2024精华文(5)3GPP在铁路系统的技术演进

文摘   2024-07-20 20:17   瑞典  
2024年精华文第五篇,汇总3GPP标准化组织在铁路上应用蜂窝系统的技术演进。

铁路系统进行电信标准化的好处显而易见:它提高了互操作性、安全性、可靠性和效率,并降低了通信故障的风险。它还使铁路系统各方更容易合作,这对国际铁路交通尤为重要。铁路界信任3GPP为铁路电信提供标准,3GPP通过创建和维护特定标准来满足需求。铁路与(当时仅限欧洲的)电信标准化机构之间的这种关系实际上早在3GPP成立之前就开始了:第一个铁路专用电信标准GSM-R(全球移动通信系统-铁路)是GSM的“衍生品”,由ETSI SMG开发,后来被3GPP继承。作为GSM标准的维护机构,3GPP也是GSM-R继续存在的地方。就市场时间表而言,3GPP 的 3G 系统(UMTS)没有铁路专用版本。但随后,3GPP与铁路社区之间的联系随着4G系统 (LTE) 而变得更加紧密,随着5G的出现而更加紧密。
早期的铁路社区包括UIC和ETSI TC RT。其中UIC是法文Union Internationale des Chemins de fer。号称国际铁路联盟,铁路公司(火车公司、火车设备制造商、监管机构等)拥有良好的组织结构,特别是“铁路内部工会”,总部设在法国,其法语名称就是上述的:“国际铁路联盟 (UIC)”,这个组织乐于接纳来自世界各地的成员,其全球的成员分布如下图所示:

UIC的更进一步信息可访问其官方网页:http://uic.org 。UIC处理了从各种(主要是模拟)通信系统到他们选择基于 GSM 的国际数字系统的过渡:GSM-R。另外一个是ETSI TC RT,这个是ETSI Technical Committtee “Railway Telecommunication”的缩写。可以翻译为ETSI技术委员会“铁路电信系统”。ETSI 技术委员会“铁路电信”(ETSI TC RT)。
在采用GSM-R后,几位UIC成员参与创建了专门用于GSM-R的ETSI技术委员会,称为“RT”,代表铁路电信。ETSI TC RT是一个由铁路和行业成员组成的专家小组。它继续并发展ETSI与GSM-R标准的维护和开发相关的工作,最初与ETSI SMG(定义 GSM 和 GSM-R)合作,然后与3GPP合作。TC RT的主要任务是维护使用GSM的规范以满足铁路的要求,并根据相关的欧洲指令更新和开发现有的ETSI标准。TC RT还与铁路行业合作,致力于永久改进GSM-R系统,例如为国际列车提供漫游服务,并为欧洲和全球用户的所有新需求提供解决方案。为了维护GSM-R标准,TC RT向 3GPP提交变更请求,以相应地更新“普通”GSM标准,但还处理三个专用的ETSI规范,即:
    EN 301 515: Requirements for GSM operation on railways
    TS 102 610: Usage of the User-to-User Information Element
    TS 102 281: Detailed requirements for GSM operation on Railways
这里需要注意的是,RT的输出是通过参与两个委员会的公司带到3GPP的(而不是直接以RT的名义,RT不是法人实体)。另一方面,从R17开始,UIC 代表直接参与3GPP。

我们在本文中将按照技术演进的时间分成几个阶段来汇总。
第一阶段,在3GPP之前:GSM-R
我们从GSM-R的特征文本EIRENE和MORANE开始:

自20世纪90年代,国际铁路联盟 (UIC) 发起了EIRENE(欧洲综合无线增强网络)项目,欧盟发起了MORANE(欧洲铁路网络移动无线)项目,以此创建泛欧洲铁路电信系统。这些项目和ETSI规范工作的成果是,GSM-R 被选为铁路互操作无线系统,并于1997年由欧洲决定强制使用。32个UIC 成员签署了一份谅解备忘录 (MoU),承诺签署方将在其无线应用中使用铁路 GSM (GSM-R)。GSM-R于20001年开始在欧洲实施。这是优点行业标准的意思了。从那时起,GSM-R不仅继续向东欧扩展,还向全球扩展,包括中国、印度、阿尔及利亚、土耳其和沙特阿拉伯等国家。

那么什么是GSM-R准确描述呢?
GSM-R是一种标准,它定义了GSM作为铁路运输基础设施运营商网络的使用。我们都知道,大名鼎鼎的GSM是2G蜂窝移动系统的最为成功的制式,目前全球仍有数十亿人在使用。它是一种数字系统,使用时分多址 (TDMA) 和频分多址 (FDMA) 的组合为移动设备提供语音和数据服务。GSM有广泛的应用,包括语音通话、短信和移动互联网接入等。而GSM-R 是GSM的一个专门版本,专为铁路通信系统而设计。铁路公司使用它来在列车、车站和控制中心之间提供语音和数据通信。

