鐵路5G專用移動通信系統(tǒng)頻率應(yīng)用研究

孫 昱

目前,我國鐵路已應(yīng)用多種專用移動通信技術(shù),包括鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）［1］、列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)、站場寬帶無線接入系統(tǒng)和高速鐵路列車運行控制中應(yīng)答器系統(tǒng)、車號自動識別系統(tǒng)等。GSM-R系統(tǒng)基本覆蓋了我國全部高速鐵路和部分普速鐵路,但由于GSM-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力有限,以話音業(yè)務(wù)和低速數(shù)據(jù)應(yīng)用為主,屬于窄帶通信系統(tǒng),無法滿足未來鐵路移動通信系統(tǒng)對更高帶寬、更高數(shù)據(jù)速率的需要,而且隨著GSM-R產(chǎn)品生命周期已到達(dá)末期,預(yù)計2030年前后設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)將終止GSM-R產(chǎn)品生產(chǎn)及技術(shù)支持［2］。所以,擴展頻率資源已成為鐵路新一代無線通信系統(tǒng)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)運營商頻率應(yīng)用

根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定（2018年）》［3］,400 M～3 000 MHz頻段內(nèi)劃分用于移動業(yè)務(wù)的頻率資源共1 746.4 MHz,我國移動通信系統(tǒng)頻率分配情況見表1。

表1 我國移動通信系統(tǒng)頻率分配情況 MHz

目前國內(nèi)共有中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和廣電網(wǎng)絡(luò)4家運營商。其中,中國移動擁有TDD（時分雙工）頻段共255 MHz和FDD（頻分雙工）頻段共40 MHz帶寬使用權(quán)［4］；中國聯(lián)通擁有TDD頻段共122 MHz和FDD頻段共56 MHz帶寬使用權(quán)；中國電信擁有TDD頻段共100 MHz和FDD頻段共51 MHz帶寬使用權(quán)；廣電網(wǎng)絡(luò)擁有700 MHz和4.9 GHz頻段共120 MHz帶寬用于發(fā)展5G業(yè)務(wù)。國內(nèi)運營商無線電具體頻率應(yīng)用情況見表2。

表2 國內(nèi)運營商無線電頻率應(yīng)用

1.2 國外鐵路頻率應(yīng)用

2015年,WRC-15（世界無線電通信大會）確定了鐵路相關(guān)議題,各國在ITU層面對鐵路無線電通信系統(tǒng)進(jìn)行研究,現(xiàn)已在WRC-19上形成了推動全球鐵路無線電通信系統(tǒng)頻率協(xié)調(diào)一致的新決議 （RESOLUTION240）［5］。

歐洲已經(jīng)提出未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS）,將其明確為GSM-R的繼任者,但同時認(rèn)為GSM的生命周期將持續(xù)到2030年甚至更長。歐盟對于FRMCS可能使用的頻段也進(jìn)行了大量研究,根據(jù)歐盟委員會下屬的無線頻率委員會發(fā)布的決議,在目前GSM-R的2×4 MHz頻率資源的基礎(chǔ)上,將FRMCS的頻率擴展為2×5.6 MHz（874.4 M～880 MHz/919.4 M～925 MHz）,同時正在考慮使用1 900 M～1 920 MHz和2 290 M～2 400 MHz的部分頻段作為900 MHz頻段的補充。

德國鐵路計劃2019?2024年進(jìn)行5G的研究和試驗,期間繼續(xù)部署900 MHz GSM-R系統(tǒng)；2025?2029年在部分區(qū)域部署5G,采用900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)和900 MHz/1.9 GHz/2.3 GHz頻段5G系統(tǒng)混合組網(wǎng)；2029?2034年大規(guī)模部署5G,GSM-R系統(tǒng)所用頻譜逐步重耕為5G系統(tǒng)。在混合組網(wǎng)階段,GSM-R系統(tǒng)主要承載語音和ETCS控制業(yè)務(wù),5G系統(tǒng)主要承載ATO和關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)。

