到底什么是5G-R？

近日，工信部向中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”）批復(fù)5G-R試驗頻率的消息，引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

究竟什么是5G-R？為什么工信部會在此時批復(fù)5G-R的試驗頻率？

今天，小棗君就通過問答的形式，給大家做一個詳細解讀。

█ 什么是5G-R？

5G-R的英文全稱，是5G-Railway。Railway，是英文“鐵路”的意思。

在批復(fù)中，5G-R被稱為“基于5G技術(shù)的鐵路新一代移動通信系統(tǒng)”。其實，簡單來說，5G-R就是用于鐵路運輸行業(yè)的5G技術(shù)。

有的讀者可能會問：5G-R是不是給鐵路乘客上網(wǎng)用的？

答案是：No。

5G-R屬于專網(wǎng)（Private Network）通信系統(tǒng)。它是國鐵集團的專用5G網(wǎng)絡(luò)，專門用于滿足鐵路通信運營和管理需求，是鐵路內(nèi)部使用的。

而乘客上網(wǎng)，連接的主要是移動、電信、聯(lián)通等運營商的公網(wǎng)（Public Network）通信系統(tǒng)。

這兩種系統(tǒng)完全獨立和隔離，終端也不能混用。

正因為如此，5G-R才需要單獨申請頻譜，進行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

國內(nèi)5G-R的工作頻段是2100MHz。具體來說，上行1965~1975MHz，下行2155~2165MHz，各10MHz，采用FDD制式。

█?鐵路專網(wǎng)通信，有哪些應(yīng)用場景？

鐵路交通運輸，是典型的移動通信場景，對無線通信技術(shù)的需求非常強烈。

不管是高鐵，還是普速列車（綠皮車），不管是客運列車，還是貨運列車，都需要隨時保持與車站的緊密聯(lián)系，這是鐵路安全運行的基本前提。

歸納來看，鐵路專網(wǎng)無線通信包括以下幾種應(yīng)用場景：

1、正線車地通信

所有鐵路正線經(jīng)過的地方，都需要進行信號覆蓋。這屬于典型的廣域覆蓋場景。

列車運行過程中，主要用到的通信系統(tǒng)和業(yè)務(wù)包括：列車運行控制系統(tǒng)（CTCS/ETCS）、重載組合列車的機車同步控制和調(diào)度通信、列車進路預(yù)告、調(diào)度命令信息等。

這些都關(guān)系到列車的正常運行，對安全性和可靠性要求極高，偏uRLLC（高可靠低時延通信）場景。

因為列車高速行駛（尤其是高鐵），所以通信系統(tǒng)也必須具備高速適應(yīng)性，時速350km也能夠保證一定的通信能力。

大家可能潛意識會認為鐵路專網(wǎng)會有極高的時延需求，但實際上，像列車運行控制系統(tǒng)，鐵路規(guī)范給出的要求只有150ms，并不難實現(xiàn)。

除了車地之外，現(xiàn)在車車（T2T）通信也有需求，主要應(yīng)用于防撞系統(tǒng)。

2、鐵路站場、樞紐

鐵路客運車站、貨運編組站、機務(wù)段、車輛段、動車所等區(qū)域，也是通信需求較為密集的場所，屬于熱點覆蓋區(qū)域。

主要業(yè)務(wù)包括：平面調(diào)車、調(diào)車監(jiān)控、編組站自動化、客站服務(wù)、車載數(shù)據(jù)下載、站場物聯(lián)網(wǎng)、站場維護作業(yè)等。

這里的人員、車輛和設(shè)備較多，對通信帶寬和容量有一定的要求（終端的空間移動速率較低，沒有高速適應(yīng)性要求），偏eMBB（增強移動寬帶）場景。

3、鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施

除了列車之外，鐵路沿線的基礎(chǔ)設(shè)施，也有通信需求。

例如，鐵路沿線電務(wù)、工務(wù)等專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備（橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、鐵塔等，目前重要的線路信號等設(shè)備還是有線通信為主）。

這幾年，鐵路沿線洪水、山體滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)。為了監(jiān)測災(zāi)害，鐵路部門設(shè)置了很多監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，也有通信需求。

這些監(jiān)測節(jié)點連接數(shù)量大，帶寬要求小，偏mMTC（海量機器通信）場景。

4、車輛內(nèi)部通信場景

主要指動車組等高速客運車輛，業(yè)務(wù)包括：列車定位、自動駕駛、移動裝備狀態(tài)檢測、智能診斷等。

列車內(nèi)外的監(jiān)測系統(tǒng)比較多，例如6A（機車車載安全防護系統(tǒng)，包含：機車的制動系統(tǒng)、防火、高壓絕緣、列車供電、走行部、視頻）和6C（供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)）。它們是掌握列車運行狀態(tài)的重要手段。

其它鐵路通信會用到的場景還包括：事故救援（話音和多媒體集群）、移動運維（數(shù)據(jù)、話音和多媒體集群）、LBS（基于位置的服務(wù)，如人員定位和列車定位等）和高鐵Wi-Fi。高鐵Wi-Fi現(xiàn)在比較熱門。

