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GSM-R : passé, présent et avenir des communications ferroviaires

Issu du standard GSM commercial (2G), le GSM-R a été adapté pour répondre aux exigences strictes de sécurité, de disponibilité, de déterminisme et d’interopérabilité du secteur ferroviaire. Il représente la couche de communication du système ERTMS (European Rail Traffic Management System), notamment pour l’ETCS (European Train Control System) de niveau 2 et, à terme, de niveau 3.

Cet article propose une analyse technique détaillée du GSM-R : son historique, son architecture réseau, ses caractéristiques radio, son intégration avec l’ETCS, ses limites actuelles et la transition stratégique vers le FRMCS (Future Railway Mobile Communication System) basé sur la 5G.

Origines et standardisation

Les systèmes radio analogiques avant le GSM-R

Avant l’introduction du GSM-R, les réseaux ferroviaires européens utilisaient des systèmes radio analogiques nationaux, caractérisés par :

  • absence d’interopérabilité transfrontalière

  • communication exclusivement vocale

  • absence de transmission de données numériques

  • gestion limitée des priorités

  • fragmentation technologique

Avec la création d’un marché ferroviaire européen intégré dans les années 1990, la nécessité d’un système de communication numérique harmonisé est devenue stratégique. Le développement d’ERTMS exigeait une liaison radio fiable et standardisée pour supporter l’ETCS niveau 2.

Plutôt que de concevoir un système propriétaire, les autorités ont choisi de s’appuyer sur la technologie GSM existante, mature et largement déployée.

Le GSM-R a ainsi été standardisé sous l’égide de l’ETSI et de l’UIC comme une adaptation ferroviaire du GSM Phase 2+.

Spectre et caractéristiques radio

Bandes de fréquences dédiées

Le GSM-R utilise des bandes de fréquences harmonisées réservées aux applications ferroviaires :

  • Uplink : 876–880 MHz

  • Downlink : 921–925 MHz

L’espacement duplex est de 45 MHz.

Dans certaines régions à forte densité de trafic, des extensions spectrales (E-GSM-R) ont été mises en œuvre afin d’augmenter la capacité.

Le choix de la bande des 900 MHz permet :

  • une grande portée radio

  • une bonne propagation en zone rurale

  • une meilleure pénétration en tunnel (avec câbles rayonnants)

  • une robustesse face aux environnements métalliques ferroviaires

Mobilité à grande vitesse

Les trains circulant à plus de 300 km/h imposent des contraintes spécifiques :

  • gestion rapide des handovers

  • compensation de l’effet Doppler

  • planification précise des zones de recouvrement

La conception cellulaire suit une topologie linéaire le long des voies, contrairement aux réseaux cellulaires urbains.

Architecture du réseau

Réseau d’accès radio

Le GSM-R conserve l’architecture GSM classique :

  • BTS (Base Transceiver Station)

  • BSC (Base Station Controller)

  • MSC (Mobile Switching Center)

Des fonctionnalités spécifiques au ferroviaire ont été ajoutées :

  • adressage fonctionnel (ex. numéro de train)

  • adressage dépendant de la localisation

  • Voice Group Call Service (VGCS)

  • Voice Broadcast Service (VBS)

  • Railway Emergency Call (REC)

La préemption et la priorisation des appels sont essentielles pour la sécurité opérationnelle.

Cœur de réseau et redondance

Le cœur de réseau inclut :

  • MSC pour la commutation

  • HLR et VLR pour la gestion des abonnés

  • AuC pour l’authentification

  • EIR pour le contrôle des équipements

La haute disponibilité est assurée par :

  • architectures redondantes

  • centres de données géographiquement séparés

  • topologies en anneau

  • alimentation électrique secourue

Les objectifs de disponibilité atteignent 99,999 %.

Intégration avec l’ETCS

Fonctionnement avec l’ETCS niveau 2

Le GSM-R permet la communication continue entre le train et le Radio Block Centre (RBC).

Le processus est le suivant :

  1. Le train transmet régulièrement sa position.

  2. Le RBC calcule l’autorisation de mouvement (Movement Authority).

  3. L’autorisation est transmise via GSM-R.

  4. La supervision de la vitesse est réalisée à bord.

Les exigences techniques incluent :

  • faible latence

  • haute fiabilité

  • comportement déterministe

  • faible taux de perte de paquets

Le GSM-R utilise historiquement la transmission de données en mode circuit (CSD), parfois complétée par GPRS.

Limitations actuelles

Capacité limitée

Avec seulement 4 MHz de spectre apparié, la capacité est restreinte.

Les nouvelles applications ferroviaires telles que :

  • vidéosurveillance embarquée

  • maintenance prédictive

  • capteurs IoT

  • exploitation automatisée

dépassent les capacités de la technologie 2G.

Obsolescence technologique

La suppression progressive des réseaux 2G dans le monde entraîne :

  • réduction du support industriel

  • augmentation des coûts de maintenance

  • difficulté d’approvisionnement en composants

Les mécanismes de chiffrement GSM sont également considérés comme obsolètes selon les standards actuels.

Sécurité

Les réseaux GSM-R sont généralement isolés des réseaux publics, mais reposent toujours sur l’architecture GSM.

Les risques incluent :

  • brouillage radio intentionnel

  • interception de signalisation

  • attaques de type IMSI catcher

Ces enjeux renforcent la nécessité d’une évolution vers une architecture plus moderne.

Transition vers le FRMCS

Nouvelle génération basée sur la 5G

Le FRMCS reposera sur la technologie 5G NR et intégrera :

  • Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC)

  • architecture IP native

  • Network Slicing

  • chiffrement de bout en bout

  • intégration Edge Computing

Contrairement au GSM-R, le FRMCS permettra :

  • transmission vidéo

  • exploitation autonome

  • gestion intelligente du trafic

  • analyse en temps réel

Migration progressive

La migration est prévue entre 2030 et 2040 en Europe.

Elle nécessitera :

  • équipements embarqués bi-mode

  • coexistence temporaire des réseaux

  • certification de sécurité complète

La longue durée de vie des infrastructures ferroviaires rend cette transition particulièrement complexe.

Importance mondiale

Le GSM-R est déployé en :

  • Europe

  • Chine

  • Inde

  • Australie

  • Moyen-Orient

La Chine exploite le GSM-R sur son réseau à grande vitesse jusqu’à 350 km/h.

Perspectives stratégiques

L’évolution vers le FRMCS représente un changement de paradigme :

  • passage d’un système commuté à une architecture IP complète

  • intégration de services à large bande

  • virtualisation et réseaux définis par logiciel

  • cybersécurité avancée

L’automatisation ferroviaire, la supervision en temps réel et l’optimisation par intelligence artificielle dépendront directement de cette nouvelle génération de communications ferroviaires.

Le GSM-R a permis l’interopérabilité numérique du rail européen. Le FRMCS déterminera la capacité du secteur ferroviaire à répondre aux exigences de mobilité, de sécurité et de digitalisation des décennies à venir.


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