铁路5G专用移动通信系统频率应用研究

孙 昱

目前,我国铁路已应用多种专用移动通信技术,包括铁路数字移动通信系统（GSM-R）［1］、列车无线调度通信系统、站场宽带无线接入系统和高速铁路列车运行控制中应答器系统、车号自动识别系统等。GSM-R系统基本覆盖了我国全部高速铁路和部分普速铁路,但由于GSM-R系统业务承载能力有限,以话音业务和低速数据应用为主,属于窄带通信系统,无法满足未来铁路移动通信系统对更高带宽、更高数据速率的需要,而且随着GSM-R产品生命周期已到达末期,预计2030年前后设备生产企业将终止GSM-R产品生产及技术支持［2］。所以,扩展频率资源已成为铁路新一代无线通信系统发展的当务之急。

1 应用现状

1.1 国内运营商频率应用

根据《中华人民共和国无线电频率划分规定（2018年）》［3］,400 M～3 000 MHz频段内划分用于移动业务的频率资源共1 746.4 MHz,我国移动通信系统频率分配情况见表1。

表1 我国移动通信系统频率分配情况 MHz

目前国内共有中国移动、中国联通、中国电信和广电网络4家运营商。其中,中国移动拥有TDD（时分双工）频段共255 MHz和FDD（频分双工）频段共40 MHz带宽使用权［4］；中国联通拥有TDD频段共122 MHz和FDD频段共56 MHz带宽使用权；中国电信拥有TDD频段共100 MHz和FDD频段共51 MHz带宽使用权；广电网络拥有700 MHz和4.9 GHz频段共120 MHz带宽用于发展5G业务。国内运营商无线电具体频率应用情况见表2。

表2 国内运营商无线电频率应用

1.2 国外铁路频率应用

2015年,WRC-15（世界无线电通信大会）确定了铁路相关议题,各国在ITU层面对铁路无线电通信系统进行研究,现已在WRC-19上形成了推动全球铁路无线电通信系统频率协调一致的新决议 （RESOLUTION240）［5］。

欧洲已经提出未来铁路移动通信系统（FRMCS）,将其明确为GSM-R的继任者,但同时认为GSM的生命周期将持续到2030年甚至更长。欧盟对于FRMCS可能使用的频段也进行了大量研究,根据欧盟委员会下属的无线频率委员会发布的决议,在目前GSM-R的2×4 MHz频率资源的基础上,将FRMCS的频率扩展为2×5.6 MHz（874.4 M～880 MHz/919.4 M～925 MHz）,同时正在考虑使用1 900 M～1 920 MHz和2 290 M～2 400 MHz的部分频段作为900 MHz频段的补充。

德国铁路计划2019−2024年进行5G的研究和试验,期间继续部署900 MHz GSM-R系统；2025−2029年在部分区域部署5G,采用900 MHz频段GSM-R系统和900 MHz/1.9 GHz/2.3 GHz频段5G系统混合组网；2029−2034年大规模部署5G,GSM-R系统所用频谱逐步重耕为5G系统。在混合组网阶段,GSM-R系统主要承载语音和ETCS控制业务,5G系统主要承载ATO和关键视频业务。

1.3 国内铁路频率应用

我国目前主要在用无线通信系统主要包括:GSM-R系统、列车无线调度通信系统、站场调车和养护维修通信系统、车号自动识别系统、列车安全防护报警系统、站场宽带无线接入系统和高速铁路列车运行控制应答器系统等。

GSM-R系统用于普通移动电话、列车无线调度通信（车机联控）、列车无线车次号校核信息、调度命令、列车进路预告信息、高铁列控（CTCS-3）系统、青藏铁路列控系统（ITCS）、重载铁路（大秦线及周边重载线路）机车同步操控系统、列控状态信息和司机操控信息等业务传送。使用的频段为上行885 M～889 MHz,下行930 M～934 MHz。目前GSM-R网络覆盖了全部高铁和部分普速线路,截至2020年底,GSM-R系统运营里程达8万km。GSM-R系统射频技术参数见表3。

