Il 5G in RFI –evoluzione del sistema di comunicazione ...

15 Marzo 2021

Il 5G in RFI – evoluzione del sistema di comunicazione radiomobile

ferroviario

Diego Schiavoni

Luca Di Dio La Leggia

2

2G: GSM-R/GPRS

2G(digitale): GSM, GPRS, EDGE

3G(voce+dati): UMTS, HSPA

4G(dati): LTE

FRMCS (5G)Processo di

Specificazione

1995 2005 2010 2015 2020 2025 20302000

anni

Future Railway Mobile Communication System

Processo di

Specificazione

15/03/2021

Il 5G in RFI – evoluzione del sistema di comunicazione radiomobile ferroviario

D.Schiavoni – L. Di Dio La Leggia

Evoluzione del sistema di comunicazione Radiomobile Ferroviario

1G (analogico): TACS

...2035

Trial

5G

Pronti al

deployment

ETCS over GSM-R ETCS over GPRSTSI CCS 2016/919/EU

ETCS over FRMCS

5G(dati – persone e cose)

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Evoluzione del sistema di comunicazione

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Sara Simeoni

(1979) – DCO comunicazione Terra-Treno

2,01m

Sergey Bubka

6,15m

2G

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Rete Radiomobile GSM-R

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Il Sistema GSM-R

Sullo standard GSM sono state sviluppate alcune funzionalità specifiche per rispondere a requisiti di

comunicazione tipicamente ferroviari.

Il GSM-R è lo standard di comunicazione radiomobile

adottato a livello trans-europeo dal settore

ferroviario per garantire il controllo e l’esercizio del

traffico ferroviario secondo i principi di

interoperabilità.

Si basa su standard e tecnologie consolidate e di

mercato che derivano direttamente dalle reti

radiomobili pubbliche GSM.GSM Standard

GSM enhancements for railways (ETSI)

Railway Specific functionalities (UIC EIRENE)

• Voice Group Call Service (VGCS)

• Voice Broadcast Service (VBS)

• Enhanced multilevel precedence and pre-emption

• Functional Addressing

• Location Dependent Addressing

• Railway emergency calls

• High priority call confirmations

Mediante il sistema GSM-R sono garantite le seguenti principali funzioni:

• le comunicazioni voce operative e di emergenza tra il personale di esercizio ferroviario

• le comunicazioni dati per il controllo e comando della marcia treno (ETCS).

E’ un componente essenziale per la regolarità dell’esercizio ferroviario e per la sua funzione di supporto alla sicurezza.

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OMC-R

OMC-S

Sistema GSM-R: architettura di principio

VLR

GCR

TRAU

BSC

BTSBTS

MSCHLR

GGSN

SGSNAuC

P

C

U

OSS Operation Supervision Subsystem

• Network administration

• Fault, Configuration and Performance management15/03/2021



BSS Base Station Subsystem

• BSC Base Station Controller

• TRAU Transcoder and Rate Adaption Unit

• BTS Base Transceiver Station

PS CN Packet Switched Core Network

• SGSN Serving GPRS Support Node

• GGSN Gateway GPRS Support Node

CS CN Circuit Switched Core Network

• MSC Mobile Switching Centre

• HLR Home Location Register

• VLR Visitor Location Register

• AuC Authentication Centre

• GCR Group Call Register

7

La rete GSM-R di RFI

Flexi BSC

PCS

NOCPCS

Centro di Gestione Linea AC/AV

PCS

Centro di Gestione Linea StoricaNOC

NT-HLR

IN LS

GPRS LS

ROC

ROC

PCS

I numeri

N°5 MSC

N°3 NT-HLR

N°10 BSC Nokia + 1 KCC

N°1927 BTS

N°2 Nodi PS Core Network

N°2 Centri di Gestione

N°3 Centri di Gestione Linee AC/AV

MSC Nokia

MSC RM AV

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La rete GSM-R di RFI – Core Network

MSCMSC

MSC

MSCG

GS

N

GG

SN

IN

IN

SMS

VMS

Billing

MSC

GPRS

BSS

BSS

BSS

BSS

GPRS

BSS

HLR

HLR

HLR

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Evoluzioni di Rete

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ETCS over GPRS____________________________________________________________

1. La prestazione “ETCS Over GPRS” permette di far fronte all’elevato numero di comunicazioni dati associate ai treni localizzati nella medesima cella radio per il trasferimento dei dati di marcia del treno.

