSM-R。 因此，铁路希望在未来铁路移动通信系统（FRMCS ）标准下直接跃升至5G。 未来铁路移动通信系统3 补充服务 控制平面 用 运输地层 通信服务 户平面 服务层 铁路应用地层 什么是FRMCS？ FRMCS由国际铁路联盟（UIC）设计，正在与铁路部门的利益相关者密切合作开发 。FRMCS旨在成为全球标准，符合欧洲法规，并响应欧洲以外铁路组织的需求和义务。 FRMCS设计基于铁路应用层，服务层和运输层之间的清晰分离。FRMCS网络架构旨在为敏捷引入服务提供软件驱动平台。FRMCS系统的传输层将主要基于5G技术，其网络架构从根本上重新设计为开放和可访问。它允许通过云原生和软件驱动的网络功能快速 、安全且经济高效地创建、部署和升级功能。 FRMCS为铁路数字化提供了先进的连接和面向未来的技术，旨在在未来7-10年内取代GSM-R。但这将不是一件容易的事。技术挑战是巨大的，包括在 共存期，网络类型部署-私有或共享-以及新的安全威胁。 未来铁路移动通信系统4 FRMCS的好处Business FRMCS将有助于提供服务和应用程序，使多个利益相关者受益，包括 基础设施经理(IM)、供应商、货运客户、乘客，最终是经济 。FRMCS对于解决具有战略重要性的未来铁路系统要素至关重要，例如减少轨旁资产以通过提供可靠，普遍的连接来降低成本。这些好处已经影响了航空和公路等其他运输系统，其中更现代的技术为各种运营活动提供了更强大的连通性。 对于铁路IMs，FRMCS实现了可扩展的未来- proofinfrastructurethatwillenableahostofusecases,likeintelligenttrafficmanagement,intelligentinfrastructure,automatedshunching,andconnectedworkers.Therealizationofsuchusecasesiscrucialintherailwayindustry,becauseitisanintensideredasset-bas 技术将使它更有生产力和 降低资本和运营成本。 乘客 车站服务 连通性 数字 (ET 已连接劳动力 数字铁路 基础设施监控 资产管理关联资产 资产管理关联资产 数字火车 信号 CS/ATO) 未来铁路移动通信系统5 FRMCS的主要挑战是什么？ FRMCS是复杂的，就像在铁路系统 铁路是重要的国家基础设施。他们拥有复杂的系统，以确保列车的安全运行并监控基础设施的性能。替换现有系统和/或引入新系统和服务并不容易。由于广泛的测试，验证和严格的安全要求，它们需要相当长的时间。此外，FRMCS的5G传输层组件提供了一系列技术。 5G架构独有的挑战。尽管5G在公共陆地移动网络中广泛部署，但许多方面 5G仍未测试。此外，FRMCS具有自己的特性和功能，例如关键任务服务和承载灵活性。最具挑战性的三个方面是承载灵活性、双重操作和安全性，它们面临着共同的重叠挑战。 铁路应用地层服务地运输地层 FSSI 应用程序 SIP-1(Gm) 板载/手持侧基础设施侧 FRMCS服务服务器 共同服务核心 TSFS 层 FSSIFSSI SIP-1(Gm) SIP- FSSISIP-1 (Gm) 0BAPP 1 (Gm) 0BRAD N5N6 路旁运输 N1 N6 3GPPUE （移动收音机） 3GPP 接入(5GNR) FRMCS 移动网关 5G核心 非3GPPUE (移动 N1 非3GPP 接入(WiFi 、卫星) N6 MC服务UE(FRMCS 服务客户端) 0BAPP 访问权 核心 MC服务UE(FRMCS 服务客户端) 0BRAD 收音机) FRMCS移动应用程序客户端 MC服务UE(FRMCS 服务客户端) MC服务UE(FRMCS服 务客户端) FRMCS移动应用程序客户端 MC服务服务器 IMS/SIP核心 应用程序 应用程序 应用程序 未来铁路移动通信系统6 FRMCS无线电(900/ 1900MHz) 卫星Ka频段 FRMCS 移动网关 Wi-Fi <6GHz Wi-Fi60GHz MNO 4G/5G中频段 多频段MIMO天线 多频段MIMO天线(定制设计) 卫星L波段 全向天线 多频段MIMO天线 多频段MIMO天线 FRMCS无线电(900/1900MHz) Critical ETCS/ATO 紧急呼叫操作呼叫 承载灵活性 FRMCS被设计为承载灵活的，这意味着任何技术，如Wi-Fi和卫星，除了5G ，都可以用作数据承载。这里的挑战是多方面的，从映射用例到合适的技术，再到确定什么 Critical 覆盖孔 Business 板载宽带 网络类型-私有，共享（不同的风格）或基础架构即服务（IaaS）-技术应映射到。这是复杂的,然而,这是非常有益的,并且将确定每种技术的端到端架构选项。