高速铁路通信系统从GSM-R到5GNR-R演进研究Research on the Evolution of High-Speed Railway Communication System from GSM-R to
5GNR-R
陈仕博(中铁电化集团北京电信研究试验中心有限公司，北京100036)
Chen Shi-bo(BEIJING TELECOM RESEARCH&TEST CENTER CO.,LTD.,Beijng100036)
摘要：高速铁路(HSR)提高了铁路服务的质量，提高了客户满意度，并有助于建立社会经济平衡的社会。这
种高效的运输方式在投资、技术、行业和环境方面都带来了重大挑战。为了处理不断增加的交通量，确保乘
客安全并提供实时多媒体信息，需要用于HSR的新通信系统。在过去的十年中，公共网络已经从以语音为
中心的第二代系统(例如功能有限的全球移动通信系统(GSM))发展到提供更高数据速率的第五代宽带系统
(例如第5代移动通信技术(5GNR))。因此，对于HSR而言，用具有更高容量和能力的下一代铁路专用通信
系统5GNR铁路(5GNR-R)替代当前的GSM铁路(GSM-R)技术非常重要。
关键词：高速铁路；通信系统；全球移动通信系统；GSM-R；5GNR-R
中图分类号：TN929.53文献标识码：A文章编号：1003-0107(2021)03-0034-04
Abstract:High-speed railway(HSR)improves the quality of railway services,improves customer satisfaction,
and helps build a society that is socially and economically balanced.This efficient mode of transportation has
brought major challenges in terms of investment,technology,industry,and the environment.In order to handle
the ever-increasing traffic volume,ensure passenger safety and provide real-time multimedia information,a
new communication system for HSR is required.In the past decade,public networks have evolved from voice
-centric second-generation systems(such as the Global System for Mobile Communications(GSM)with
limited functions)to fifth-generation broadband systems that provide higher data rates(such as the5th
generation).Generation mobile communication technology(5GNR)).Therefore,it is very important for HSR to
迪莫怎么得replace the current GSM railway(GSM-R)technology with5GNR railway(5GNR-R),a next-generation railway
dedicated communication system with higher capacity and capabilities.
Key words:high-speed railway;communication system;global system for mobile communication;GSM-R;
5GNR-R
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CLC number:TN929.53Document code:A Article ID：1003-0107(2021)03-0034-04
0引言