GSM和GSM-R之间的一个主要区别是它们工作的频段。GSM-R(带扩展频段)上行链路工作在873 MHz至880 MHz,下行链路工作在918 MHz 至925 MHz 。“非 RT”GSM 工作在更宽的范围,横跨全球从890 MHz到 1990 MHz(存在间隙,即并非所有890到1990 MHz 之间的频率都分配给GSM,例如在欧洲,“非 RT”GSM 不能使用GSM-R频率。)。分配给每个GSM运营商的确切频段由国家监管机构指定,并且会随时间而变化:如今,一些GSM频率被重新分配给较新的系统(这称为“重新分配”)。除了专用频率外,GSM-R还广泛使用一些(相当具体的)GSM功能,例如:功能寻址、位置相关寻址以及一些专用移动无线 (PMR) 功能,例如“语音组呼服务”、“语音广播服务”和“优先级和抢占”等。GSM-R的采用是一个渐进的过程,由UIC管理,UIC管理推出计划并处理部署时出现的问题。从那时起,GSM-R的采用就由欧盟强制要求,即欧洲每个新的铁路电信系统都必须是 GSM-R。GSM-R标准实现了许多针对铁路环境的应用和要求,包括时速高达350 公里/小时的数据和语音通信。

第二阶段,早期3GPP版本,
包括初始版本R99(1999)和R9(2009)
在3GPP的早期,铁路与3GPP之间的互动在某种程度上是有限的:3GPP 主要关注第三代移动系统,也称为UMTS。但这项新技术并未被铁路界采用:它来得太早了,因为他们刚刚采用GSM-R。也就是说,3GPP和铁路的时间表是不同的:3GPP面向公众,大约每2年发布一个新版本,大约每 10年发布一个新一代网络技术规范(与之前的版本不兼容),如下所示 - 也显示了版本命名的最初混乱:常规增量模式仅从2001年的R4开始:

这个演进频率对于比较激进时髦的消费者来说,适合大约每两年更换一次手机(用户设备,UE)习惯。对于铁路界,就像其他几个行业一样,需求发展速度要慢得多,投资回报需要更长的时间。在这种情况下,铁路界决定不采用任何基于3G的系统。因此,在3GPP存在的第一个十年(大约从 1999年到2009年的R9),由于当初3GPP专注于UMTS,3GPP和铁路界之间几乎没有互动。实际上,在R99版、R5、R6、R7和R9版中根本没有互动。R4和R8版的增强功能引入了一些特定的、大多与无线无关的增强和更正。

GSM-R使用的语音相关项目(ASCI、VGCS、VBS)的改进
在R4(2001年)中,在WI项目“高级语音呼叫项目 (ASCI) 增强”下引入了一些GSM-R改进,涉及语音组呼服务 (VGCS,在 TS 43.068 中) 及其相关控制 (TS 44.068),以及语音广播服务 (VBS,在 TS 43.069 中) 及其相关控制 (TS 44.069),因此也影响了无线接口 (TS 24.008) 的第3层 (UE 到 CN)协议。更准确地说,欧洲委员会的互操作性技术标准 (TSI) 要求增强 GSM-R以涵盖高速列车 (HST) 互操作性。这些增强包括:可以添加操作员到调度员的信息、定义ASCI相关事件记录以及引入VGCS/VBS加密。此外,还进行了多项独立更正,这些更正可视为对ASCI功能的维护。在R8(2008 年)中,引入了一些额外的(可选)VGCS 功能,主要针对铁路应用,但也可用于公共网络,特别是用于公共当局官员的通信。这些功能包括能够在群组成员(包括调度员)之间发送和接收少量数据,只需短距离往返(500 毫秒),而不会影响群组通话的语音质量;以及从服务用户向网络发送指示/少量数据。这旨在作为一种简单的方式(例如,按下一个按钮)来请求调度员重新加入群组通话,而无需进行点对点呼叫来联系调度员(这需要太多的 MMI 操作)。这由“EVA”WI项目(VGCS 应用增强功能)涵盖,其中涉及多个3GPP小组:SA1或服务方面以及VGCS/VBS和 GPRS交互(涵盖在TS 42.068、42.069中)、一些协议方面(涵盖在TS 43.068、44.068中的CT1和29.002中的CT4),以及一些无线方面(涵盖在TS 44.018、48.008中的GERAN2中)。也是在R8中,人们首次发现了铁路界和公共当局(也称为“关键任务”)的要求之间的一些共同点:确实都从专用网络(例如TETRA、P25)转向了3GPP系统的“衍生产品”,以满足他们的特定需求,即一个非常安全、有弹性的系统,主要支持群组通话,可能涉及一个“中央实体”(调度员)和多达数百名参与者(更大的群组主要使用即按即说或基于文本的通信)。

5G6G网络与协议
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