摘要：鐵路新一代移动通信将面向铁路全场景、全业务、全链接、强安全，不仅有望完全取代既有系统，还能为列车自动驾驶、列车安全视频监控等业务提供高速信息传输服务，是铁路物联网的信息承载平台和高速铁路运行安全保障的基础。感知-通信-计算一体化、数智融合、新型阵列理论、新材料物理电磁特性为铁路新一代移动通信发展提供前沿应用基础理论支撑；“大智移云物”技术、区块链技术、高精度无线网络规划与优化、建筑信息模型（BIM）与增强现实（AR）融合技术以及数字孪生将为铁路新一代移动通信发展提供技术保障。在当前和未来的落地应用中，铁路新一代移动通信系统需要树立“可管、可控、可信、可视、可靠、可测”的六大设计理念，需要解决频率资源有限和新需求不断涌现之间的矛盾，高速移动性与可靠性问题，以及综合轨道交通枢纽集与场景独特性带来的挑战，需要厘清在技术体制、公专共存、异构网络协同等方面存在的开放性问题。
关键词：高速铁路；5G；新一代信息通信技术
Abstract： The new generation of railway mobile communications will be oriented to all railway scenarios， all services， all links， and strong security. It is expected to completely replace the existing system， and can provide high-data rate mobile channels
enabling automatic train driving， train safety video monitoring， etc. Moreover， the new generation of railway mobile communications will be the information platform of the railway Internet of Things and the basis for the safety of high-speed railway operations. The integrated sensing， communication and computing， the digital intelligence fusion， the new array theory， and physical electromagnetic properties of new materials provide frontier applied basic theoretical support for the development of new generation of railway mobile communications； the technical group of “big data， artificial intelligence， mobile communication， and cloud computing”， the blockchain technology， the high-precision wireless network planning and optimization， as well as the fusion of building information model （BIM） and augmented reality （AR） will provide technical support for the development of the new generation of railway mobile communications. In the current and future implementation of the new generation of railway mobile communication systems， it is necessary to establish six design concepts of “manageability， controllability， credibility， visibility， reliability， and measurability”， and to address the challenges resulting from the contradiction between li
移动汽车网mited frequency resources and the continuous emergence of new demands， the high-speed mobility and reliability， as well as the comprehensive rail transit hub clusters and the uniqueness of scenarios. Last but not least， it is of importance to explore the open questions such as selection of technical systems， co-existence of public and dedicated networks， and heterogeneous network collaboration.
Keywords： high-speed railway； 5G； new generation of information and communication technology
1 发展铁路新一代移动通信的背景及意义
从2016年开始，中国铁路进入高质量发展阶段。截至2020年底，中国高铁运营里程达3.79×104 km，稳居世界第一。城市轨道交通也成为国家大力发展的“新型基础设施建设”的重要领域。2019年国务院发布《交通强国建设纲要》，要求到2035年基本形成现代化综合交通体系；2020年中国国家铁路集团有限公司发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，提出到2035年形成7×104 km的现代化高速铁路网，率先建成智能高铁，加快实现智慧铁路。与此同时，世界各国也纷纷提出铁路数字化与智能化发展的战略规划。通过采用
新一代信息通信技术来大幅提升铁路运输组织效率效益，优化客货运输服务品质，提高铁路运输安全水平，已成为各国铁路发展的必由之路。铁路智能化已经成为世界铁路未来发展的重要方向。
移动通信系统是列车行车安全、运营维护和旅客信息服务的中枢神经。目前，列车调度指挥、中国列车运行控制系统第3级（CTCS-3）列车运行控制信息、列车调度命令、无线车次号校核信息、信号设备动态监测信息等应用业务，都是由铁路窄带移动通信系统（GSM-R）来承载的。然而，GSM-R存在承载能力不足、频段干扰严重、生命周期正走向终结等问题；铁路宽带移动通信系统（LTE-R）在京沈高速铁路的实测显示，在450 MHz频段、5 MHz带宽和350 km/h的速度运行状态下小区边缘的传输速率仅为10 Mbit/s，无法满足未来智能高铁所需的全面态势感知、泛在互联以及智能快速决策的需求。智能高铁的行车和运营维护应用中的铁路多媒体调度通信、车载及轨旁高清视频监控、增强现实（AR）/虚拟现实（VR）远程检测及诊断、大规模传感器应用等，催生了新的列车运行控制及铁路安全相关业务、大带宽业务、铁路物联网业务，对铁路新一代移动通信系统的可靠性、频谱利用率、能量效率、带宽等均提出更高的要求[1]。
