文章编号：0258-2724(2018)05-0879-07 DOI: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.05.001
我国铁路下一代移动通信系统制式及演进探讨
熊 杰
（中国铁路总公司科技和信息化部，北京 100844） 摘 要：目前我国既有第二代移动通信系统产业链已表现出萎缩趋势，及时完成铁路下一代移动通信技术应用准 备，对促进我国铁路移动通信系统发展具有重要意义. 本文阐述了发展我国铁路下一代移动通信系统的迫切性， 对当前主流宽带移动通信系统的发展现状进行了分析，结合我国铁路主要应用场景业务需求特点，对第 4 代及 第 5 代移动通信技术在铁路应用的适用性进行了分析. 提出在试验验证基础上抓紧申请铁路适用频率，建议铁路 正线采用以 3GPP （third generation partnership project） LTE （long-term evolution）为基础的集群通信系统并采用3GPP组呼方案，在站场及枢纽地区可采用包括第 5 代移动通信技术（5G）在内的多种通信技术. 提出结合现场高
速试验、开展技术及装备研究/制，研究制订相应技术标准体系，研究第 5 代移动通信等新技术在铁路的工程应用.
关键词：铁路通信；铁路下一代移动通信系统；LTE；5G；技术策略
中图分类号：TN929.5； U285 文献标志码：A
Standardisation and Evolution of Next Generation Railway Mobile
Communication Systems in China
XIONG Jie
(Department of Science Technology and Information，China Railway，Beijing 100844，China)
Abstract: At present，the industrial chain of second-generation mobile communication systems in China is in a
state of atrophy. Hence，application-oriented research of next generation railway mobile communication systems (NGRMSs) is of great significance to the development of railway mobile communication systems in China. The urgency of developing NGRMSs in China is presented. The state-of-the-art popular mobile communication systems were reviewed. The adaptability of fourth generation (4G) and fifth generation (5G) communication systems for railway applications were analysed taking the requirements of future railway systems in China into consideration. Based on the analyses， the following developments were proposed. A practical and dedicated spectrum should be applied for NGRMS based on the trial line verification results. Third generation partnership project (3GPP)， long-term evolution (LTE)， and 3GPP group communication schemes should be used in NGRMSs for realising trunking communications in railway intervals. Furthermore， multiple wireless communication standards，including 5G communication systems，should be made functional in railway yards and terminals. Technological and equipment research should be carried out with field trial at high-speed line. Technical standards for NGRMSs should be established. Finally， research should be performed on the applications of 5G and other new technologies in railway engineering.
Key words: railway communication; next generation railway mobile communication system; long-term
evolution; fifth generation communication system; technology strategy
收稿日期：2018-04-24
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目（2016X009-B，2017X013-A）
作者简介：熊杰（1975—），男，高级工程师，博士，研究方向为铁路通信，E-mail：xiongjie112@126.com 引文格式：熊杰. 我国铁路下一代移动通信系统制式及演进探讨[J]. 西南交通大学学报，2018，53(5)： 879-885．
XIONG Jie. Standardisation and evolution of next generation railway mobile communication systems in China[J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2018， 53(5)： 879-885．
根据《中长期铁路网规划》，到 2030 年铁路网 规模将达到 20 万公里左右，其中高速铁路占 4.5 万 公里左右[1]. 为了保证如此大规模铁路网络的安全运
营，稳定可靠、高效运行、持续向前演进的铁路移动 通信系统必不可少. GSM-R （global system for mobile communications-railway）系统作为第二代铁路移动 通信系统，已不能很好满足未来铁路系统的移动通 信业务需求，需要研究如何向铁路下一代移动通信 系统的演进.