1.3 國內(nèi)鐵路頻率應(yīng)用

我國目前主要在用無線通信系統(tǒng)主要包括:GSM-R系統(tǒng)、列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)、站場調(diào)車和養(yǎng)護(hù)維修通信系統(tǒng)、車號自動識別系統(tǒng)、列車安全防護(hù)報警系統(tǒng)、站場寬帶無線接入系統(tǒng)和高速鐵路列車運行控制應(yīng)答器系統(tǒng)等。

GSM-R系統(tǒng)用于普通移動電話、列車無線調(diào)度通信（車機聯(lián)控）、列車無線車次號校核信息、調(diào)度命令、列車進(jìn)路預(yù)告信息、高鐵列控（CTCS-3）系統(tǒng)、青藏鐵路列控系統(tǒng)（ITCS）、重載鐵路（大秦線及周邊重載線路）機車同步操控系統(tǒng)、列控狀態(tài)信息和司機操控信息等業(yè)務(wù)傳送。使用的頻段為上行885 M～889 MHz,下行930 M～934 MHz。目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋了全部高鐵和部分普速線路,截至2020年底,GSM-R系統(tǒng)運營里程達(dá)8萬km。GSM-R系統(tǒng)射頻技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 GSM-R系統(tǒng)射頻技術(shù)參數(shù)

450 MHz無線列調(diào)自20世紀(jì)70代開始在中國使用,布設(shè)于普速鐵路,承擔(dān)了車機聯(lián)控“大三角”“小三角”調(diào)度通信業(yè)務(wù)。使用的頻段為457.2 M～458.65 MHz/467.2 M～468.65 MHz,帶寬25 kHz。2013年起,國鐵集團(tuán)按國家450 MHz頻率調(diào)整要求,結(jié)合既有鐵路擴能改造和設(shè)備更新,逐步裝備GSM-R系統(tǒng)。截至2019年底,我國仍然有6.2萬km普速鐵路線配備450 MHz無線列調(diào)系統(tǒng)［6］。

車號自動識別系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備設(shè)置在鐵路局分界口站、車輛段等車輛造修點,用于70多萬輛貨車車輛的位置跟蹤和費用清算。2000年起與聯(lián)通共用910.10、912.10、914.10 MHz3個單載波部署系統(tǒng)。

列車安全防護(hù)系統(tǒng)2000年起全面應(yīng)用于鐵路各線列車無線防護(hù)報警、客貨列車接近安全預(yù)警、道口防護(hù)報警、施工防護(hù)報警,主要包括車載通信設(shè)備（CIR）、施工作業(yè)人員使用的袖珍式預(yù)警接收機、便攜式防護(hù)報警設(shè)備、道口防護(hù)報警設(shè)備。使用的頻點為821.237 5 MHz和866.237 5 MHz,共2個25 kHz窄帶載波。全國現(xiàn)已部署機車安全防護(hù)報警設(shè)備4.8萬套。

列車尾部安全防護(hù)裝置用于普速鐵路各線客、貨列車尾部風(fēng)壓檢測、輔助排風(fēng)制動。旅客列車尾部安全防護(hù)裝置采用800 MHz頻點,現(xiàn)已部署0.8萬套；貨物列車尾部安全防護(hù)裝置采用450 MHz和400 MHz頻段,現(xiàn)共部署1萬套。

站場無線通信系統(tǒng)在鐵路編組站廣泛應(yīng)用于站場調(diào)車無線通信、駝峰調(diào)車無線通信、調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控,使用的頻段為450、400、150、160 MHz,部分編組站、貨運中心部署了1 800 MHz（1 785 M～1 805 MHz）頻段的寬帶無線接入系統(tǒng)。

高速鐵路無線應(yīng)答器用于高速列車定位、線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（允許速度、坡度等）等安全信息傳送、列車運行控制系統(tǒng)級間轉(zhuǎn)換控制等,是高速鐵路列控系統(tǒng)（CTCS）的重要組成部分。