随着高铁的快速发展，可靠的宽带通信系统对于列车控制和安全相关通信等不同的高铁组件至关重要[1]。自2014年以来，国际铁路联盟(UIC)的一个项目未来铁路移动通信系统(FRMCS)，已开始评估和塑造高铁移动通信的未来，并确定合适的项目[2]。当前使用的GSM铁路(GSM-R)淘汰后，可以使用的候选技术。高速铁路(HSR)应用程序对服务质量(QoS)措施有严格的要求，例如数据速率、传输延迟和误码率(BER)[3]。由于这些因素以及对使用成熟和低成本技术的需求，HSR通信通常使用现成的技术并添加应用程序以满足特定的服务和需求[4]。GSM-R是一个成功的例子，它基于GSM标准并且
作者简介院陈仕博(1990-)，男，北京，本科，工程师，主要从事铁路通信系统检测工作。
中国的诺贝尔奖电子质量2021年第03期(总第408期)
在全世界超过70000公里的铁路线上使用[5]。随着公共通信市场朝着第五代合作伙伴计划的方向发展，GSM 通信系统正在退役。因此，GSM-R的使用寿命也可以预见。因此，需要一种新的系统来满足HSR的运营需求并具有与第5代移动通信技术(5GNR)一致的能力，提供新的服务仍会与GSM-R长期共存。为HSR选择合适的无线通信系统需要考虑诸如性能、服务属性、频段和工业支持等问题。与第
四代(4G)系统相比，5GNR具有简单的扁平架构，高数据速率和低延迟，使其成为实时HSR应用公认的可接受载体。考虑到5GNR的性能和成熟度，5GNR铁路(5GNR-R)可能会成为下一代HSR通信系统，因此HSR无线技术的未来发展将取决于它。
1GSM-R在高速铁路通信系统中发展的局限性尽管GSM-R的普及程度仍在增长，但是来自公共网络的干扰不断增加，这阻碍了GSM-R的使用，而分配的射频限制了它的容量。以下总结了一些限制。干扰：GSM-R与其他公共网络之间的干扰会增加，因为铁路和公共运营商都希望在铁轨上有良好的覆盖范围。铁路和公共运营商没有合作进行网络规划，而是争取覆盖范围。大信号阻塞等干扰可能导致语音和数据通信严重受损，并在数百米的轨道上造成网络丢失。从理论上讲，如果公共运营商在靠近铁轨的区域不使用与GSM-R相邻的频带，则可以避免这种大信号阻塞干扰。但是，这在实践中不能很好地实现。将来由于GSM-R网络部署的增长以及公共网络的潜在增长，大信号阻塞干扰可能会增加。容量：GSM-R的4MHz带宽可支持19个200kHz 宽度的信道[6]。这对于语音通信就足够了，因为语音呼叫受到时间的限制并且不会连续占用资源。但是，对于下一代的铁路系统来说，当前的容量是不足的，在下一代的铁路系统中，每列火车都需要与铁路无线闭塞中心(RBC)建立连续的数据连接，并且每个RBC连接都需要不断占用一个时隙。可以通过使用更多频谱资源来增加无线电容量。能力：作为窄带系统，GSM-R无法提供高级服务并不能适应新的要求。每个连接的GSM-R的最大传输速率为9.6kb/s，仅适用于要求较低的应用[7]。消息延迟在400ms范围内，太高而无法支持任何实时应用程序和紧急通信。HSR的未来服务(例如实时监控)要求宽带系统具有更高的数据速率和较短的延迟。
由于以上限制，GSM-R必须最终发展以消除所揭示的缺点。出于以下原因，可能基于5GNR标准的5GNR-R将来有可能取代GSM-R。1)5GNR在容量和功能方面比GSM具有许多优势。2)作为完全基于分组交换的网络，5GNR更适合于数据通信。3)5GNR提供了更有效的网络架构，因此减少了分组延迟，这是HSR的关键要求之一。4)5GNR具有高吞吐量的无线接入，因为它包括许多提高频谱效率的改进，例如高级复用和调制。
5)5GNR也是一个完善的现成系统，并提供与GSM的标准化互通机制。
25GNR-R在高速铁路通信系统中的发展现状2.15GNR-R在高速铁路通信系统中的系统描述
为了为HSR通信提供更好、更高效的传输，考虑5GNR-R的频率和频谱使用至关重要。高铁是重要的战略基础设施，在某些国家/地区，这种说法被用来说服各国政府，需要为其专门分配大量频谱。一些行业机构包括欧洲铁路局(ERA)、中国铁路和UIC，正在努力确保频谱分配用于高铁。目前，大多数5GNR系统都在1 GHz以上的频带上工作，例如1.8、2.1、2.3和2.6GHz，尽管在某些国家/地区也使用700~900MHz频带[8]。较高的频带可使用较大的带宽，从而提供更高的数据速率，而较低的频带则可提供更长的距离覆盖范围。由于高频带具有更大的传播损耗和更严重的衰落，因此5GNR-R 小区的半径将小于2km(由于HSR中对信噪比(SNR)和BER的严格要求)，导致频繁的切换，并需要大量投资以提高BS密度。因此，诸如450-470MHz、800MHz和1.4 GHz的低频频带已被广泛考虑。450-470MHz频