1 铁路移动通信发展现状与需求
1.1 我国铁路移动通信现状 目前，我国铁路移动通信主要采用 450 MHz 无 线列调系统和 GSM-R 系统. 450 MHz无线列调系统属于模拟对讲技术，主 要装备于既有普速铁路. 目前工信部不再办理已取 得含有 450～470 MHz 频段无线电发射设备型号核 准证书的延期手续. GSM-R系统属于数字窄带移动通信技术，目前 我国高速铁路及既有改造线路均采用 GSM-R 系统. 我国 GSM-R 系统仅有 2 × 4 MHz 带宽，业务承载能 力有限. GSM-R 系统建设过程中，经常面临 GSM-R 系统内部同频、邻频干扰等问题. GSM-R 系统频率 受限以及铁路移动通信业务需求的日益增长，使得 GSM-R系统承载能力不足的问题凸显. 1.2 我国当前铁路移动通信业务需求 当前，铁路通信系统承载的主要业务：第 1 类是 调度通信，主要是点对点呼叫和组呼业务；第 2 类是 数据传输业务，包括列控数据传输、车次号校核、调 度命令信息传送及铁路设施设备状态监测信息传 送. 随着我国高速铁路、特别是智能铁路的发展，铁 路运营维护对无线通信系统提出了更多的业务承载 需求. 目前新的业务需求主要有多媒体业务和各类 移动装备固定设施的监测监控业务. 以上业务可以根据场景划分为： （1） 铁路正线场景 需要在全路或铁路局范围内通信，主要是车地 通信. 该类业务可靠性要求高、用户处于高速移动中. （2） 铁路站场枢纽等热点地区场景 特点是作业人员、车辆密集，业务带宽大、容量 高、用户运动速度低，系统运行相对独立，与正线业 务交叉少，互联互通要求低. 1.3 发展中国铁路下一代移动通信系统的必要性 与迫切性 （1） 铁路通信系统产业链健康发展的需要 随着移动通信技术的发展， GSM 产业链快速 萎缩，预计 2025 年—2030 年 GSM-R 设备商将逐步 终止 GSM-R 产品及技术支持. 在 GSM-R 产业支持 终止前，应预先开展相关研究试验，为铁路下一代移 动通信具备推广应用条件提供技术支撑. （2） 满足我国智能铁路业务承载的需要 我国铁路正在向智能铁路发展，车地通信业务 需求不断拓展，除传统调度通信和列控业务以外，移 动视频监控、智慧列车、铁路物联网等新业务需求不 断涌现[2]. 据分析，下一代铁路移动通信（NGRMS） 带宽需求见表 1. GSM-R为窄带通信系统，无法承 载新生业务的需求[3]. 表 1 下一代铁路移动通信带宽需求预测 Tab. 1 Prediction of NGRMS bandwidth requirements序号 业务名称 LTE-R业务带宽 每用户上行/(kb•s–1) 每用户下行/(kb•s–1) 1 调度通信 调度语音通信 32 32 多媒体调度视频通信 1 024 1 024 2 调度命令 2 4 3 列车无线车次号校核 4 4 列控信息 40 40 5 列控车载设备动态监测（DMS） 32 32 6 灾害监测系统 1 32 7 客车运行安全监控系统（TCDS） 64 2 8 高速铁路供电安全监测检测系统（6C） 6C监测数据 64 2 6C视频数据 2 048 2
（3） 铁路申请适用频率的需要 当前我国铁路 450 MHz 无线列调系统亟待升 级改造为数字移动通信系统，而 GSM-R 频率资源 紧张. 1 GHz 以下的频段适用于高速铁路连续广域 覆盖，目前我国处于重新划分 1 GHz 以下频段的关 键时期，采用该频段有利于降低工程造价. 我国 1 GHz 以下频率使用情况如图 1所示. 应在铁路下一代移 动通信技术研究基础上，全力申请铁路适用频率. 联通 GSM 下行 立体声广播 RFID 专用 铁路 E-GSM 下行 移动 GSM 下行 425 450 470 485 566 566 606 890 909 614 821 825 840 845 851 866 885 798 806 870 915 930 935 954 960 航空无线电导航 无线电定位 航空无线电 导航 无线电定位 固定 移动 广播 空间 无线电 定位 固定 移动 广播 固定 移动 无线电定位 频率/MHz 频率/MHz 频率/MHz 航空移动 固定 移动 无线电定位 广播 天文 固定 移动 798 广播 定位 固定 移动 无线集群 广播 固定 移动 无线数传 RFID 专用 微波接力 窄带 集群 无线数传 电信CDMA 下行 电信CDMA 上行 铁路 E-GSM 上行 移动 GSM 上行 联通 GSM 上行 ISM 频段未授权限制 917 925 图 1 我国 1 GHz 以下频率使用情况 Fig. 1 Status of sub-1 GHz frequency usage in China
