【華為】通信行業(yè)：華為下一代鐵路移動通信系統(tǒng)白皮書2023

HUAWEI(2023)CONTCONTENTSCONTENTS目錄CONTENTS目錄1.1鐵路無線通信發(fā)展現(xiàn)狀.........................................1.2鐵路無線通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢...................................1.3無線通信技術(shù)現(xiàn)狀...............................................1.4小結(jié)................................................................2.1FRMCS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分析............................................2.2FRMCS無線制式和頻率選擇...................................2.3TDD制式分析.....................................................3.1FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)...........................................3.2無線冗余組網(wǎng)方案...............................................3.3無線場景設(shè)計.....................................................4.1大功率終端提升FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋.......................4.2多陣列智能天線提升FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量.........4.3頻偏預(yù)估和共小區(qū)技術(shù)保障高速列車穩(wěn)定通信.............4.4冗余方案提升FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)可靠性........................4.54G/5G融合網(wǎng)絡(luò)保障業(yè)務(wù)平滑演進和長期穩(wěn)定運行........ 01 02 03 03 04 05 06 07 08 08 10 11 12 13 13前言上個世紀90年代，在國際鐵路聯(lián)盟（UIC）的倡導(dǎo)和引領(lǐng)下，全球移動通信系統(tǒng)（GSM）被引入鐵路行業(yè)，并形成了GSM-R鐵路移動通信系統(tǒng)標準，GSM-R被廣泛采用，并一直沿用至今。然而，基于GSM-R的鐵路移動通信系統(tǒng)已不能滿足未來數(shù)字鐵路訴求，同時GSM逐步退網(wǎng)，其產(chǎn)業(yè)鏈也在加速收縮，這給全球GSM-R存量線路的維護、運營以及演進造成諸多樞紐地區(qū)及并線區(qū)域，已經(jīng)出現(xiàn)容量受限問題；同時，由于系統(tǒng)高性能、高效運維、更好業(yè)務(wù)體驗提出了新的訴求。而在消為了應(yīng)對鐵路移動通信系統(tǒng)升級換代的迫切需求，UIC于地支撐列控、列調(diào)、旅客信息系統(tǒng)等多業(yè)務(wù)，也進一步將建議頻案，實現(xiàn)快速商用部署?；诋a(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)及頻譜現(xiàn)狀分析，普遍認為1.9GHz的終端生態(tài)較完善，頻譜干擾較小可快速靈活部署的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)滿足鐵路數(shù)字化發(fā)展的需求，本白皮書探討FRMCS系統(tǒng)在無線技術(shù)選型、無線頻率選 歐盟從1997年開始部署GSM-R網(wǎng)絡(luò)，目前已部署GSM-R鐵路線10萬多公里。中國也從21世紀初引入然而，作為定制的鐵路GSM系統(tǒng)，GSM-R生態(tài)系統(tǒng)受電信行業(yè)生命周期的強影響。經(jīng)過了20多年的發(fā)展，0101鐵路無線通信的現(xiàn)狀與趨勢 隨著鐵路信息技術(shù)的發(fā)展，多媒體調(diào)度通信、基于移動閉塞的列控系統(tǒng)、列車車況實時監(jiān)測、智能運維、鐵路2012年，UIC成立FRMCS項目組，啟動下一代鐵路移動通信系統(tǒng)研究。FRMCS項目成立了三個工作組。功能工作組負責制定用戶需求和功能需求。架構(gòu)與技術(shù)工作組負責制定系統(tǒng)需求和技術(shù)方案。頻率工作組負責研究頻段進行了大量研究。根據(jù)歐盟委員會下屬的無線頻率委員會（RSC）發(fā)布的決議，在目前GSM-R的2×4MHz頻?在2022年1月1日之前，成員國應(yīng)指定并在非排他性基礎(chǔ)上提供鐵路移動無線電的配對頻段874,4-8?歐盟成員國最遲應(yīng)在2025年1月1日之0202 務(wù)，為中國城軌行業(yè)的高速發(fā)展奠定了堅實的車地無線通信基礎(chǔ)。也正是由于LTE在軌道交通行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用，奠綜合看來，基于移動通信2G技術(shù)的GSM-R已經(jīng)無法滿足鐵路無線通信系統(tǒng)的發(fā)展要求。而基于4G/5G通用軟硬件技術(shù)的FRMCS將是鐵路車地無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。