此外，由于空间限制和EMC（电磁兼容性），板载架构和设备布置对于分析至关重要。 MNO 4G/5G低于1GHz 带跟踪机构的特殊天线 Critical 备份关键服务 业务-绩效 业务-绩效 旅客信息系统 实时闭路电视(站)列车耦合 尽早了解各种选择以及成本效益分析至关重要。这应该包括GSM-R升级背后的更坚实的计划，与供应商和服务提供商的接触以及概念验证。例如,IaaS网络部署可能是更具成本效益的选项。然而，挑战在于网络切片的未经证实的性质，这是5G的关键创新功能之一，在相同的物理基础设施上提供独立的逻辑信道-一种更具创新性的网络共享机制。这里的挑战是安全关键用例应该如何保持隔离和不受其他网络切片的影响。 未来铁路移动通信系统7 5G核心 NCX核心 传输系统 基站 频谱 Site 双重操作 IM-MNO 选件NSD-2：双 选项NSD-3：混合ESN 核心共享 IM MNO IM MNO IM MNO IM MNO IM 选项NSD-1：私人 IM IMIMIMIM IM 根据我们的分析，迁移阶段最关键的因素是无线接入网(RAN)部署类型、RAN设计和RAN规划，所有这些都主要受频谱可用性的影响。频谱可用性是迁移阶段的主要挑战，应解决该问题以创建可以实现FRMCS目标状态的公司网络部署升级策略。 频谱的可用性与前面提到的网络类型以及用例到FRMCS技术的映射紧密相关。当前900MHz的2x5.6MHzFDD（频分双工）用于GSM-R和潜在的10MHzTDD（时分双工 IM IM IM 选项NSD-4：混合ESNCoreRAN共享 IM-ESN IM-ESN Shared IMESN IM-ESN IMIM-ESN IM ） IM-ESNIM-ESN 选项NSD-5：混合 MNORAN共享 IM-MNO MNOShared IM-MNO IM-MNO IM MNO IM IM 在1900MHz下指定用于FRMCS，组合 对于未经许可和共享的接入频带，在确定最优接入频带方面构成了挑战 选件NSD-6：混合MNORAN所有权 MNORANCore所有权 IM-MNOSharedMNO IM-MNO IMMNO IM IM-MNO Shared MNO IM-MNO MNO IM 选件NSD-3：完全 MNO所有权 MNO Shared MNO MNO MNO MNO 选件NSD-7：混合 GSM-R共存和退役后的频谱分配。再次，对此的早期理解将影响迁移策略的许多方面。 未来铁路移动通信系统8 安全 尽管FRMCS将带来巨大的技术优势， 它引入了新的安全挑战，必须分析这些挑战，并与铁路行业实行的最低安全和安保标准保持一致。它应继续支持影响安全和列车性能的三项安全关键服务，即信号、列车检测和司机-信号语音通信。 FRMCS系统的不同层次存在特定的安全层，其中主要的是传输层。FRMCS传输层系统的安全框架要求与以前的GSM-R标准不同，例如网络功能之间的安全交互以及对基于软件的攻击的预防，检测和响应。 UIC的FRMCS系统安全框架提供了安全规范和相关用例的高级描述，以确保最终用户设备的安全性。但是，在主要围绕软件定义元素的传输层中引入虚拟化或云化将增加实施治理，风险和合规性的复杂性。 根据所选择的网络部署模型和FRMCS目标体系结构，在GSM-R到FRMCS的迁移过程中存在具有挑战性的安全威胁。分析基于5G的FRMCS网络和控件所面临的安全威胁尤为重要。重点应该是识别5G技术面临的已知安全威胁，以及对FRMCS架构中其他网络组件的威胁。根据威胁，可以确定和指定适当的控制和标准，这些控制和标准应考虑双重操作阶段，FRMCS目标体系结构以及所选网络部署。 铁路应用地层服务地层 应用程序 应用程序 FRMCS 服务客户端 运输地层 应用程序 板载身份验证 FRMCS移动应用程序客户端 路旁运输 运输级安全 FRMCS 服务客户端 FRMCS 移动网关 移动无线电 FRMCS移动应用程序客户端 FRMCS 服务客户端 FRMCS 服务服务器 应用程序级安全 应用程序 FRMCS 服务客户端 资料来源:ETSITR103459：FRMCS，系统架构研究，V1.21。2020年8月 未来铁路移动通信系统9 为什么现在? 时间很短 在FRMCS逐渐推出的同时，GSM-R运营不受影响，并且必须与GSM-R无缝互操作，这一点至关重要。因此，尽管时间窗口看似7-10年，但IM现在应该采取行动，建立一种有凝聚力的方法，以识别构建块，它们的相互关系以及它们应该如何计划实施。 随着FRMCS标准的发展，需要尽早明确如何在预算和时间范围内与GSM-R协调地设计，部署和管理这样的先进系统，同时满足大量（并且不断增长）的用例。 未来铁路移动通信系统10 早期部署对于降低成本至关重要 尽管供应商承诺在2030年及以后的合同基础上支持GSM-R，但FRMCS的早期部署将是降低运营铁路成本的关键因素