數(shù)字時代，旅客對高鐵上網(wǎng)的需求比較大。公網(wǎng)運營商信號覆蓋有好有壞，國鐵集團也在研究和部署高鐵Wi-Fi等，尋找商業(yè)機會。國鐵集團還聯(lián)合吉利、騰訊專門成立了國鐵吉訊，推動高鐵Wi-Fi平臺的建設(shè)。

█ 什么是GSM-R？

說到5G-R，就肯定會提到它的前任——GSM-R。

顧名思義，GSM-R是基于GSM技術(shù)，專門為鐵路行業(yè)設(shè)計的無線通信系統(tǒng)。

上世紀(jì)90年代初，GSM標(biāo)準(zhǔn)剛剛確立的時候，西門子公司就開始醞釀和起草GSM-R技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

后來，國際鐵路聯(lián)盟（UIC，International Union of Railways）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）合作，針對歐洲鐵路系統(tǒng)，共同推出了最終版的GSM-R標(biāo)準(zhǔn)。

與傳統(tǒng)GSM標(biāo)準(zhǔn)相比，GSM-R主要增加了鐵路專用調(diào)度通信的相關(guān)功能。

目前，我們國家主要使用的鐵路專網(wǎng)通信技術(shù)，就包括GSM-R。

新中國成立后，鐵路系統(tǒng)開始使用列車無線調(diào)度電話和站內(nèi)無線電話，采用工作頻率為2MHz和40MHz的電子管設(shè)備。

進入70年代，我們逐漸開始轉(zhuǎn)向150MHz和450MHz頻段的晶體管設(shè)備。

再后來，鐵路專用的無線電頻率，就定在450MHz頻段，用于列車無線調(diào)度通信、站場平面調(diào)車、客貨運輸及養(yǎng)護維修等對講通信業(yè)務(wù)。

90年代GSM-R在歐洲出現(xiàn)之后，我們國家也及時進行了學(xué)習(xí)和引進。

2004年，為滿足高速鐵路發(fā)展CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)的需要，鐵道部正式采用GSM-R標(biāo)準(zhǔn)，作為我國新一代鐵路無線通信國家標(biāo)準(zhǔn)。

值得一提的是，我國是亞洲第一個發(fā)展GSM-R的國家。國內(nèi)第一條應(yīng)用GSM-R的鐵路，是著名的青藏鐵路。

國內(nèi)的GSM-R，采用的是900MHz“黃金頻段”（從中國移動那邊“要”來的），上行885-889MHz，下行930-934MHz，2×4MHz帶寬，最大覆蓋距離可達6～9km。

從2008年起，新（改）建鐵路幾乎全部采用GSM-R作為專用無線通信系統(tǒng)。

從2012年起，工信部停止核準(zhǔn)基于450MHz頻段的模擬制式無線列調(diào)系統(tǒng)。因為該系統(tǒng)抗干擾能力差、語音質(zhì)量低、業(yè)務(wù)有限。

在那之后，廈深高鐵、廣深港高鐵、青藏線、大秦線、膠濟線、武廣線、鄭西線、石太線、合寧線、合武線、京津城際線、京滬高鐵等國內(nèi)重要鐵路線路，都采用了GSM-R技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化升級。

截至2021年底，國內(nèi)GSM-R覆蓋線路里程（含在建）達到8.9萬公里，用戶數(shù)超過35萬。

█?有了GSM-R，為什么還要搞5G-R？

當(dāng)然是因為5G-R更先進。

時至今日，基于2G技術(shù)構(gòu)建的GSM-R標(biāo)準(zhǔn)，早已無法滿足現(xiàn)代鐵路的發(fā)展需求。

GSM-R以語音業(yè)務(wù)為主，頻率效率低，窄帶數(shù)據(jù)帶寬最多只有100多KB，難以承載鐵路數(shù)字化改造后的通信大帶寬需求。

幾年前，國內(nèi)曾經(jīng)提出基于LTE-R（4G）建設(shè)鐵路無線專網(wǎng)，但測試了一段時間后，沒有大規(guī)模商用。

如今看來，國家就是打算一步到位，跳過LTE-R，直接上5G-R。

5G-R基于5G技術(shù)，具備超大帶寬、超低時延、海量連接的特點，網(wǎng)絡(luò)性能幾乎碾壓GSM-R。

在網(wǎng)絡(luò)能力上，5G-R支持網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等業(yè)務(wù)，可以為鐵路關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障。

