近日，工信部向中国国家铁路集团有限公司（以下简称“国铁集团”）批复5G-R试验频率的消息，引起了行业内的广泛关注。



究竟什么是5G-R？为什么工信部会在此时批复5G-R的试验频率？


今天，小枣君就通过问答的形式，给大家做一个详细解读。


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。


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。


1949年后，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的。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、组网方式和性能要求上。


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。


下面这张图，是5G-R的一个组网架构示意：


参考来源：铁路5G专网系统架构和组网技术研究，鲜枣课堂做了修改


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。


我们不妨期待一下：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。


参考资料：

1. 铁路5G-R研发关键问题探讨，姜永富，中国铁路；

2. 铁路5G-R技术标准体系研究，王芳、石波、蔺伟，中国铁路；

3. 铁路5G专网系统架构和组网技术研究，周宇晖，中国铁路；

4. 铁路5G专网：是什么？如何建？胡媛，通信产业报；

5. 浅析下一代铁路移动通信系统，大花猫，知乎；

6. 工信部批复铁路新一代移动通信系统试验频率，工信微报；

7. 百度百科、维基百科。


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