Comment la 5G va redessiner les infrastructures radio du monde ferroviaire

Dans le secteur ferroviaire, les missions critiques (ou mission critical) représentent trois points essentiels :

• La connexion sol/bord entre le conducteur et le poste de contrôle
• La manœuvre du train
• Le lien entre les trains en marche (permettant notamment de mettre en place des distances de sécurité minimales afin de maximiser le trafic).

Ces mission critiques revêtent donc un caractère prioritaire lorsque l’on aborde le sujet des télécommunications ferroviaires. Ces liaisons doivent être d’une haute fiabilité de par leur criticité. Aucun opérateur de télécommunication n’étant en mesure de proposer des solutions répondant à ces critères, les opérateurs ferroviaires ont donc créé le GSM-R pour avoir un réseau avec un taux de fiabilité de quasiment 100%.[i]

Ce protocole a été standardisé au niveau européen mais tout en restant relativement limité et atteignant même aujourd’hui une phase d’obsolescence : en effet, il ne permet de traiter que la voix ainsi que certaines informations spécifiques (liées à la circulation des trains, à la sécurité des rails, etc…), alors que les besoins en échange de données sont grandissants. C’est suivant ce constat qu’a été développé le GPRS, permettant des échanges de données avec un débit allant jusqu’à environ 40 ko/s.[ii]

Plusieurs infrastructures radio (GSM-R, GPRS, TETRA, ...) permettent de porter l’ETCS (European Train Control System), un système européen de contrôle des trains permettant un passage des frontières optimisé et garantissant la sécurité des circulations. Ce système est lui-même compris dans l’ERTMS (European Rail Traffic Management System), un système de management du trafic ferroviaire à l’échelle européenne.

De par son faible débit (et ce malgré l’avancée majeure portée par l’arrivée du GPRS), le GSM-R est souvent considéré comme le point limitant du système ERTMS. Ainsi, la question se pose de remplacer les protocoles GSM-R par un autre type de connectivité plus performant, afin de continuer à développer et améliorer le protocole ERTMS.[iii]

C’est dans ce contexte que l’usage de la 5G pourrait être pertinent, pour permettre une augmentation du débit, une diminution de la latence, une standardisation des protocoles qui seront adaptés aux autres marchés et ainsi, une diversification de la concurrence. C’est surtout la promesse d’un réseau plus fiable avec un haut niveau d’engagement.

Les rails sont très sensibles aux variations de température. Effectivement, si celle-ci passe au-dessus de 24 °C (température de référence tenant compte de la température extérieure moyenne et du climat de la région, ici en Île-de-France), un risque de dilatation se présente. A l’inverse, si la température est trop basse, les rails risquent de se rétracter et donc de casser.[iv]

Aujourd’hui, la détection des déformations s’effectue avec la rame de TGV Iris 320, successeur de la voiture Mélusine (elle-même descendante de la voiture Mauzin). Cette rame permet d’effectuer différentes mesures (géométrie des rails, interactions voie/train, signalisations et communications embarqués, continuité du courant d’alimentation, usure et tension de la caténaire, pressurisation intérieure du train lors des croisements et des tunnels…) qui couplées à la surveillance régulière par ultrasons, permettent de contrôler l’état des voies tous les 15 à 20 jours maximum.[v]

Les déformations des rails sont également détectées et signalées par les conducteurs et opérateurs lors des passages de trains. Lorsqu’une déformation/cassure est observée, la zone concernée subit un gros ralentissement, et donc de fortes perturbations de circulation, affectant la qualité de service fournie aux usagers. Le tout en attendant la mise en place d’une solution provisoire pouvant prendre jusqu’à 2 à 3 heure puis une réparation ou un remplacement définitif effectué pendant la nuit.[vi]

Afin de réduire le délai de prise en compte des déformations, et donc celui de réaction avant l’intervention des opérateurs, des solutions permettant d’être alerté en temps réel en cas de risque ont vu le jour. Ainsi par-exemple, des « coupons connectés » permettant de détecter la surchauffe des rails ont été développés. Le déploiement d’un réseau 5G le long des voies permettait d’optimiser l’usage de capteurs et ainsi permettre de suivre l’état des rails, du trafic et des trains en temps réel.[vii]

Effectivement, les réseaux 5G pour l’IoT (Internet of Things) permettra une complexité moindre, notamment en permettant aux capteurs d’envoyer leurs données directement au serveur principal, et ce sans passer par une plateforme d’agrégation comme c’est le cas actuellement. De plus, l’usage d’un réseau 5G amènera également une réduction de la consommation énergétique des capteurs.

