铁路通讯需求日益多元 LTE-R标准2022年上路

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　　铁路通讯的应用情境多样化，例如车内、车厢之间、车对铁道等，因此铁路运营业者通常同时将窄频和宽带无线通信技术运用于列车无线通信系统，如TETRA、数字移动无线电(DMR)、GSM和Wi-Fi等。

　　铁路通讯直接进入4G世代

　　国际铁路联盟(UIC)于1995年评估了TETRA和GSM两项技术的特性，最后选择GSM作为铁路通讯技术基础，发展GSM-R(GSM-Railway)成为铁路国际无线通信标准。

　　GSM-R为第二代移动通信技术，属于窄频通讯系统，频谱利用率较低，主要承载语音业务和少量数据业务，数据速率较低，一般仅为2,400~9,600bps，使得在现有GSM-R平台上开拓各种新业务有其难度。 其次，随着通讯技术改朝换代，GSM-R相关设备、技术支持等预计至2030年结束;最后，随着铁路通讯网络朝向融合、宽带、创新等方向发展，将所有的通讯需求整合到单一网络运行亦存在需求。

　　因此，UIC从2008年开始着手铁路下世代行动通讯系统研究，2009年和2010年先后发布铁路下世代行动通讯系统业务需求和技术需求白皮书;另外在2010年12月召开的第七届世界高速铁路大会中， UIC明确表示3G技术不适用于铁路，因此高铁通讯将跨越3G，直接发展「准4G」技术。

　　2014年4月，UIC提出铁路下世代行动通讯发展规画，并与3GPP合作展开标准化工作。 根据UIC提出的LTE-R(LTE-Railway)发展步骤，于2014年9月开始进行Release 12(R12)工作，R12是LTE-R网络建设的重要环节，主要是对R11标准化作进一步开发和实体研究。

　　为了能在2020年形成标准，并在2022年开始布建，UIC进一步于2016年3月发布未来铁路行动通讯系统-用户需求规范(Future Railway Mobile Communication System-User Requirements Specification)，拟定了新一代铁路通讯用户需求规范。 同年3GPP工作组SA1着手研究，为UIC确定哪些FRMCS要求在3GPP的工作范围内，并完成与R14中现有功能的差距分析，列为3GPP R15所需工作。

　　中/欧/韩均采用1GHz以下频段

　　当GSM技术确立为铁路无线通信技术之后，选定一个共同的频段能够通行各个国家成为铁路无线通信系统运行的关键要素。 以往铁路通讯系统已使用的450/460MHz频段，已无足够的带宽满足未来无线电应用。 因此1995年ETSI (European Telecommunications Standards Institute)在UIC委托下，衡量无线电传播和系统可用性等诸多原因，900MHz频段被证明是最合适的频段， 为GSM-R规划了876~880 MHz(上行链路)和921~925 MHz(下行链路)两个频段。

　　为了提供更多应用、更高质量于高速铁路(High Speed Rail，HSR)的通讯，LTE-R频率的选择为至关重要，包括欧洲铁路局(ERA)、中国铁路和UIC都已着手讨论HSR使用的频谱分配。

　　目前，大多数已商转的LTE系统大多运行在1GHz以上的频段，例如1.8GHz、2.1GHz、2.3GHz和2.6GHz等，低频段700~900MHz在部份国家亦有商转。 以频谱特性而言，高频谱有较大的带宽，可提供较高传输流量有助传输速率的提升，低频谱则可提供较长距离的覆盖。

　　LTE-R若运行在高频谱，则基站建置密度要求较高，因为高频谱有较高的传播损耗、较严重的讯息接收衰落，因此LTE-R基地台之间的距离必须小于2公里，如此将导致基地台数增加、投资成本激增，基地台间的频率也必须频繁地切换。 有鉴于此，低频频谱如450~470MHz、800~900MHz和1.4GHz也被广泛考虑提供给LTE-R使用，其中450~470MHz一直被铁路业使用、900MHz用于GSM-R，因此这两个频率最可能继续延用于LTE-R (表1)。