段已为铁路行业所采用；因此，仍然可以从当地监管机构分配用于专业用途的专用带宽。此外，5GNR的载波聚合能力将允许使用不同的方式。尽管GSM-R的普及程度仍在增长，但来自公共网络的大信号阻塞干扰不断增加，阻碍了GSM-R的使用，而相关的无线电频率限制了其容量。在欧洲UIC的FRMCS希望通过重用现有的桅杆站点，以当前GSM-R的投资为基础，这可以节省多达80-90%的网络成本。铁路还担心继续使用其GSM-R天线杆，因此，在欧洲低于1GHz的频谱分配更具成本效益。但是频段的选择取决于政府政策，并且因国家/地区而异。
标准5GNR包括演进分组核心(EPC)的核心网络和演进通用陆地无线接入网(E-UTRAN)的无线接入网。基于Internet协议(IP)的EPC支持将语音和数据无缝切换到蜂窝塔，每个E-UTRAN蜂窝将通过高速分组访问(HSPA)支持高数据和语音容量。作为HSR下一代通信系统的候选者，5GNR-R继承了5GNR的所有重要功能，并提供了额外的无线电接入系统来与车载单元(OBU)交换无线信号并满足HSR的特定需求。与公共5GNR网络相比，5GNR-R具有许多不同之处，例如体系结构、系统参数、网络布局、服务和QoS。该网络必须能够在复杂的铁路环境中以500km/h的速度运行。因此，
优选正交相移键控(QPSK)调制，并且必须尽可能减少重发的数据。
2.25GNR-R在高速铁路通信系统中相关服务质量
GSM-R网络充当欧洲火车控制系统(ETCS)的数据载体，欧洲火车控制系统是用于铁路控制的信号系
统[9]。ETCS具有三个操作级别，并使用GSM-R无线电网络从火车发送和接收信息。在第一级ETCS-1上，GSM-R仅用于语音通信。在其他两个级别(ETCS-2和ETCS-3)上，GSM-R系统主要用于数据传输[10]。HSR通信打算使用完善的系统，其中应在服务级别定义一些特定需求。5GNR-R应该提供一系列服务来提高安全性和效率[11]。与GSM-R的传统服务相比，描述了5GNR-R的一些功能。控制系统的信息传输：为了与ETCS-3或中国火车控制系统4级(CTCS-4)兼容，5GNR-R通过无线通信以小于50毫秒的延迟提供控制信息的实时信息传输。火车的位置信息由ETCS-2/CTCS-3中的跟踪电路检测到，而在ETCS-3/CTCS-4和5GNR-R中，火车的位置信息由RBC和车载无线电设备检测。这提高了火车跟踪的准确性和火车调度的效率。5GNR-R还可以用于为未来的自动驾驶系统提供信息传输。实时监控：5GNR-R提供对前轨，车厢和汽车连接器状况的视频监控；实时监测铁轨状况(例如温度和探伤情况)；对铁路基础设施(例如桥梁和隧道)进行视频监控，以避免自然灾害；以及交叉轨道的视频监控，以检测低温下的冻结。监视信息将与控制中心和高速列车实时共享，延迟小于300毫秒。尽管上述某些监视可以通过有线通信进行，但基于无线的5GNR-R系统在部署和维护方面更具成本效益。培训多媒体调度：5GNR-R向调度员提供驾驶员和院子的完整调度信息(包括文本、数据、语音、图像、视频等)，从而提高调度效率。它支持丰富的功能，例如语音中继、动态分组、临时呼、短消息和多媒体消息。铁路紧急通信：当发生自然灾害，事故或其他紧急情况时，需要在事故现场与救援中心之间建立即时通信以提供语音、视频、数据和图像传输。与GSM-R相比，铁路应急通信系统使用铁路专用网来确保快速部署和更快的响应(延迟小于100毫秒)。铁路物联网(IoT)：5GNR-R提供铁路物联网服
务，例如火车和货物的实时查询和跟踪。它有助于提高运输效率并扩展服务范围。此外，铁路物联网还可以提高火车安全性。当今的大多数火车都依赖位于偏远地区的轨道旁开关。借助物联网和远程监控，可以从交换机到电力线改造轨道旁的基础设施，从而可以自动执行许多例行的安全检查并降低维护成本。除了前面列出的功能之外，还应包括5GNR-R的其他一些服务，例如动态座位预订、移动电子客票和乘客信息的无线交互。2.35GNR-R在高速铁路通信系统中的挑战