Es. sulle linee di nodo, ove è prevista l’implementazione del sistema ETCS HD.

2. Un ulteriore obiettivo della prestazione “ETCS Over GPRS” consiste nel predisporre un primo passo evolutivo verso lo standard FRMCS (Future Railway Mobile Communication System), basato su protocollo IP.

RC

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Obiettivi:

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As-is…

Cella GSM-R

BSC

SGSN

ETCS over GPRS____________________________________________________________

Ad oggi una connessione ETCS è implementata sul Sistema Terra-Treno GSM-R nella modalità ‘CS Mode’, in

cui viene instaurata una chiamata dati a circuito punto-punto fra SSB e SST; in questa modalità un canale

radio può accogliere una sola connessione terra-treno.

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CS Core Network

ISDN interface

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L’aumento del traffico ETCS richiederebbe pertanto un aumento del numero di portanti radio da

realizzare tramite un appropriato ‘upgrade’ tecnologico della rete di accesso radio del Sistema Terra-Treno

GSM-R. Ulteriore complicazione deriverebbe dalla necessità di realizzare un’oculata progettazione in

termini di utilizzo e distribuzione delle frequenze al fine di soddisfare la domanda ed al contempo evitare

che la compresenza simultanea di numerose portanti comporti un degrado complessivo della qualità di rete

dovuto all’insorgere di interferenze intra-sistema.

Svantaggi

Il rispetto dei vincoli di progettazione impone quindi un limite al numero massimo di risorse radio disponibili nella medesima cella e in quelle adiacenti, limitando di fatto il numero di treni ammessi a circolare.

As-is…

ETCS over GPRS____________________________________________________________

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…To be

L’attuale alternativa alla modalità di connessione ‘ETCS in CS Mode’ è la modalità ‘ETCS in PS Mode’ che

sfrutta il ‘bearer’ dati a pacchetto GPRS che consente di aumentare, a parità di infrastruttura di accesso

radio, la capacità del 400% rispetto alla modalità ‘ETCS in CS Mode’ accogliendo, su ogni canale radio, fino

a 4 connessioni terra-treno simultanee in ‘PS Mode’ rispetto alla singola in ‘CS Mode’. Tale soluzione,

rilasciata nelle specifiche GSM-R EIRENE FRS 8.0.0 ed SRS 16.0.0, non richiede una riprogettazione e/o

potenziamento della rete di accesso radio, consentendo pertanto di aumentare la capacità a parità di

portanti.

Cella GSM-R

BSC

CS Core Network

PS Core Network

SGSN

ETCS over GPRS____________________________________________________________

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IP interface

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…To be

I principali benefici dell’utilizzo della modalità ‘ETCS Over GPRS’ possono essere individuati nei

seguenti punti:

1. incremento di capacità del Sistema Terra-Treno GSM-R a parità di infrastruttura di rete.

2. incremento di capacità complessiva del sistema ferroviario ed in particolare nei nodi tramite

implementazione del Sistema HD ERTMS/ETCS.

3. piena compatibilità e coesistenza di implementazione delle due differenti modalità trasmissive

‘CS-Mode’ e ‘PS-Mode’ sui Sottosistemi di Bordo SSB (EVC, EDOR) e di Terra SST (RBC).

4. maggiore resilienza complessiva del Sistema ERTMS/ETCS rispetto ad anomalie di rete radio

poiché, nella modalità ‘ETCS in PS Mode’, la perdita di connettività sul ‘bearer’ GPRS non

comporta l’abbattimento immediato della chiamata dati ma una riselezione di cella radio che, in

caso di esito positivo compatibile con i timer applicativi di sicurezza di bordo, non comporta una

disconnessione ETCS con frenatura del treno ed impatti sull’esercizio.

ETCS over GPRS____________________________________________________________

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La prestazione ‘ETCS Operation in PS Mode’ può essere considerata a tutti gli effetti come un primo passo evolutivo

dell’attuale Sistema di Segnalamento ERTMS/ETCS verso il ‘mondo IP’ da realizzare tramite lo sviluppo su SSB

(EDOR/EVC) e SST (RBC) delle funzionalità che consentono di utilizzare il canale dati a pacchetto su “bearer GPRS”

messo a disposizione dall’attuale Sistema di Comunicazione Terra-Treno GSM-R e consentendone, in ultima istanza, la

predisposizione alla migrazione alla futura tecnologia FRMCS.

Dal punto di vista SST/CCS il passaggio fra i due sistemi sarà

trasparente con impatti contenuti.