得益于4G/5G通用的軟硬件模塊，也可以實現(xiàn)未來的長0303 2.1FRMCS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分析FRMCS旨在建設(shè)數(shù)字化、智能、高效的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)。相比傳統(tǒng)GSM-R承載的TCS列控和語音列調(diào)外，01.01.列車自動運行(ATO)牽引、惰行和制動，送出車門和屏蔽門同步開關(guān)信號，運行速度、控車策略、站內(nèi)停準停穩(wěn)等信息，地面設(shè)備向車載設(shè)備發(fā)送運行計劃、線路數(shù)據(jù)等信息。ATO信息對于車地無線通視頻業(yè)務(wù)在數(shù)字鐵路中發(fā)揮著重要作用。入侵報警、軌旁災(zāi)害報警、維修助手、駕駛員行為評估等功能，大大提高了鐵路安全業(yè)務(wù)范疇，對于可靠性和優(yōu)先級的要求不如列控和列調(diào)業(yè)務(wù)高。在某些區(qū)域例如車站和鐵路站場，非安全視頻業(yè)務(wù)可以考0404102131425267484 2.2FRMCS無線制式和頻率選擇無線電頻率是鐵路移動通信技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件，涉及生態(tài)系統(tǒng)、成本和網(wǎng)絡(luò)性能。以下我們將分880.0MHz（上行，終端到基站）/919.4-925.0MHz（下行，基站到終端）和TDD頻段的1900-1910MHz作為FRMCS的無線頻率。但是由于FDD2*5.6MHz屬于傳統(tǒng)的鐵路無線頻率，雖然3GPP已經(jīng)0505頻段（874.4-880.0MHz/919.4-925.0MHz），但當前這個頻段還缺乏產(chǎn)業(yè)支撐，主流廠家均沒有相關(guān)產(chǎn)品。同時，如何實現(xiàn)4G/5G和GSM-R在這個頻段內(nèi)的共部署而避免相互干擾也還需要理論和工程研究。因此，且5G當前目標是擴大C波段和mmWave 2.3TDD制式分析TDD系統(tǒng)上下行共享同一頻率上的無線幀，通過占用不同的時隙來區(qū)分上下行，用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求不同，靈活TDDTDD支持上下行非對稱業(yè)務(wù)，符合鐵路業(yè)務(wù)特點鐵路多媒體調(diào)度指揮通信、鐵路物聯(lián)網(wǎng)等。TDD系統(tǒng)可以根據(jù)上下行業(yè)務(wù)量的不同關(guān)系，靈活地進行上下行時隙配比，實現(xiàn)對TDDTDD不需要成對頻率，頻率獲取難度相對較低對于FRMCS，2GHz以下頻段可以更好實現(xiàn)大規(guī)模覆蓋已經(jīng)分配給了公網(wǎng)電信運營，如果采用必須有成對頻段的FDD制式，勢必將進一步增大頻率申請的難度。有效利TDDTDD可以利用上下行信道的互易性0606FRMCSFRMCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析鐵路MCX服務(wù)器運營支撐系統(tǒng)FRMCS核心網(wǎng)IP承載網(wǎng)FRMCS無線接入網(wǎng)車載終端手持終端隨著無線通信技術(shù)和虛擬化技術(shù)的發(fā)展，4G和5G時代的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與2G和3G時代相比發(fā)生了巨大絡(luò)結(jié)構(gòu)進一步簡化，縮短了整網(wǎng)端到端傳輸時延。與端到端IP傳輸，這使得業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)解耦成為可能。從整體架構(gòu)的角度來看，F(xiàn)RMCS網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)、無線接鐵路MCX服務(wù)器運營支撐系統(tǒng)FRMCS核心網(wǎng)IP承載網(wǎng)FRMCS無線接入網(wǎng)車載終端手持終端下面對FRMSC最關(guān)鍵的核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)進行業(yè)務(wù)和組網(wǎng)分析。 3.1FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案替代傳統(tǒng)宏基站。此方案一直延續(xù)至LT宏基站產(chǎn)品形態(tài)，轉(zhuǎn)而全線采用分布式基站架構(gòu)。BBU部署在鐵路沿線的機房內(nèi)，RRU部署則比較靈活，可以與0707FRMCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析 共站址雙網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式是在同一站址設(shè)置兩套獨立基站（天饋線采用獨立或共用方式均可形成雙層網(wǎng)絡(luò)。共站址雙網(wǎng)方案在中國城市軌道交通行業(yè)已經(jīng)廣泛部署，大量商用實際證明該方案成熟可靠、工程投資低、運工作頻段0808FRMCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析根據(jù)UIC發(fā)布的FRMCS用例，站場/車站的通信方式很多種，如列車調(diào)度組成員之間以及貨物檢驗人員、列車檢驗人員之間的語音、數(shù)據(jù)和視頻通信、值班人員、地面操作員或任務(wù)關(guān)鍵場景。FRMCS系統(tǒng)在僅有對于交叉、交越區(qū)段，可采用多條線路共用基站的方式，基站設(shè)置在交叉或交越點附近，共用基站設(shè)置多副為避免相互之間產(chǎn)生干擾，可考慮采用窄波瓣※分運營商公網(wǎng)可以使用相同寬頻段漏纜覆蓋，減FRMCS核心網(wǎng)設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)接入控制、注冊和連接管理、接入管理和移動性管理、注冊區(qū)管理、策略控制等基本核心網(wǎng)功能，可承載核心網(wǎng)可靠性要求級別高，在組網(wǎng)方案上必須考慮核心網(wǎng)災(zāi)備。