1.1 国际相关情况
铁路新一代移动通信技术得到业界的密切关注。国际铁路联盟（UIC）倡导铁路数字化转型，提出创建未来铁路移动通信系统（FRMCS），并且明确了针对铁路用户的六大类应用的通信需求，包括通信对象、带宽、时延、可靠性、速度等。除中国外的其他国家相关铁路实验室对铁路新一代移动通信保持开放的态度，虽未披露建设和发展规划，但已开始理论研究、技术论证和工程试验。
2019年9月，德国联邦铁路公司（DB）的5G列车移动实验室首次使用基于5G技术的设备对无人驾驶的列车进行远程控制测试，并在同年11月，开始研究从GSM-R向FRMCS的演进，并在汉堡市郊铁路进行5G铁路运营网试验，包括承载列车控制信息传输和自动驾驶试验；2019年11月，法国国家铁路公司（SNCF）与诺基亚公司签订合作伙伴协议，旨在共同创建5G铁路实验室，在实验室以及铁路环境中对FRMCS的性能进行全方位的评估，以便为铁路通信系统向更新、更高性能的无线通信标准过渡做准备；2020年3月，瑞士联邦铁路（SBB）在智能铁路4.0项目框架下，建立FRMCS的频段试点，旨在定义FRMCS的技术标准，并计划在2025年用FRMCS取代当前的GSM-R，以大幅提高铁路基础设施的安全性、可用性和生产效率；2019年，在西班牙巴塞罗那5G实验室（5G Barcelona）、加泰隆尼亚铁路（FGC）、加泰罗尼亚政府、巴塞罗那世界移动通信基金会
（MWCapital）和沃达丰公司的共同合作下，西班牙建立5G铁路实验室，对铁路5G关键技术和应用进行研究和挖掘；2020年11月，由欧盟“地平线2020计划”资助的5GRAIL项目正式启动，旨在通过开发和测试用于轨旁基础设施和车载设备的FRMCS原型，验证首个 FRMCS规范；2020年12月，日本移动通信公司（NTT Docomo）和JR东日本铁路公司，利用新干线ALFA-X试验车，成功实施360 km/h高速移动条件下的5G通信试验；2020年1月，韩国铁路研究所（KRRI）与SK电信（SK Telecom）签署技术合作协议以开发全球首个使用5G通信的智能列车控制系统，并在2020年底宣布基于5G列车自动控制技术的测试取得成功。
1.2 中国相关情况
当前，随着京张智能高鐵、京雄智能高铁的开通，中国铁路正快速迈入智能化、智慧化阶段。在国家“交通强国”和“新基建”战略下，铁路信息通信技术融合发展成为趋势。2019年9月，中共中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》，提出到2035年，基本建成交通强国，到21世纪中叶，全面建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国。作为《交通强国建设纲要》的细化和实化，2021年，中共中央、国务院印发了《国家综合立体交通网
规划纲要》，提出到2035年基本建成规模约为70×104 km的现代化高质量国家综合立体交通网，其中，铁路约为2×105 km，是国家综合立体交通网的主干。交通运输部发布《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》（2020年8月，交规划发〔2020〕75号），提出到2035年，交通运输领域新型基础设施建设取得显著成效，泛在感知设施、先进传输网络、北斗时空信息服务在交通运输行业深度覆盖，行业数据中心和网络安全体系基本建立，智能列车、自动驾驶汽车、智能船舶等逐步应用。国铁集团发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》（2020年8月，国铁集团〔2020〕129号），提出到2035年，中国将率先建成服务安全优质、保障坚强有力、实力国际领先的现代化铁路强国；发布《国铁集团关于加快推进5G技术铁路应用发展的实施意见》（2020年8月，国铁集团 铁发改〔2020〕144号），以推进铁路5G-R专网建设和5G公网应用；发布《智能高速铁路体系架构1.0》（2020年9月，国铁集团 铁科信〔2020〕159号），从顶层设计出发制定智能高速铁路体系架构；发布《铁路5G技术应用科技攻关三年行动计划》（2020年12月，国铁集团 铁科信〔2020〕222号），提出到2023年完成铁路5G专网关键技术攻关和主要专用设备研制，开展安全保障、出行服务等领域急需业务试验验证和试用考核，完成5G专网主要技术标准制定，为开展铁路5G专网建设和业务应用奠定基础。
在国家各项政策引领下，新一代铁路信息通信系统的各类新应用对移动通信系统的带宽、时延、可靠性、安全性提出更高要求，大量应用对彼此之间的信息共享、专业互动提出新的要求，对建设统一信息通信平台提出新的需求。此外，铁路专用移动通信系统在承载业务、性能指标方面对可靠性和安全性要求较高，不同的业务需要灵活、动态的定制化设计和协同优化。针对有限的铁路专网频率资源，以及高速移动性对频谱效率与可靠性的影响，需要加快通信网络技术的跃迁，开展面向铁路全场景、全业务、全链接、强安全的铁路新一代移动通信技术研究。
移动通信系统是列车行车安全、运营维护和旅客信息服务的中枢神经。目前，列车调度指挥、中国列车运行控制系统第3级（CTCS-3）列车运行控制信息、列车调度命令、无线车次号校核信息、信号设备动态监测信息等应用业务，都是由铁路窄带移动通信系统（GSM-R）来承载的。然而，GSM-R存在承载能力不足、频段干扰严重、生命周期正走向终结等问题；铁路宽带移动通信系统（LTE-R）在京沈高速铁路的实测显示，在450 MHz频段、5 MHz带宽和350 km/h的速度运行状态下小区边缘的传输速率仅为10 Mbit/s，无法满足未来智能高铁所需的全面态势感知、泛在互联以及智能快速决策的需求。智能高铁的行车和运营维护应用中的铁路多媒体调度通信、车载及轨旁高清视频监控、增强现实（AR）
/虚拟现实（VR）远程检测及诊断、大规模传感器应用等，催生了新的列车运行控制及铁路安全相关业务、大带宽业务、铁路物联网业务，对铁路新一代移动通信系统的可靠性、频谱利用率、能量效率、带宽等均提出更高的要求[1]。
1.1 国际相关情况
铁路新一代移动通信技术得到业界的密切关注。国际铁路联盟（UIC）倡导铁路数字化转型，提出创建未来铁路移动通信系统（FRMCS），并且明确了针对铁路用户的六大类应用的通信需求，包括通信对象、带宽、时延、可靠性、速度等。除中国外的其他国家相关铁路实验室对铁路新一代移动通信保持开放的态度，虽未披露建设和发展规划，但已开始理论研究、技术论证和工程试验。
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