鐵路通訊需求日益多元 LTE-R標準2022年上路

通訊系統是鐵路的關鍵基礎設施之一，承載了鐵路調度指揮、列車運行控制、故障預警、險情通告、應急救援等任務。 鐵路通訊的應用情境多樣化，例如車內、車廂之間、車對鐵道等，因此鐵路運營業者通常同時將窄頻和寬頻無線通信技術運用於列車無線通信系統，如TETRA、數字移動無線電(DMR)、GSM和Wi-Fi等。

鐵路通訊直接進入4G世代

國際鐵路聯盟(UIC)於1995年評估了TETRA和GSM兩項技術的特性，最後選擇GSM作為鐵路通訊技術基礎，發展GSM-R(GSM-Railway)成為鐵路國際無線通信標準。

GSM-R為第二代移動通信技術，屬於窄頻通訊系統，頻譜利用率較低，主要承載語音業務和少量數據業務，數據速率較低，一般僅為2,400~9,600bps，使得在現有GSM-R平台上開拓各種新業務有其難度。 其次，隨著通訊技術改朝換代，GSM-R相關設備、技術支持等預計至2030年結束;最後，隨著鐵路通訊網路朝向融合、寬頻、創新等方向發展，將所有的通訊需求整合到單一網路運行亦存在需求。

因此，UIC從2008年開始著手鐵路下世代行動通訊系統研究，2009年和2010年先後發布鐵路下世代行動通訊系統業務需求和技術需求白皮書;另外在2010年12月召開的第七屆世界高速鐵路大會中， UIC明確表示3G技術不適用於鐵路，因此高鐵通訊將跨越3G，直接發展「准4G」技術。

2014年4月，UIC提出鐵路下世代行動通訊發展規畫，並與3GPP合作展開標準化工作。 根據UIC提出的LTE-R(LTE-Railway)發展步驟，於2014年9月開始進行Release 12(R12)工作，R12是LTE-R網路建設的重要環節，主要是對R11標準化作進一步開發和實體研究。

為了能在2020年形成標準，並在2022年開始布建，UIC進一步於2016年3月發布未來鐵路行動通訊系統-用戶需求規範(Future Railway Mobile Communication System-User Requirements Specification)，擬定了新一代鐵路通訊用戶需求規範。 同年3GPP工作組SA1著手研究，為UIC確定哪些FRMCS要求在3GPP的工作範圍內，並完成與R14中現有功能的差距分析，列為3GPP R15所需工作。

中/歐/韓均採用1GHz以下頻段

當GSM技術確立為鐵路無線通信技術之後，選定一個共同的頻段能夠通行各個國家成為鐵路無線通信系統運行的關鍵要素。 以往鐵路通訊系統已使用的450/460MHz頻段，已無足夠的帶寬滿足未來無線電應用。 因此1995年ETSI (European Telecommunications Standards Institute)在UIC委託下，衡量無線電傳播和系統可用性等諸多原因，900MHz頻段被證明是最合適的頻段， 為GSM-R規划了876~880 MHz(上行鏈路)和921~925 MHz(下行鏈路)兩個頻段。

為了提供更多應用、更高質量於高速鐵路(High Speed Rail，HSR)的通訊，LTE-R頻率的選擇為至關重要，包括歐洲鐵路局(ERA)、中國鐵路和UIC都已著手討論HSR使用的頻譜分配。

目前，大多數已商轉的LTE系統大多運行在1GHz以上的頻段，例如1.8GHz、2.1GHz、2.3GHz和2.6GHz等，低頻段700~900MHz在部份國家亦有商轉。 以頻譜特性而言，高頻譜有較大的帶寬，可提供較高傳輸流量有助傳輸速率的提升，低頻譜則可提供較長距離的覆蓋。

LTE-R若運行在高頻譜，則基站建置密度要求較高，因為高頻譜有較高的傳播損耗、較嚴重的訊息接收衰落，因此LTE-R基地台之間的距離必須小於2公里，如此將導致基地台數增加、投資成本激增，基地台間的頻率也必須頻繁地切換。 有鑒於此，低頻頻譜如450~470MHz、800~900MHz和1.4GHz也被廣泛考慮提供給LTE-R使用，其中450~470MHz一直被鐵路業使用、900MHz用於GSM-R，因此這兩個頻率最可能繼續延用於LTE-R (表1)。