…To be

Cella GSM-R RFI

BSC RFI

«ETCS OVER GPRS»

GPRS IP-based

Cella RFI

FRMCS IP-based

FRMCS

ETCS over GPRS____________________________________________________________

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ETCS over GPRS____________________________________________________________

15/03/2021



Sperimentazione RFI:La SO di Telecomunicazioni (DT) di RFI, in riferimento al Piano Tecnologico di Rete (RFI DT ST MA IS 00 002 A), ha

avviato un programma di sperimentazione della prestazione “ETCS Operation in PS-Mode”.

Tale sperimentazione ha previsto la verifica delle prestazioni trasmissive in modalità "ETCS Over GPRS (PS-Mode) fra

il sottosistema di bordo di TLC, noto come EDOR (ETCS Data Only Radio), ed i sottosistemi di terra di TLC, a cui

appartiene l’intera struttura di rete GSM-R, e la verifica della conformità del sistema SSB/SST alle specifiche UNISIG

Subset 093 ver. 3.0.27.

I test sono stati eseguiti sia in condizioni radio statiche, con copertura fissa sotto una sola cella GSM-R, che in

condizioni radio dinamiche, effettuando Cell Reselection fra almeno due celle GSM-R.

Sono state inoltre verificate le prestazioni col bearer ‘opzionale’ EDGE, in grado di aumentare la capacità di traffico a

parità di risorse disponibili (portanti / canali radio) fino al 1.200% rispetto alla modalità “CS-Mode”.

L’esito delle verifiche ha evidenziato prestazioni eccellenti da parte dei sistemi SSB/SST in quanto completamente

conformi alle specifiche UNISIG.

In chiusura della sperimentazione è stata allestita una simulazione di corsa treno allo scopo di verificare il corretto

dialogo fra SSB e SST utilizzando un’infrastruttura reale di rete GSM-R, sia in CS mode che in PS mode.

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Tool

Track Simulator

EDOR

Cella GSM-R RFI

Cella GSM-R RFI

BSC RFI Test Bed

PCUSGSN RFI

GGSN RFI

HLR RFI

RBC Simulator

PS Core Network

PS Radio Network

GPRS Network

Cavi RF

CS Core Network

NTG

CS/PS

DNS Server

FQDN Resolution

EVC

Dispositivi SSB Dispositivi ETCS SST

CS Core

Network

PBX RFIMSC TB

Dettaglio dell’architettura

di simulazione

corsa treno

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La rete GSM-R di RFI – evoluzioni (Core Network)

MSC LS/AV

MSC AV

Interconnesione Operatori Pubblici

InterconnesioneOperatori Pubblici

WindVodafoneTI SparcleTIGSM-RSP01

WindVodafoneTI SparcleTIGSM-RSP01

RBCPABX

RBCPABX

INHLRSMSCVMSSGSN

INHLRSMSCVMSSGSN

MGW/CDS

MSS

R4

n.5 MSC (R99) n.2 MSS/MGW (R4)

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La rete GSM-R di RFI – evoluzioni assetto rete

MGW-1

MGW-2 MSS-2

MSS-1

OSS

OSS

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HLR

HLR

IN

IN

GPRS

GPRSBSC

A-Flex

Ridondanza di copertura radio (tratte ERTMS)core network

radio access network

BSC

BSC

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evoluzione verso il sistema successore del GSM-R

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MoU GSM-R

supportato

fino al 2030

Assegnazione

Frequenze RMR

(FRMCS)

TSI CCS

FRMCS in campo (?)

Pronti per switch-off GSM-R

2022 20302017

anni

Piano di sviluppo

FRMCS – evoluzione verso il successore del GSM-R

2020

Final CEPT Report 76 and ECC Decision

(20)02 approvati (54th ECC plenary meeting)

in November 2020

ECC Decision (20)02:

874.4-880.0 MHz; 919.4- 925.0 MHz (5,6MHz)

1900-1910 MHz 10MHz

Railway Mobile Radio (RMR) on a CEPT wide basis.

5G Rail

2025

FRMCS DemostratorFRMCS Trials

Q4 ‘21 FRMCS V1 Specs

FRMCS V1 validation

2023 20242021

Deployment FRMCS (?)

Disponibilità prodotti (R17)

TSI CCS Possibili aggiornamenti

Annex A TSI CCS

FRMCS Demostrator

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(R16)

22

Pagina intenzionalmente bianca

Grazie

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