De plus, le déploiement d’un réseau 5G le long des rails permettrait d’y disposer d’un réseau de communication fiable.

Comme indiqué en introduction, l’ARCEP n’oblige pas les opérateurs de télécommunication à couvrir les voies ferrées avec un réseau cellulaire (ce qui est le cas pour les axes routiers par-exemple).

De fait, les agents travaillant le long des voies n’ont pas accès à un réseau de communication fiable, rapide et continu et doivent donc communiquer par radio. Il en va de même pour les personnels navigants ainsi que pour les passagers des trains qui perdent en confort. Cet état de fait est renforcé par la structure en « cage de Faraday » des wagons, empêchant aux ondes de passer.

Ainsi, déployer un réseau 5G le long de la voie permettrait aux agents de disposer d’un accès à des réseaux de communication fiables, peu consommateurs pour les appareils et à haut débit. Concernant l’effet de « cage de Faraday » des wagons, celui-ci pourrait être contré par la récupération de la bande passante non utilisée par des systèmes Wifi développés en complément à bord des trains.

Enfin, les gares ne devraient pas être laissées pour compte via l’utilisation du MulteFire, une technologie émergente permettant l’usage des fréquences sous licence et des fréquences libres pour créer des réseaux 5G privés en gare, assurant une couverture intérieure des emprises. Une fois la gare quittée, les communications peuvent basculer sur des réseaux publics (opérateurs) permettant ainsi des usages sans coutures pour les utilisateurs.

L’arrivée de la 5G promet donc de nombreuses opportunités pour le secteur ferroviaire, aux atteintes multiples : sécurité et fiabilité du trafic via les protocoles de Mission Critical, surveillance de l’état des voies via le déploiement de réseaux de capteurs, optimisation de l’offre de service aux usagers ou encore fiabilisation des communications pour le personnel technique au sol via le déploiement d’un réseau haut-débit fiable.

Cependant, de nombreuses questions restent encore en suspens telles que le coût de déploiement et de maintenance des infrastructures nécessaires pour la mise en place des réseaux, la compatibilité de ceux-ci avec les architectures réseaux et protocoles déjà mis en place (GSM-R, GPRS, TETRA, ECTS et ERTMS), ou encore le niveau de sécurité offert par ces réseaux.

De plus, dans un souci d’uniformité à l’échelle européenne, il sera primordial pour les opérateurs ferroviaires de travailler conjointement, dans la continuité des différents accords signés portant sur l’interopérabilité des réseaux européens, à l’image du protocole d’accord sur le système de signalisation européen (ERTMS), signé le 16 avril 2012.[viii] C’est d’ailleurs dans cette continuité que l’Union Internationale des Chemins de fer, regroupant 99 entreprises ferroviaires, est en train de spécifier le FRMCS (Future Railway Mobile Communications System), successeur désigné du GSM-R pour préparer l’obsolescence de ce dernier à horizon 2030.

[i] GSMR-info

[ii] Railwaysignalling.eu – La signalisation ferroviaire depuis la naissance jusqu’à ERTMS
Telecom ABC - GPRS

http://www.telecomabc.com/g/gprs.html

[iii] Idate Consulting – Evolution of GSM-R 

[iv] Le blog de la ligne L – Retour sur vos conditions de transport : les rails et les variations de température (2015)

[v] Rail Passion – « Iris-320 » : La vigie des LGV remise à neuf

[vi] Sncf.com – Rail endommagé

[vii] #DigitalSNCF – Hissez Objets Connectés !

[viii] Le Moniteur – Infrastructures ferroviaires : vers un réseau européen sans frontières… techniques