表3 GSM-R系统射频技术参数

450 MHz无线列调自20世纪70代开始在中国使用,布设于普速铁路,承担了车机联控“大三角”“小三角”调度通信业务。使用的频段为457.2 M～458.65 MHz/467.2 M～468.65 MHz,带宽25 kHz。2013年起,国铁集团按国家450 MHz频率调整要求,结合既有铁路扩能改造和设备更新,逐步装备GSM-R系统。截至2019年底,我国仍然有6.2万km普速铁路线配备450 MHz无线列调系统［6］。

车号自动识别系统相关设备设置在铁路局分界口站、车辆段等车辆造修点,用于70多万辆货车车辆的位置跟踪和费用清算。2000年起与联通共用910.10、912.10、914.10 MHz3个单载波部署系统。

列车安全防护系统2000年起全面应用于铁路各线列车无线防护报警、客货列车接近安全预警、道口防护报警、施工防护报警,主要包括车载通信设备（CIR）、施工作业人员使用的袖珍式预警接收机、便携式防护报警设备、道口防护报警设备。使用的频点为821.237 5 MHz和866.237 5 MHz,共2个25 kHz窄带载波。全国现已部署机车安全防护报警设备4.8万套。

列车尾部安全防护装置用于普速铁路各线客、货列车尾部风压检测、辅助排风制动。旅客列车尾部安全防护装置采用800 MHz频点,现已部署0.8万套；货物列车尾部安全防护装置采用450 MHz和400 MHz频段,现共部署1万套。

站场无线通信系统在铁路编组站广泛应用于站场调车无线通信、驼峰调车无线通信、调车作业安全监控,使用的频段为450、400、150、160 MHz,部分编组站、货运中心部署了1 800 MHz（1 785 M～1 805 MHz）频段的宽带无线接入系统。

高速铁路无线应答器用于高速列车定位、线路基础数据（允许速度、坡度等）等安全信息传送、列车运行控制系统级间转换控制等,是高速铁路列控系统（CTCS）的重要组成部分。

2 5G专网必要性

2020年3月,中共中央政治局常务委员会召开会议,要求加快5G网络等新型基础设施建设进度。国家发改委、工信部等国家部委也对包括5G在内的新基建的发展提出了具体要求。2020年8月,国铁集团发布了“加快推进5G技术应用发展的实施意见”,加快推进铁路5G专网建设。

GSM-R是窄带数字移动通信系统,4 MHz频谱带宽业务承载能力有限,在铁路大站、枢纽地区及并线区域,已经出现系统内部同频、邻频严重干扰等问题,网络规划难度不断加大。根据工信部频率规划,自2012年4月1日起停止450 M～470 MHz频段无线电发射设备的型号核准,不再办理该频段无线电发射设备型号核准证书的延期手续。同时GSM产业链逐渐萎缩,设备生产企业将逐步终止GSM-R产品的生产和技术支持。

所以,我国铁路移动通信系统的发展,既面临内部需求的不断增加和技术发展趋势的持续推动,也面临适用频率资源枯竭、产业升级换代等日趋严峻的外部环境,由GSM-R向下一代铁路5G专网的演进已成为大势所趋。铁路5G专网建设作为一个系统工程,需要在铁路部门进行全局规划,协调各单位的力量,有计划地快速推进［7］。因此,首先确定目标频率成为发展5G专网的先决条件。

3 应用分析

3.1 3GPP移动通信系统频率分配

3GPP（第三代合作伙伴计划）国际标准组织对于无线电频率划分进行了明确的规定,随着移动通信技术的发展,3GPP组织对2G、3G、4G、5G频段划分进行了不断的更新。

目前5G是3GPP定义的主要标准阶段,在最新的3GPP发布的版本中（2020年10月）,5G的频谱资源主要划分为2部分:FR1和FR2。5G频率范围的定义见表4［1］。