2 铁路下一代移动通信系统制式
铁路移动通信技术的发展以通用无线通信技术 发展为基础，以下主要针对正大规模商用的第 4 代 移动通信技术（4G）和尚在研究试验中的第 5 代移 续 表 1 Continued Tab. 1 序号 业务名称 LTE-R业务带宽 每用户上行/(kb•s–1) 每用户下行/(kb•s–1) 9 动车工况监控 512 10 10 基础设施健康管理系统 32 2 11 移动售票 4 4 12 旅客信息系统（PIS） 4 096 13 列车安全视频监控 2 048 2 14 编组站无线通信 32 10 调机视频监控 2 048 2 048 15 铁路货运货物信息系统 20 20 16 公安通信 32 32 17 道岔缺口视频监控系统 512动通信技术（5G），分析其在铁路通信领域的适用性.
2.1 技术体制
2.1.1 4G技术
长期演进计划（long term evolution，LTE）为 4G 技术，目前在全球已广泛应用. 该系统具有带宽灵 活、频谱利用率高、数据速率高、覆盖范围广、业务 实时性好、承载能力强、支持高速移动、具有较好的 业务安全性等特点，能满足铁路下一代移动通信系 统的需求[4-5]. 2.1.2 5G技术 5G是 4G 之后的延伸，目前处于规模验证阶段. 国际电联无线电通信部门（International Telecomm-unication Union RadiocommTelecomm-unication Sector, ITU-R） 将其名称确定为 IMT-2020 （international mobile tele-communications-2020）. 我国 IMT-2020 推进组发布的 5G 白皮书，从技 术场景、关键技术、概念、技术路线等方面对 5G 作 了描述. 5G 可由标志性能力指标和关键技术共同定 义，标志性能力指标为用户体验速率（Gbit/s），关键 技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、 全频谱接入和新型网络架构等. 5G 主要有 4 个技术 场景：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、 低时延高可靠[6]. 其中低时延高可靠场景下的关键技 术适合用作铁路无线通信的列控数据传输、调度命 令信息传送及检测监测信息传送等数据传输任务. 目前，5G 系统占用频点高、频段宽. 我国 5G 除 已明确地采用 3.3～3.6 GHz、4.8～5.0 GHz 外，还可 能采用毫米波等高频段[7]. 若铁路移动通信系统采 用 5G 技术，则要求基站布设密集，不利于降低铁路 的工程造价. 2.1.3 其他通信技术
超宽带无线局域网（enhanced ultra high-throughput wireless LAN，EUHT）技术是本地无线数据接入技 术，属于无线局域网领域，通过在铁路沿线建设专 网，也可以解决列车车地通信问题. 该系统没有定义 与之匹配的核心网，没有完备的移动性管理机制，难 以实现全路范围互联. 该方案没有大规模应用形成 产业支撑，其频率尚需得到国家批准. 基于蜂窝的窄带物联网（narrowband internet of things, NB-IoT）构建于蜂窝网络上，可直接部署于 GSM或 LTE 网络，主要应用于低功耗广覆盖物联 网，在铁路行业可用于设施设备状态监测. 2.1.4 铁路适用性分析 LTE技术及标准成熟，具备完备的产业链支撑， 依托京沈高速试验，可以针对铁路需求研究开发 LTE-R网络及终端设备，测试验证其对铁路应用业 务的满足性，重点是验证 LTE-R （LTE-railway）系统 承载列车控制信息等安全性业务时的可靠性、可用 性. 铁路行业若能在 1 GHz 频段内争取到一定频段 频率，结合我国铁路正在使用的 900 MHz 频段的 2 × 4 MHz频率，应该可以满足铁路区间主要业务应 用需求. 5G技术采用的频段高，基站布设密集，与 LTE 相比其应用于铁路区间覆盖的成本高，但其可以作 为站场枢纽地区的无线接入解决方案之一，与 LTE-R、 WiFi等技术共同构成综合性的无线接入系统[8]. 从 5G 技术与 LTE 的关系来看，两者都遵循 3GPP （third generation partnership project）体系标准，5G 技 术与 LTE 的核心网可以兼容，无线侧的 BBU （baseband unit）在硬件方面可以实现硬件兼容.
