鐵路通訊需求日益多元 LTE-R標(biāo)準(zhǔn)2022年上路

　　鐵路通訊的應(yīng)用情境多樣化，例如車內(nèi)、車廂之間、車對(duì)鐵道等，因此鐵路運(yùn)營(yíng)業(yè)者通常同時(shí)將窄頻和寬帶無(wú)線通信技術(shù)運(yùn)用于列車無(wú)線通信系統(tǒng)，如TETRA、數(shù)字移動(dòng)無(wú)線電(DMR)、GSM和Wi-Fi等。

　　鐵路通訊直接進(jìn)入4G世代

　　國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)于1995年評(píng)估了TETRA和GSM兩項(xiàng)技術(shù)的特性，最后選擇GSM作為鐵路通訊技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)展GSM-R(GSM-Railway)成為鐵路國(guó)際無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　GSM-R為第二代移動(dòng)通信技術(shù)，屬于窄頻通訊系統(tǒng)，頻譜利用率較低，主要承載語(yǔ)音業(yè)務(wù)和少量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)速率較低，一般僅為2,400~9,600bps，使得在現(xiàn)有GSM-R平臺(tái)上開(kāi)拓各種新業(yè)務(wù)有其難度。 其次，隨著通訊技術(shù)改朝換代，GSM-R相關(guān)設(shè)備、技術(shù)支持等預(yù)計(jì)至2030年結(jié)束;最后，隨著鐵路通訊網(wǎng)絡(luò)朝向融合、寬帶、創(chuàng)新等方向發(fā)展，將所有的通訊需求整合到單一網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行亦存在需求。

　　因此，UIC從2008年開(kāi)始著手鐵路下世代行動(dòng)通訊系統(tǒng)研究，2009年和2010年先后發(fā)布鐵路下世代行動(dòng)通訊系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求和技術(shù)需求白皮書(shū);另外在2010年12月召開(kāi)的第七屆世界高速鐵路大會(huì)中， UIC明確表示3G技術(shù)不適用于鐵路，因此高鐵通訊將跨越3G，直接發(fā)展「準(zhǔn)4G」技術(shù)。

　　2014年4月，UIC提出鐵路下世代行動(dòng)通訊發(fā)展規(guī)畫(huà)，并與3GPP合作展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化工作。 根據(jù)UIC提出的LTE-R(LTE-Railway)發(fā)展步驟，于2014年9月開(kāi)始進(jìn)行Release 12(R12)工作，R12是LTE-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，主要是對(duì)R11標(biāo)準(zhǔn)化作進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和實(shí)體研究。

　　為了能在2020年形成標(biāo)準(zhǔn)，并在2022年開(kāi)始布建，UIC進(jìn)一步于2016年3月發(fā)布未來(lái)鐵路行動(dòng)通訊系統(tǒng)-用戶需求規(guī)范(Future Railway Mobile Communication System-User Requirements Specification)，擬定了新一代鐵路通訊用戶需求規(guī)范。 同年3GPP工作組SA1著手研究，為UIC確定哪些FRMCS要求在3GPP的工作范圍內(nèi)，并完成與R14中現(xiàn)有功能的差距分析，列為3GPP R15所需工作。

　　中/歐/韓均采用1GHz以下頻段

　　當(dāng)GSM技術(shù)確立為鐵路無(wú)線通信技術(shù)之后，選定一個(gè)共同的頻段能夠通行各個(gè)國(guó)家成為鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵要素。 以往鐵路通訊系統(tǒng)已使用的450/460MHz頻段，已無(wú)足夠的帶寬滿足未來(lái)無(wú)線電應(yīng)用。 因此1995年ETSI (European Telecommunications Standards Institute)在UIC委托下，衡量無(wú)線電傳播和系統(tǒng)可用性等諸多原因，900MHz頻段被證明是最合適的頻段， 為GSM-R規(guī)劃了876~880 MHz(上行鏈路)和921~925 MHz(下行鏈路)兩個(gè)頻段。

　　為了提供更多應(yīng)用、更高質(zhì)量于高速鐵路(High Speed Rail，HSR)的通訊，LTE-R頻率的選擇為至關(guān)重要，包括歐洲鐵路局(ERA)、中國(guó)鐵路和UIC都已著手討論HSR使用的頻譜分配。

　　目前，大多數(shù)已商轉(zhuǎn)的LTE系統(tǒng)大多運(yùn)行在1GHz以上的頻段，例如1.8GHz、2.1GHz、2.3GHz和2.6GHz等，低頻段700~900MHz在部份國(guó)家亦有商轉(zhuǎn)。 以頻譜特性而言，高頻譜有較大的帶寬，可提供較高傳輸流量有助傳輸速率的提升，低頻譜則可提供較長(zhǎng)距離的覆蓋。

　　LTE-R若運(yùn)行在高頻譜，則基站建置密度要求較高，因?yàn)楦哳l譜有較高的傳播損耗、較嚴(yán)重的訊息接收衰落，因此LTE-R基地臺(tái)之間的距離必須小于2公里，如此將導(dǎo)致基地臺(tái)數(shù)增加、投資成本激增，基地臺(tái)間的頻率也必須頻繁地切換。 有鑒于此，低頻頻譜如450~470MHz、800~900MHz和1.4GHz也被廣泛考慮提供給LTE-R使用，其中450~470MHz一直被鐵路業(yè)使用、900MHz用于GSM-R，因此這兩個(gè)頻率最可能繼續(xù)延用于LTE-R (表1)。