在安全性和可靠性上，5G-R也有巨大的提升。這對鐵路運輸安全非常重要。

█?5G-R和公網(wǎng)5G，有什么區(qū)別？

5G-R和公網(wǎng)5G的工作原理基本上是一樣。尤其是無線空口部分，基本上沒有區(qū)別。

5G-R的主要不同，集中體現(xiàn)在業(yè)務(wù)類型、組網(wǎng)方式和性能要求上。

業(yè)務(wù)類型前面已經(jīng)介紹過了，鐵路有自己很多的特殊業(yè)務(wù)。

在組網(wǎng)方式方面，5G-R沿鐵路線進行部署，無線接入網(wǎng)更多采用鏈狀組網(wǎng)。

核心網(wǎng)側(cè)，需要與鐵路部門的生產(chǎn)方式、組織方式相匹配，進行適當(dāng)?shù)慕M網(wǎng)改造。

下面這張圖，是5G-R的一個組網(wǎng)架構(gòu)示意：

參考來源：鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)研究，鮮棗課堂做了修改

除了傳統(tǒng)公網(wǎng)5G所包含的控制面網(wǎng)元（AMF、SMF、UDM等）和媒體面網(wǎng)元（UPF）之外，我們可以看到一些5G-R專用設(shè)備，例如鐵路寬帶集群通信（MCX，Mission Critical X-Service，關(guān)鍵業(yè)務(wù)）設(shè)備、5G智能網(wǎng)（5G-IN）、5G設(shè)備識別寄存器（5G-EIR）等。

這個MCX設(shè)備，通過它，5G-R可以與其他通信系統(tǒng)互聯(lián)，提供有線無線融合的調(diào)度通信業(yè)務(wù)。還可以實現(xiàn)與鐵路固定電話網(wǎng)互聯(lián)互通，滿足公務(wù)通信需求。

█ 5G-R標(biāo)準(zhǔn)由誰負責(zé)制定？

5G-R基于5G（IMT-2020），而5G的標(biāo)準(zhǔn)制定當(dāng)然是大名鼎鼎的標(biāo)準(zhǔn)化組織——3GPP（第三代合作伙伴項目）負責(zé)。

目前，5G已經(jīng)經(jīng)歷了3GPP R15-R17階段。R18也即將凍結(jié)，它將開啟5G-Advanced（5.5G）時代。

國際上另外一個專門負責(zé)鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)研究的組織，是前面提到的，參與制定GSM-R標(biāo)準(zhǔn)的UIC（國際鐵路聯(lián)盟）。

2012年，UIC聯(lián)合ETSI、3GPP，啟動了FRMCS（Future Railway Mobile Communication System，未來鐵路移動通信系統(tǒng)）項目。2016年，UIC將5G納入FRMCS的研究范圍。

UIC的目標(biāo)，是在2025年推出基于R17版本的第1版FRMCS，在鐵路試點應(yīng)用。

國內(nèi)在5G-R標(biāo)準(zhǔn)體系方面也做了大量的工作。

國鐵集團在2015年成立了NGCR（下一代無線電通信工作組），設(shè)頻譜、標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)、行業(yè)、測試5個分工作組。

2020年8月，國鐵集團發(fā)布《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，明確提出：

“加強5G通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和應(yīng)用，豐富應(yīng)用場景，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，統(tǒng)籌推進鐵路新一代移動通信專網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建泛在先進、安全高效的現(xiàn)代鐵路信息基礎(chǔ)設(shè)施體系”。

后來，國鐵集團先后印發(fā)《國鐵集團關(guān)于加快推進5G技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實施意見》、《鐵路5G技術(shù)應(yīng)用科技攻關(guān)三年行動計劃》，積極部署5G-R應(yīng)用，以及技術(shù)研究。

根據(jù)行業(yè)的初步預(yù)測，2025年將實現(xiàn)5G-R和GSM-R的并行發(fā)展。2030年實現(xiàn)5G-R對GSM-R的替代?；?00MHz頻段的5G-R研究，也已經(jīng)在啟動推進之中。

█ 這次批復(fù)試驗頻率，有什么意義？

確定無線電工作頻率，是發(fā)展一項無線通信技術(shù)的重要前提條件。

確定了頻譜，產(chǎn)業(yè)界進行技術(shù)研究就有了目標(biāo)，對于這項技術(shù)，也會更有信心。這有利于產(chǎn)業(yè)鏈的迅速成熟，也有利于激發(fā)科技自主創(chuàng)新。

有了試驗頻率，國鐵集團可以進一步推動相關(guān)科研課題和現(xiàn)場試驗，驗證5G-R頻率方案的可行性，以及與鄰頻段相關(guān)系統(tǒng)的兼容共存。

在核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和接入網(wǎng)設(shè)備方面，在終端和模組方面，相關(guān)工作也可以大跨步向前推進。

█ 結(jié)語

高鐵是我們的國家名片，5G也是。

工信部適時批復(fù)試驗頻譜，顯示出我們國家大力推動鐵路數(shù)字化建設(shè)的決心。

結(jié)合去年工信部給中國商飛頒發(fā)第一張企業(yè)5G專網(wǎng)頻率的新聞，我們也可以看出，國家對專網(wǎng)通信的支持力度在加大。

專網(wǎng)是支撐企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個重要底座。授予專屬頻譜，對于專網(wǎng)發(fā)展極為有利。

未來，國家是否會給專網(wǎng)通信劃分更多頻率資源，以此促進數(shù)字化轉(zhuǎn)型的全面推進，讓我們拭目以待！

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