2.2 组呼方案
基于 LTE 系统架构的组呼方案主要有两种，分 别为 3GPP 标准与 B-TrunC （broadnand-trunked com-munication）标准.
2.2.1 3GPP组呼方案
3GPP标准是基于增强型多媒体广播/多播服 务（enhanced multimedia broadcast multicast service，e-MBMS）的系统架构，所有网元接口标准化，有利于 互联互通. 应用层服务器/用户终端业务与无线网络 分离，解耦性好. 3GPP 发布的 LTE R15 标准版本， 针对国际铁路联盟指定的未来铁路移动通信系统用 户需求完成相应标准修订[3, 9-11]. 3GPP标准是将 LTE 网络作为承载管道，通过 应用服务器和终端应用软件实现集群功能，容易实 现互联互通和全国统一的大网架构[12-13]，其组呼方 案核心网如图 2所示. 该组呼架构为组呼系统应用 服 务 器 （ group call system application server， GCS AS）和用户设备（user equipment, UE）之间的下行业 务提供了 2 种类型的传送机制：第 1 种传送机制称 为单播传递，它使用传统的 LTE 核心网来传送业 务 ； 第 2 种 传 送 机 制 称 为 多 媒 体 广 播 /多 播 服 务 （MBMS）传送，它使用 MBMS 架构传送业务，业务 以点对多点的方式发送到多个终端上.
MME—mobility management entity，移动性管理实体；P-GW—public data network gateway，公用数据网网关； HSS—home subscriber server，归属用户服务器；MCE—multi-cell/multicast coordination entity，多小区/多播协调实体；
SPR—subscription profile repository，用户属性存储器；MBMS-GW—multimedia broadcast multicast service gateway，多媒体广播/多播业务网关； PCRF—policy and charging rules function，策略与计费规则功能单元；BM-SC—broadcast multicast service center，广播多播业务中心；
S-GW—serving gateway，服务网关. STOP M3 接口 Sm 接口
MCE MME MBMSGW BMSC GCSAS
4G 4G P-GW S-GW S1-U 接口 SGi 接口 PCRF Gx 接口 Rx 接口 单播传送 S6a 接口 MME S1-MME 接口 S6a 接口 HSS S11 接口 多播传送 空中接口 空中接口 控制信息流 用户信息流 无线传输 GC1接口 M1接口 M1 接口 S5 接口 SPR M2接口 SGmb 接口 MB2 接口 Sgi-mb 接口 图 2 3GPP 组呼方案核心网
Fig. 2 Core network scheme of 3GPP group communication system
2.2.2 B-TrunC组呼方案 B-TrunC标准基于 3GPP LTE R9 版本，对空中 接口进行了修改，实现了终端与基站之间、基站与核 心网之间的互联互通. 在核心网中增加功能实体进 行集群业务的控制面与用户面的管理. B-TrunC 是 在 LTE 核心网内部增加集群功能节点，在终端的通 信协议中增加集群功能，实现全网互联互通涉及的 接口多、操作相对困难. 3GPP架构实现了应用层业务与无线网络的解 耦，可以更灵活的实现各种铁路集群业务；同时该架 构具有良好的接口开放性以及互联互通能力，可以 更好地满足铁路全国组网的需求，因此 LTE-R 系统 宜采用 3GPP 标准. 2.3 铁路 LTE 系统双工模式选择