2 5G專網(wǎng)必要性

2020年3月,中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議,要求加快5G網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。國家發(fā)改委、工信部等國家部委也對包括5G在內(nèi)的新基建的發(fā)展提出了具體要求。2020年8月,國鐵集團(tuán)發(fā)布了“加快推進(jìn)5G技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的實施意見”,加快推進(jìn)鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)。

GSM-R是窄帶數(shù)字移動通信系統(tǒng),4 MHz頻譜帶寬業(yè)務(wù)承載能力有限,在鐵路大站、樞紐地區(qū)及并線區(qū)域,已經(jīng)出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部同頻、鄰頻嚴(yán)重干擾等問題,網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度不斷加大。根據(jù)工信部頻率規(guī)劃,自2012年4月1日起停止450 M～470 MHz頻段無線電發(fā)射設(shè)備的型號核準(zhǔn),不再辦理該頻段無線電發(fā)射設(shè)備型號核準(zhǔn)證書的延期手續(xù)。同時GSM產(chǎn)業(yè)鏈逐漸萎縮,設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)將逐步終止GSM-R產(chǎn)品的生產(chǎn)和技術(shù)支持。

所以,我國鐵路移動通信系統(tǒng)的發(fā)展,既面臨內(nèi)部需求的不斷增加和技術(shù)發(fā)展趨勢的持續(xù)推動,也面臨適用頻率資源枯竭、產(chǎn)業(yè)升級換代等日趨嚴(yán)峻的外部環(huán)境,由GSM-R向下一代鐵路5G專網(wǎng)的演進(jìn)已成為大勢所趨。鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)作為一個系統(tǒng)工程,需要在鐵路部門進(jìn)行全局規(guī)劃,協(xié)調(diào)各單位的力量,有計劃地快速推進(jìn)［7］。因此,首先確定目標(biāo)頻率成為發(fā)展5G專網(wǎng)的先決條件。

3 應(yīng)用分析

3.1 3GPP移動通信系統(tǒng)頻率分配

3GPP（第三代合作伙伴計劃）國際標(biāo)準(zhǔn)組織對于無線電頻率劃分進(jìn)行了明確的規(guī)定,隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展,3GPP組織對2G、3G、4G、5G頻段劃分進(jìn)行了不斷的更新。

目前5G是3GPP定義的主要標(biāo)準(zhǔn)階段,在最新的3GPP發(fā)布的版本中（2020年10月）,5G的頻譜資源主要劃分為2部分:FR1和FR2。5G頻率范圍的定義見表4［1］。

表4 5G頻率范圍的定義

3.2 制式對比

3GPP規(guī)劃的頻段可分為FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）兩大制式。FDD和TDD的差異主要在幀結(jié)構(gòu)、上/下行時隙配比、特殊時隙應(yīng)用、同步信號、混合自動重傳請求與隨機接入過程等方面［8］。通過對其最核心差異幀結(jié)構(gòu)和上/下行時隙配比分析,TDD與FDD技術(shù)對比見表5。

表5 TDD與FDD技術(shù)對比

3.3 國內(nèi)運營商及相關(guān)行業(yè)頻率應(yīng)用

目前國內(nèi)使用于5G的FR1頻譜資源大多已分配給運營商和其他相關(guān)行業(yè),具體頻率分配情況見表6［9］。

表6 FR1頻譜資源在國內(nèi)各行業(yè)分配情況

續(xù)表6

目前國內(nèi)未分配的FR1頻譜資源僅剩n1標(biāo)準(zhǔn)頻段共2×15 MHz資源（上行1 965 M～1 980 MHz、下行2 155 M～2 170 MHz）。考慮到鐵路5G專網(wǎng)承載業(yè)務(wù)帶寬需求、頻率申請難度和運營商頻率實際應(yīng)用等方面因素,建議將該頻段資源作為鐵路5G專網(wǎng)的目標(biāo)頻率。