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5GNR-R存在一些挑战。特定于HSR的场景：在5GNR标准中，提出了一种用于HSR的信道模型，该信道模型仅包括两种情况，即开放空间和隧道，并且在两种情况下均使用了无衰减信道模型。但是，对高铁的严格要求(高速铁路平整度等)导致了许多高铁特定的环境，例如高架桥和隧道。这些情况下的传播特性不同于传统的蜂窝通信，并且可能会严重影响GSM-R和5GNR-R 的系统性能。过去进行了一些测量以表征GSM-R频段的HSR信道，针对930MHz的GSM-R提出了基于场景的路径损耗和阴影衰落模型。但是，这项工作仍在进行中，并且在5GNR-R频段上还有许多科学问题尚待解决，有必要针对链路预算和5GNR-R的网络设计开发一系列信道模型，并且需要进行大量的信道测量。高机动性：高速火车通常以350km/h的速度运行，而5GNR-R旨在支持500km/h。高速导致一系列问题。首先，高速导致通道不稳定，因为在较短的时间段内，火车会在较大的区域内行驶。非平稳的特性表征特别重要，因为它会影响单载波和多载波系统中的BER。其次，高速导致接收频率的偏移，称为多普勒频移。例如，如果频率为2.6GHz，则在350km/h时的最大多普勒频移为843Hz，而对于10km/h的行人移
动速度，其最大多普勒频移仅为24Hz。大的多普勒频移会导致信号的相移，并可能削弱角度调制信号的接收。但是，由于高速列车通常以已知速度沿预定路线行驶，因此可以通过使用速度和位置的实时记录信息来跟踪和补偿多普勒频移。第三，由于高速度，预计在高铁环境中会有大的多普勒分布。多普勒扩展通常会导致信号干扰加噪声比的损失，并会阻碍载波的恢复和同步。多普勒扩展对于正交频分复用(OFDM)系统也特别重要，因为它会破坏OFDM子载波的正交性。延迟扩展：延迟分散导致OFDM子载波之间失去正交性，因此应采用一种称为循环前缀(CP)的特殊类型的保护间隔。延迟分散确定所需的CP长度。对于短CP方案，两个MPC之间相应的路径长度最大差值为1.4km。由于铁路通信旨在提供线性覆盖，因此广泛使用具有沿铁路轨道的主瓣的定向BS天线，因此发射功率集中在窄条形区域。因为高速火车通常在很少有散射的郊区环境中行驶。但是，在某些具有丰富的多重反射的特殊环境中，预期会有较大的延迟扩展，并且应使用长CP方案。与常规5GNR一样，需要更多的测量来解决HSR环境中延迟扩展的行为，并且需要根据环境调整CP。
3GSM-R和5GNR-R在高速铁路通信系统中的共存应用
电子质量2021年第03期(总第408期)
由于供应商对GSM-R的支持一直持续到至少2028年，而且UIC自2009年以来一直致力于GSM-R 的继承，因此5GNR-R和GSM-R之间的共存有望持续很长时间。业务级别：5GNR-R需要支持GSM-R的传
统应用，例如组呼服务、广播服务和功能寻址。旨在提供广播和多播服务的有效传递的5GNR多媒体广播多播服务将是提供组呼和广播服务的可能解决方案。会话发起协议(SIP)是用于控制多媒体通信会话的协议，并且SIP 寻址可能会用于提供5GNR-R中的功能寻址。接入网络级别：由于GSM-R和5GNR-R使用不同的接入技术，因此它们之间的接入网络无法直接共存。在从GSM-R 到5GNR-R的演进过程中，两个网络有可能在第一步共享站点并使用软件定义的无线电。核心网络层：IP技术是用于融合网络能力的基本技术。HSR核心网络的目标是实现全IP核心网络，其中GSM-R、5GNR-R、无线局域网(WLAN)和跨欧洲干线无线电(TETRA)都连接到核心网络。全IP核心网络支持端到端IP连接，分布式控制和服务以及到传统网络的网关，在传统网络中，无线BS可以通过IP连接到全IP核心网络。5GNR-R的服务器和数据库将替换GSM-R的移动交换中心，归属位置寄存器和认证中心，而IP将替换信令网络的协议。整个网络将从垂直的树形结构演变为分布式路由结构。
环境设计4结论
本文概述了HSR专用通信系统。介绍了当前的窄带GSM-R，并讨论了其局限性。引入5GNR-R可能是下一代HSR通信的候选者。5GNR-R将是5GNR的特殊配置。5GNR-R具有满足铁路需求的能力，它将作为铁路运营和服务的合作网络。描述了5GNR-R的可能系统参数和服务，并讨论了一些具有挑战性的问题。最后，解决了GSM-R和5GNR-R之间的共存问题。5GNR-R 提供极具竞争力的性能，并为进一步发展奠定了良好的基础。尽管具有这一优势，但仍必须对5GNR-R进行明确评估，以进一步证
明它能够满足HSR的要求，例如，5GNR-R频段的传播特性和小区覆盖范围，对高移动性的支持以及系统容量和能力。因此，需要对5GNR-R进行更多研究。
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