LTE系统双工模式有 FDD （frequency division duplexing）和 TDD （time division duplexing）两种制 式，铁路 LTE 系统双工模式的选择要综合考虑业务 满足性、高速适应性、技术经济性、频率申请、产业 链情况及对我国高铁走出去支撑等因素. LTE系统的 FDD 和 TDD 两种模式分别用于成 对频谱和非成对频谱，对高铁而言，TD-LTE （time division-LTE）和 LTE FDD 系统均具有较好的高速 适应性，LTE FDD 高速适应性更好[14]，如图 3所示
为 TD-LTE 与 LTE FDD 的 BLER （block error ratio） 对比测试结果. 在建设和运营成本方面，LTE-R 系统 希望能复用现有 GSM-R 系统站址，同时考虑到低 频段频率在铁路环境下具有更好的传播性能、高速 移动时越区切换少、多普勒频移小，LTE-R 系统希望 能采用 1 GHz 以下的频段. 这一频段范围内，公网基 本规划为 FDD 制式，这是铁路 LTE 系统制式选择 需要重点考虑的问题. 0 100 200 300 400 移动速度/(km·h−1) 0 2 4 6 8 10 12 14 BLER/% TD-LTE LTE FDD
图 3 TD-LTE 与 LTE FDD 的 BLER 对比测试结果 Fig. 3 Results of block error rate tests for time division-LTE
and frequency division duplex-LTE
3 GSM-R 向铁路下一代移动通信系统的
演进
过程中，存在 GSM-R 和铁路下一代移动通信系统 的共存期. 存在部分铁路局或局内部分线路先期建 设铁路下一代移动通信系统，另一部分铁路局或局 内部分线路仍然使用 GSM-R 网络的可能，列车运 行时将出现交替使用铁路下一代移动通信系统与 GSM-R网络的情况. 在 GSM-R 向下一代铁路移动 通信系统演进的过程中应按照平滑过渡的原则适当 选择策略. GSM-R网络演进最可能的方式为部分线路先 升级为 LTE-R 网络，之后其余线路逐步升级，这样 就涉及到 GSM-R 区域与 LTE-R 区域的切换问题. 为了降低对既有运营 GSM-R 网络的影响，建议优 先考虑使用双模机车台方式完成 GSM-R 区域与 LTE-R区域的过渡，主要分为以下 3 个阶段： 阶段 1 部分线路首先使用 LTE-R 单模方式， 在切换区域通过双模机车台先建立 LTE-R 呼叫，再 挂断 GSM-R 呼叫. 阶 段 2 既 有 GSM-R 线 路 升 级 为 LTE-R 线 路，GSM-R 与 LTE-R 共存形成异构网络融合的形 式，两张网络的核心网需完成互通，即在同一个组呼 中，存在既有 GSM-R 也有 LTE-R 用户的场景. 阶段 3 原有 GSM-R 网络退出服务. 不同等级 线路仅使用一张 LTE-R 网络. 在过渡阶段，需要考虑 GSM-R 和 LTE-R 两网 混合组网和网络互联互通. 为降低建设、调试和应用 的复杂度，在组网方面，考虑 GSM-R 与下一代铁路 移动通信系统核心网互联实现部分语音和数据业务 的互通，减少对既有 GSM-R 网络的改造. 参见图 4， 语 音 业 务 方 面 ， GSM-R 网 络 中 ， MSC （ mobile switching center）负责语音集群业务呼叫和多媒体处 理，LTE-R 网络中，MCPTT （mission critical push to talk）Server 负责语音集群业务呼叫和多媒体处理， 在语音集群业务互通方面，仅需 MSC 与 MCPTT Server互联即可. 数据业务互通方面，GSM-R 网络 存在 CSD （circuit switched data）和 GPRS （general packet radio service）两种数据通信方式，CSD 方式 从 MSC 经 有 线 传 输 网 络 到 RBC （ radio blocking center）；GPRS 方式从 SGSN/GGSN （serving GPRS support node/gateway GPRS support node）经由有线 传输网络到数据服务器. LTE-R 与 GSM-R GPRS 系 统互通，仅需要 PGW （packet data network gateway） 与 GGSN 通过数据网进行互通即可实现. 