以中國為例，450~470MHz早用於中央黨政機關、軍隊、鐵路、公安等部門通訊和一些企事業單位的指揮調度系統的通訊頻率。 450MHz由於頻段低，傳播損耗小，繞射能力強，採用相同數量的基地台，可以覆蓋更大範圍。 相同的發射功率和傳播條件下，同樣是運行FDD-LTE技術，450MHz的覆蓋距離約是1.8GHz的3.5倍，覆蓋同樣區域的行動通訊網路，使用450 MHz頻段所需要的基地台數量僅為1.8GHz的8.3%， 非常適合於鐵路通訊建設，因此中國鐵路局評估沿用450~470MHz運轉LTE-R。

歐洲方面，UIC在其所公布的FRMCS中表示，LTE-R要建立在當前GSM-R的基礎上，以重複利用已投資的基礎設施，如此可以節省高額的布建成本;再者，鐵路公司也考慮繼續使用現有的GSM-R系統，屆時平滑升級至LTE-R。 因此，1GHz以下的頻譜在歐洲被視為具有高度成本效益的選擇將優先被採用。 而在韓國方面，因全國性的PS-LTE(Public safety-LTE)網路已閞始布建，並且運轉於700MHz，因此與PS-LTE同步進行的LTE-R也運行於700MHz。

在UIC還沒定下全球LTE-R標準之前，韓國先自行開發，將第四代LTE應用於國家鐵路平台，於2014年就開始進行LTE-R相關技術的發展，韓國政府計劃在全國範圍內建立並安裝LTE-R基站，投資預算達16億美元， 到2025年覆蓋全國鐵路網總長約5,000公里。

LTE-R標準2022年展開導入

推動進程方面，配合3GPP R15、R16標準確立的時程，歐盟規劃於2018年確立鐵路未來通訊系統詳細的系統定義以及世代交替策略，並在2020年底進行場域測試、2022年底開始進行系統遷移至下世代通訊技術。

由於鐵路通訊的應用情境多樣化，例如高速火車的普及、火車/軌道信號和語音通訊、或是火車/軌道影像通訊，或因應緊急救災通訊需求，使LTE技術成為下世代鐵路無線通信最適選擇。 因此UIC與3GPP合作，將鐵路應用所需的技術、規範納入LTE標準制定與討論，尤其在R15。 依目前規劃預計2020年LTE-R標準確立，2022年可以開始導入。

中/歐頻譜政策各有難題待解

觀察LTE-R發展相對快速的國家如韓國、歐盟、中國等，發展LTE-R有各自不同的命題。 韓國於2014年著手布局全國公共安全PS-LTE網路時，即整合鐵路、海事之應用。 當3GPP尚在規範LTE-R標準時，韓國就規劃於2017年底完成屬於韓國標準的LTE-R，顯見其意在於藉由PS-LTE、LTE-R等項目，建立韓國無線列車控制系統，確保鐵路信號和通信方面世界領先技術能力， 同時也促使韓國LTE-R供應鏈的完備。

歐盟LTE-R的發展最大問題在於頻譜的決定。 歐洲國家土地相連，跨國列車若使用不同頻譜，將造成通訊系統的不一致性;另一方面未來面臨短距離無線通信設備(SRD)、物聯網(IoT)等應用的興起，歐洲各國之間的頻譜需求，將造成未來鐵路通訊頻譜達成全歐一致性的難度提高， ETSI與UIC規劃將於WRC-19會議進一步提出討論。

中國監管部門若將450MHz頻段部分頻譜劃為LTE-R使用，除了鄰頻干擾問題之外，最大的難題是450MHz缺乏LTE產業鏈的支持。 由於450MHz尚不是3GPP所定義的行動通訊頻譜，所以現在幾乎沒有網路設備和終端支持。 電信業者中國聯通一直在推動450MHz頻段運轉FDD-LTE技術成為大陸IMT規劃方案，2017年初中國的管理當局已初步同意，並要求中國聯通進行相關標準化工作， 例如將450MHz新增B1劃分方案列入在ITU-RM.1036建議書中，期能在3GPP完成新增相關帶寬。

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