表4 5G频率范围的定义

3.2 制式对比

3GPP规划的频段可分为FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两大制式。FDD和TDD的差异主要在帧结构、上/下行时隙配比、特殊时隙应用、同步信号、混合自动重传请求与随机接入过程等方面［8］。通过对其最核心差异帧结构和上/下行时隙配比分析,TDD与FDD技术对比见表5。

表5 TDD与FDD技术对比

3.3 国内运营商及相关行业频率应用

目前国内使用于5G的FR1频谱资源大多已分配给运营商和其他相关行业,具体频率分配情况见表6［9］。

表6 FR1频谱资源在国内各行业分配情况

续表6

目前国内未分配的FR1频谱资源仅剩n1标准频段共2×15 MHz资源（上行1 965 M～1 980 MHz、下行2 155 M～2 170 MHz）。考虑到铁路5G专网承载业务带宽需求、频率申请难度和运营商频率实际应用等方面因素,建议将该频段资源作为铁路5G专网的目标频率。

3.4 铁路5G专用频率应用分析

铁路5G专网采用n1频段,符合3GPP标准规范要求,国内主流设备厂家具有该频段设备自主生产能力,可以针对铁路特殊需求定制开发,适合铁路行业应用。

n1频段可以采用4T 4R系统,其具有更高的频谱效率。通过对比2T 2R和4T 4R的性能,在测算小区容量时,应按照多个终端多个天线同时工作时所能达到的总数据量。因此较2R,采用4R频谱效率增益为1.7倍［10］。经过调研和推算,发现在大型客站区域铁路正线业务量最大,采用n1频段的可申请空闲频率,可以满足铁路正线区域相关业务需求。

5G系统的子载波带宽设置为30 kHz,当列车以350 km/h的速度运行时,n1和n3频段目标频率下产生的最大多普勒频移为±0.7 kHz。根据UE（用户设备）移动速度,5G可灵活增加终端DMRS（解调参考信号）和PTRS（相位跟踪参考信号）的密度,能够更好地跟踪上/下行信道变化,提升系统性能。目前频偏补偿技术可以实现±14 kHz范围内的频偏补偿,理论上可满足500 km/h列车高速运行要求。

n1频段频率分配情况见图1。铁路在n1标准频段可选取上行1 965 M～1 975 MHz和下行2 155 M～2 165 MHz作为申请目标频率,总带宽2×10 MHz。该频率下端与联通4G频率相邻,两者之间没有频率保护间隔；上端与卫星频率相邻,两者之间有5 MHz的频率保护间隔。

图1 n1频段频率分配情况

铁路n1目标频段与卫星频率有5 MHz的频率保护间隔,为避免铁路基站对相邻卫星频段的干扰,可以采用在铁路基站加装2×l0 MHz窄带滤波器、降低5G基站发射功率及调整5G基站天线最大辐射方向等综合措施。

对于n1频段的FDD系统,铁路基站与运营商（联通）基站之间、铁路终端与运营商终端之间有至少155 MHz的频带隔离,所以带外杂散干扰可忽略不计。对于运营商终端与铁路基站之间、运营商基站与铁路终端之间的邻道干扰,按照“次要业务让主要业务、后用让先用、无规划让有规划”的原则,考虑到终端所处的位置随机变化且不可控,建议采用共建共享模式,铁路基站可以协调与运营商基站同站址部署,可规避系统间干扰。对于不具备同站址布设条件的情况,铁路基站与运营商基站的站址邻近设置。

4 结束语

本文对铁路5G专网系统专用频率的应用进行研究,通过制式比较、业务需求带宽等方面的分析,提出了铁路5G专网系统可采用n1标准频段的空闲频率；分别对该段频率的技术特性、承载能力、高速适应性和干扰保护等方面进行研究,提出了该频段具备承载铁路5G专网系统的可行性。