互通的原 则是尽量通过改造应用业务服务器来实现，尽量减 少对 GSM-R 和 LTE-R 基础网元设备进行改造. 无 线网改造时，尽可能利用既有无线列调或 GSM-R站址及配套基础设施，以降低建设和维护成本. UE eNodeB SGW PGW MCPTT 服务器 MME S1-MME S1-u S5 S11 接口 IP 网 SGi 接口 MBMS-GW BMSC Sm 接口 MCE MB 接口 BTS BSC SGSN GGSN MSC A Gb Gn Gs 接口 数据服务器 IP 网 M1 M2 M3 CSD 接口 GPRS 声音接口 RBC
BTS—base transceiver station，基站 BSC—base station controller，基站控制器 MSC—mobile switching center，移动交换中心 Data server，数据业务服务器 SGSN—服务支持节点 GGSN—网管支持节点 RBC—无线闭塞中心 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 接口 图 4 GSM-R 与 LTE-R 网络业务互通方案示意 Fig. 4 Business interworking scheme of GSM-R and LTE-R
4 结束语
未来我国下一代铁路移动通信系统应是一个综 合业务承载网络，铁路正线宜采用基于 3GPP LTE 标准的 LTE-R 系统承载车地通信业务，在铁路站场 和枢纽地区可以采用 LTE、WIFI、5G 等系统承担主 要业务需求，基础设施监控数据业务可以采用 NB-IoT 等技术承载. 为适应我国铁路的快速发展需求，应对 公众移动通信技术快速发展，建议加快研究试验步 伐，尽快具备工程应用条件. （1） 抓紧研究建立铁路下一代移动通信技术标 准体系. 由铁路下一代移动通信技术研究工作组牵 头，组织有关科研院所、装备研制及运行维护单位系 统性开展研究试验工作，特别是深入研究与铁路特 殊应用相关的基础理论，积极参与国际铁路联盟 (UIC)研究工作，加快构建技术标准体系. （2） 结合京沈高速试验，开展关键技术及装备 研究. 对铁路下一代移动通信系统组网方案、调试检 测技术、应用业务承载能力等进行试验验证，在此过 程中，加快开展关键技术研究，形成系列化装备，包 括核心网、无线网、终端设备、检测/监测设备. （3） 重点开展好频率申请工作. 目前，国家无线 电频率规划正处在调整期，我国铁路无线通信技术 发展与该规划密切相关，各行业对无线电频率竞争 激烈，在社会各界对我国铁路发展高度认可的背景 下，要以京沈高铁 LTE-R 系统现场试验为契机，重 点做好铁路适用频率申请工作. （4） 探索 5G 等新技术在铁路的研究应用. 结 合 5G 技术标准制订进度、产业链成熟度、用频情 况，开展 5G 等新技术在铁路的应用研究，重点对其 在铁路枢纽站场应用的业务满足性、安全可靠性等 进行研究，形成具有自主知识产权的核心技术. 铁路 通信研究院所和技术领先企业，积极参与 3GPP 下 一代无线通信系统的标准化进程，推动中国特色的 铁路无线通信核心技术和标准转化为国际标准. 参考文献： 国家发展改革委员会，交通运输部，中国铁路总公司. 发改基础[2016]1536 号 中长期铁路网规划[S]. 北 京：国家发展改革委员会，2016. [ 1 ] 蒋志勇，左自辉，殷亚勋，等. 铁路下一代移动通信系 统业务需求分析[J]. 铁道通信信号，2013(增刊 1)： 1-4. JIANG Zhiyong， ZUO Zihui， YIN Yaxun， et al. Busi-ness requirement analysis of railway next generation mobile communication system[J]. Railway signaling &[ 2 ]
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