　　以中國(guó)為例，450~470MHz早用于中央黨政機(jī)關(guān)、軍隊(duì)、鐵路、公安等部門通訊和一些企事業(yè)單位的指揮調(diào)度系統(tǒng)的通訊頻率。 450MHz由于頻段低，傳播損耗小，繞射能力強(qiáng)，采用相同數(shù)量的基地臺(tái)，可以覆蓋更大范圍。 相同的發(fā)射功率和傳播條件下，同樣是運(yùn)行FDD-LTE技術(shù)，450MHz的覆蓋距離約是1.8GHz的3.5倍，覆蓋同樣區(qū)域的行動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，使用450 MHz頻段所需要的基地臺(tái)數(shù)量?jī)H為1.8GHz的8.3%， 非常適合于鐵路通訊建設(shè)，因此中國(guó)鐵路局評(píng)估沿用450~470MHz運(yùn)轉(zhuǎn)LTE-R。

　　歐洲方面，UIC在其所公布的FRMCS中表示，LTE-R要建立在當(dāng)前GSM-R的基礎(chǔ)上，以重復(fù)利用已投資的基礎(chǔ)設(shè)施，如此可以節(jié)省高額的布建成本;再者，鐵路公司也考慮繼續(xù)使用現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)，屆時(shí)平滑升級(jí)至LTE-R。 因此，1GHz以下的頻譜在歐洲被視為具有高度成本效益的選擇將優(yōu)先被采用。 而在韓國(guó)方面，因全國(guó)性的PS-LTE(Public safety-LTE)網(wǎng)絡(luò)已閞始布建，并且運(yùn)轉(zhuǎn)于700MHz，因此與PS-LTE同步進(jìn)行的LTE-R也運(yùn)行于700MHz。

　　在UIC還沒(méi)定下全球LTE-R標(biāo)準(zhǔn)之前，韓國(guó)先自行開(kāi)發(fā)，將第四代LTE應(yīng)用于國(guó)家鐵路平臺(tái)，于2014年就開(kāi)始進(jìn)行LTE-R相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，韓國(guó)政府計(jì)劃在全國(guó)范圍內(nèi)建立并安裝LTE-R基站，投資預(yù)算達(dá)16億美元， 到2025年覆蓋全國(guó)鐵路網(wǎng)總長(zhǎng)約5,000公里。

　　LTE-R標(biāo)準(zhǔn)2022年展開(kāi)導(dǎo)入

　　推動(dòng)進(jìn)程方面，配合3GPP R15、R16標(biāo)準(zhǔn)確立的時(shí)程，歐盟規(guī)劃于2018年確立鐵路未來(lái)通訊系統(tǒng)詳細(xì)的系統(tǒng)定義以及世代交替策略，并在2020年底進(jìn)行場(chǎng)域測(cè)試、2022年底開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)遷移至下世代通訊技術(shù)。

　　由于鐵路通訊的應(yīng)用情境多樣化，例如高速火車的普及、火車/軌道信號(hào)和語(yǔ)音通訊、或是火車/軌道影像通訊，或因應(yīng)緊急救災(zāi)通訊需求，使LTE技術(shù)成為下世代鐵路無(wú)線通信最適選擇。 因此UIC與3GPP合作，將鐵路應(yīng)用所需的技術(shù)、規(guī)范納入LTE標(biāo)準(zhǔn)制定與討論，尤其在R15。 依目前規(guī)劃預(yù)計(jì)2020年LTE-R標(biāo)準(zhǔn)確立，2022年可以開(kāi)始導(dǎo)入。

　　中/歐頻譜政策各有難題待解

　　觀察LTE-R發(fā)展相對(duì)快速的國(guó)家如韓國(guó)、歐盟、中國(guó)等，發(fā)展LTE-R有各自不同的命題。 韓國(guó)于2014年著手布局全國(guó)公共安全PS-LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，即整合鐵路、海事之應(yīng)用。 當(dāng)3GPP尚在規(guī)范LTE-R標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，韓國(guó)就規(guī)劃于2017年底完成屬于韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的LTE-R，顯見(jiàn)其意在于藉由PS-LTE、LTE-R等項(xiàng)目，建立韓國(guó)無(wú)線列車控制系統(tǒng)，確保鐵路信號(hào)和通信方面世界領(lǐng)先技術(shù)能力， 同時(shí)也促使韓國(guó)LTE-R供應(yīng)鏈的完備。

　　歐盟LTE-R的發(fā)展最大問(wèn)題在于頻譜的決定。 歐洲國(guó)家土地相連，跨國(guó)列車若使用不同頻譜，將造成通訊系統(tǒng)的不一致性;另一方面未來(lái)面臨短距離無(wú)線通信設(shè)備(SRD)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用的興起，歐洲各國(guó)之間的頻譜需求，將造成未來(lái)鐵路通訊頻譜達(dá)成全歐一致性的難度提高， ETSI與UIC規(guī)劃將于WRC-19會(huì)議進(jìn)一步提出討論。

　　中國(guó)監(jiān)管部門若將450MHz頻段部分頻譜劃為L(zhǎng)TE-R使用，除了鄰頻干擾問(wèn)題之外，最大的難題是450MHz缺乏LTE產(chǎn)業(yè)鏈的支持。 由于450MHz尚不是3GPP所定義的行動(dòng)通訊頻譜，所以現(xiàn)在幾乎沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端支持。 電信業(yè)者中國(guó)聯(lián)通一直在推動(dòng)450MHz頻段運(yùn)轉(zhuǎn)FDD-LTE技術(shù)成為大陸IMT規(guī)劃方案，2017年初中國(guó)的管理當(dāng)局已初步同意，并要求中國(guó)聯(lián)通進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作， 例如將450MHz新增B1劃分方案列入在ITU-RM.1036建議書(shū)中，期能在3GPP完成新增相關(guān)帶寬。