兩套災(zāi)備核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)面網(wǎng)元負荷分擔模式，作為一種經(jīng)濟高效的解決方案，在單點故障時鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)無感鐵路MCX服務(wù)器0909FRMCSFRMCS無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 1900MHz頻譜相比與900MHz在無線覆蓋上有所減弱，為了節(jié)省鐵路運營商的站點投資，需要尋找新技術(shù)來 4.1大功率終端提升FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋EUTRAClass1ToleranceClass2ToleranceClass3ToleranceClass4Toleranceband(dBm)(dB)(dBm)(dB)(dBm)(dB)(dBm)(dB)1------4------5------6------9----------------------------------------------------1010FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)EUTRAClass1ToleranceClass2ToleranceClass3ToleranceClass4Toleranceband(dBm)(dB)(dBm)(dB)(dBm)(dB)(dBm)(dB)-----------------------------------------------------------------------------0------------------------60%左右，可以極大減少FRMCS網(wǎng)絡(luò)站點投資。目前，UIC已在FRMCS標準中定義了cabradio發(fā)射功率可達 4.2多陣列智能天線提升FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，多天線發(fā)射和多天線隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，多天線發(fā)射和多天線3~53~5dB@coverageCapacity：TDD8T8RTDD4T4RA1111FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 多普勒頻移在高速移動場景下，受多普勒效應(yīng)影響，接在高速移動場景下，受多普勒效應(yīng)影響，接在列車高速移動情況下，終端用戶發(fā)生頻繁針對多普勒頻移問題，基站利用上行信道導(dǎo)頻信號進行終端頻偏預(yù)估，并對終端頻率進行持續(xù)校正。通過該技fff+fd\θf+fdf從LTE時代開始，分布式基站架構(gòu)廣泛應(yīng)用，基于分布式基站架構(gòu)開發(fā)的RRU共小區(qū)技術(shù)已成熟應(yīng)用。通過RRU拉遠，一個BBU下的多個RRU可以在位置上分屬不同站址，但是在邏輯上屬于同一個小區(qū)。這樣列車在多個Cell2Cell1RRU0RRU1RRU2Cell2Cell1RRU0RRU1RRU2RRU31212FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)冗余方案提升FRMCS無線網(wǎng)絡(luò)可靠性在鐵路無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，最為關(guān)注的就是網(wǎng)絡(luò)整體的可靠性，需要確保單點故障不能影響安全類行車業(yè)務(wù)。在實際鐵路無線網(wǎng)絡(luò)部署中，可采用組網(wǎng)冗余、設(shè)備冗余、單板冗余等無線網(wǎng)絡(luò)通過部署同站址雙網(wǎng)實現(xiàn)同一區(qū)域的無線冗余覆蓋。正常情況下雙網(wǎng)同時工作，終端可以通過參數(shù)以通過環(huán)型組網(wǎng)的方式連接，當連接BBU以通過環(huán)型組網(wǎng)的方式連接，當連接BBU和RRU的光纖故障時，可以實BBURRURRURRU如果FRMCS核心網(wǎng)故障，鐵路關(guān)鍵業(yè)務(wù)將受到很大影響。因此，如果FRMCS核心網(wǎng)故障，鐵路關(guān)鍵業(yè)務(wù)將受到很大影響。因此，F(xiàn)RMCS核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)面網(wǎng)元應(yīng)該采用主備方案來保證在設(shè)備故障后整網(wǎng)用戶面業(yè)MCXServerMCXServer1+1redundancy除了組網(wǎng)和設(shè)備級的冗余方案，F(xiàn)RMCS網(wǎng)絡(luò)的基站和核心網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵電源模塊，主要控制處理單板等也都應(yīng)該具備冗余備份能力。主用單板故障后系統(tǒng)應(yīng)該有能力自動切換到備用單板，無需人工干預(yù)。另外，網(wǎng)絡(luò)設(shè) 華為積極與產(chǎn)業(yè)伙伴一起深入研究4G/5G無線寬帶技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用，同時推動4/5G大功率終端的標準業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。LTE網(wǎng)絡(luò)支持平滑升級到5G，使能FRMCS方案面向未來持續(xù)演進，在保護客戶投資和業(yè)務(wù)穩(wěn)定運1313