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 5G-R 試驗頻率的消息，引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關注。
究竟什么是 5G-R？為什么工信部會在此時批復 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。
在批復中，5G-R 被稱為“基于 5G 技術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。
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，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)絡建設。
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、列車進路預告、調(diào)度命令信息等。
這些都關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)務包括：平面調(diào)車、調(diào)車監(jiān)控、編組站自動化、客站服務、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，沒有高速適應性要求），偏 eMBB（增強移動寬帶）場景。
3、鐵路沿線基礎設施
除了列車之外，鐵路沿線的基礎設施，也有通信需求。
例如，鐵路沿線電務、工務等專業(yè)基礎設施設備（橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、鐵塔等，目前重要的線路信號等設備還是有線通信為主）。
這幾年，鐵路沿線洪水、山體滑坡等自然災害頻發(fā)。為了監(jiān)測災害，鐵路部門設置了很多監(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，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。
█ 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，專門為鐵路行業(yè)設計的無線通信系統(tǒng)。
上世紀 90 年代初，GSM 標準剛剛確立的時候，西門子公司就開始醞釀和起草 GSM-R 技術標準。
后來，國際鐵路聯(lián)盟（UIC，International Union of Railways）和歐洲電信標準協(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 標準。
與傳統(tǒng) GSM 標準相比，GSM-R 主要增加了鐵路專用調(diào)度通信的相關功能。
目前，我們國家主要使用的鐵路專網(wǎng)通信技術，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。
90 年代 GSM-R 在歐洲出現(xiàn)之后，我們國家也及時進行了學習和引進。
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 標準，作為我國新一代鐵路無線通信國家標準。
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，實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡化升級。
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？
當然是因為 5G-R 更先進。
時至今日，基于 2G 技術構建的 GSM-R 標準，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，具備超大帶寬、超低時延、海量連接的特點，網(wǎng)絡性能幾乎碾壓 GSM-R。
在網(wǎng)絡能力上，5G-R 支持網(wǎng)絡切片、邊緣計算等業(yè)務，可以為鐵路關鍵業(yè)務提供服務質(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)務類型、組網(wǎng)方式和性能要求上。
業(yè)務類型前面已經(jīng)介紹過了，鐵路有自己很多的特殊業(yè)務。
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，需要與鐵路部門的生產(chǎn)方式、組織方式相匹配，進行適當?shù)慕M網(wǎng)改造。
下面這張圖，是 5G-R 的一個組網(wǎng)架構示意：
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 專用設備，例如鐵路寬帶集群通信（MCX，Mission Critical X-Service，關鍵業(yè)務）設備、5G 智能網(wǎng)（5G-IN）、5G 設備識別寄存器（5G-EIR）等。
這個 MCX 設備，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。還可以實現(xiàn)與鐵路固定電話網(wǎng)互聯(lián)互通，滿足公務通信需求。
█ 5G-R 標準由誰負責制定？
5G-R 基于 5G（IMT-2020），而 5G 的標準制定當然是大名鼎鼎的標準化組織 ——3GPP（第三代合作伙伴項目）負責。
目前，5G 已經(jīng)經(jīng)歷了 3GPP R15-R17 階段。R18 也即將凍結，它將開啟 5G-Advanced（5.5G）時代。
國際上另外一個專門負責鐵路通信標準研究的組織，是前面提到的，參與制定 GSM-R 標準的 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，是在 2025 年推出基于 R17 版本的第 1 版 FRMCS，在鐵路試點應用。
國內(nèi)在 5G-R 標準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），設頻譜、標準、服務、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、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施的建設和應用，豐富應用場景，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，構建泛在先進、安全高效的現(xiàn)代鐵路信息基礎設施體系”。
后來，國鐵集團先后印發(fā)《國鐵集團關于加快推進 5G 技術鐵路應用發(fā)展的實施意見》、《鐵路 5G 技術應用科技攻關三年行動計劃》，積極部署 5G-R 應用，以及技術研究。
根據(jù)行業(yè)的初步預測，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?；?900MHz 頻段的 5G-R 研究，也已經(jīng)在啟動推進之中。
█ 這次批復試驗頻率，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的重要前提條件。
確定了頻譜，產(chǎn)業(yè)界進行技術研究就有了目標，對于這項技術，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，以及與鄰頻段相關系統(tǒng)的兼容共存。
在核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和接入網(wǎng)設備方面，在終端和模組方面，相關工作也可以大跨步向前推進。
█ 結語
高鐵是我們的國家名片，5G 也是。
工信部適時批復試驗頻譜，顯示出我們國家大力推動鐵路數(shù)字化建設的決心。
結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！
好啦，以上就是今天文章的全部內(nèi)容。感謝大家的耐心觀看！
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參考資料：
1、鐵路 5G-R 研發(fā)關鍵問題探討，姜永富，中國鐵路；
2、鐵路 5G-R 技術標準體系研究，王芳、石波、藺偉，中國鐵路；
3、鐵路 5G 專網(wǎng)系統(tǒng)架構和組網(wǎng)技術研究，周宇暉，中國鐵路；
4、鐵路 5G 專網(wǎng)：是什么？如何建？，胡媛，通信產(chǎn)業(yè)報；
5、淺析下一代鐵路移動通信系統(tǒng)，大花貓，知乎；
6、工信部批復鐵路新一代移動通信系統(tǒng)試驗頻率，工信微報；
7、百度百科、維基百科。
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