3.4 鐵路5G專用頻率應(yīng)用分析

鐵路5G專網(wǎng)采用n1頻段,符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,國內(nèi)主流設(shè)備廠家具有該頻段設(shè)備自主生產(chǎn)能力,可以針對鐵路特殊需求定制開發(fā),適合鐵路行業(yè)應(yīng)用。

n1頻段可以采用4T 4R系統(tǒng),其具有更高的頻譜效率。通過對比2T 2R和4T 4R的性能,在測算小區(qū)容量時,應(yīng)按照多個終端多個天線同時工作時所能達(dá)到的總數(shù)據(jù)量。因此較2R,采用4R頻譜效率增益為1.7倍［10］。經(jīng)過調(diào)研和推算,發(fā)現(xiàn)在大型客站區(qū)域鐵路正線業(yè)務(wù)量最大,采用n1頻段的可申請空閑頻率,可以滿足鐵路正線區(qū)域相關(guān)業(yè)務(wù)需求。

5G系統(tǒng)的子載波帶寬設(shè)置為30 kHz,當(dāng)列車以350 km/h的速度運行時,n1和n3頻段目標(biāo)頻率下產(chǎn)生的最大多普勒頻移為±0.7 kHz。根據(jù)UE（用戶設(shè)備）移動速度,5G可靈活增加終端DMRS（解調(diào)參考信號）和PTRS（相位跟蹤參考信號）的密度,能夠更好地跟蹤上/下行信道變化,提升系統(tǒng)性能。目前頻偏補償技術(shù)可以實現(xiàn)±14 kHz范圍內(nèi)的頻偏補償,理論上可滿足500 km/h列車高速運行要求。

n1頻段頻率分配情況見圖1。鐵路在n1標(biāo)準(zhǔn)頻段可選取上行1 965 M～1 975 MHz和下行2 155 M～2 165 MHz作為申請目標(biāo)頻率,總帶寬2×10 MHz。該頻率下端與聯(lián)通4G頻率相鄰,兩者之間沒有頻率保護(hù)間隔；上端與衛(wèi)星頻率相鄰,兩者之間有5 MHz的頻率保護(hù)間隔。

圖1 n1頻段頻率分配情況

鐵路n1目標(biāo)頻段與衛(wèi)星頻率有5 MHz的頻率保護(hù)間隔,為避免鐵路基站對相鄰衛(wèi)星頻段的干擾,可以采用在鐵路基站加裝2×l0 MHz窄帶濾波器、降低5G基站發(fā)射功率及調(diào)整5G基站天線最大輻射方向等綜合措施。

對于n1頻段的FDD系統(tǒng),鐵路基站與運營商（聯(lián)通）基站之間、鐵路終端與運營商終端之間有至少155 MHz的頻帶隔離,所以帶外雜散干擾可忽略不計。對于運營商終端與鐵路基站之間、運營商基站與鐵路終端之間的鄰道干擾,按照“次要業(yè)務(wù)讓主要業(yè)務(wù)、后用讓先用、無規(guī)劃讓有規(guī)劃”的原則,考慮到終端所處的位置隨機變化且不可控,建議采用共建共享模式,鐵路基站可以協(xié)調(diào)與運營商基站同站址部署,可規(guī)避系統(tǒng)間干擾。對于不具備同站址布設(shè)條件的情況,鐵路基站與運營商基站的站址鄰近設(shè)置。

4 結(jié)束語

本文對鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)專用頻率的應(yīng)用進(jìn)行研究,通過制式比較、業(yè)務(wù)需求帶寬等方面的分析,提出了鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)可采用n1標(biāo)準(zhǔn)頻段的空閑頻率；分別對該段頻率的技術(shù)特性、承載能力、高速適應(yīng)性和干擾保護(hù)等方面進(jìn)行研究,提出了該頻段具備承載鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)的可行性。