　　以中国为例，450~470MHz早用于中央党政机关、军队、铁路、公安等部门通讯和一些企事业单位的指挥调度系统的通讯频率。 450MHz由于频段低，传播损耗小，绕射能力强，采用相同数量的基地台，可以覆盖更大范围。 相同的发射功率和传播条件下，同样是运行FDD-LTE技术，450MHz的覆盖距离约是1.8GHz的3.5倍，覆盖同样区域的行动通讯网络，使用450 MHz频段所需要的基地台数量仅为1.8GHz的8.3%， 非常适合于铁路通讯建设，因此中国铁路局评估沿用450~470MHz运转LTE-R。

　　欧洲方面，UIC在其所公布的FRMCS中表示，LTE-R要建立在当前GSM-R的基础上，以重复利用已投资的基础设施，如此可以节省高额的布建成本;再者，铁路公司也考虑继续使用现有的GSM-R系统，届时平滑升级至LTE-R。 因此，1GHz以下的频谱在欧洲被视为具有高度成本效益的选择将优先被采用。 而在韩国方面，因全国性的PS-LTE(Public safety-LTE)网络已閞始布建，并且运转于700MHz，因此与PS-LTE同步进行的LTE-R也运行于700MHz。

　　在UIC还没定下全球LTE-R标准之前，韩国先自行开发，将第四代LTE应用于国家铁路平台，于2014年就开始进行LTE-R相关技术的发展，韩国政府计划在全国范围内建立并安装LTE-R基站，投资预算达16亿美元， 到2025年覆盖全国铁路网总长约5,000公里。

　　LTE-R标准2022年展开导入

　　推动进程方面，配合3GPP R15、R16标准确立的时程，欧盟规划于2018年确立铁路未来通讯系统详细的系统定义以及世代交替策略，并在2020年底进行场域测试、2022年底开始进行系统迁移至下世代通讯技术。

　　由于铁路通讯的应用情境多样化，例如高速火车的普及、火车/轨道信号和语音通讯、或是火车/轨道影像通讯，或因应紧急救灾通讯需求，使LTE技术成为下世代铁路无线通信最适选择。 因此UIC与3GPP合作，将铁路应用所需的技术、规范纳入LTE标准制定与讨论，尤其在R15。 依目前规划预计2020年LTE-R标准确立，2022年可以开始导入。

　　中/欧频谱政策各有难题待解

　　观察LTE-R发展相对快速的国家如韩国、欧盟、中国等，发展LTE-R有各自不同的命题。 韩国于2014年着手布局全国公共安全PS-LTE网络时，即整合铁路、海事之应用。 当3GPP尚在规范LTE-R标准时，韩国就规划于2017年底完成属于韩国标准的LTE-R，显见其意在于藉由PS-LTE、LTE-R等项目，建立韩国无线列车控制系统，确保铁路信号和通信方面世界领先技术能力， 同时也促使韩国LTE-R供应链的完备。

　　欧盟LTE-R的发展最大问题在于频谱的决定。 欧洲国家土地相连，跨国列车若使用不同频谱，将造成通讯系统的不一致性;另一方面未来面临短距离无线通信设备(SRD)、物联网(IoT)等应用的兴起，欧洲各国之间的频谱需求，将造成未来铁路通讯频谱达成全欧一致性的难度提高， ETSI与UIC规划将于WRC-19会议进一步提出讨论。

　　中国监管部门若将450MHz频段部分频谱划为LTE-R使用，除了邻频干扰问题之外，最大的难题是450MHz缺乏LTE产业链的支持。 由于450MHz尚不是3GPP所定义的行动通讯频谱，所以现在几乎没有网络设备和终端支持。 电信业者中国联通一直在推动450MHz频段运转FDD-LTE技术成为大陆IMT规划方案，2017年初中国的管理当局已初步同意，并要求中国联通进行相关标准化工作， 例如将450MHz新增B1划分方案列入在ITU-RM.1036建议书中，期能在3GPP完成新增相关带宽。