GSM-R: passato, presente e futuro della comunicazione ferroviaria

Il GSM-R (Global System for Mobile Communications – Railway) è il sistema di comunicazione radio mission-critical che costituisce la spina dorsale digitale dell’esercizio ferroviario moderno in Europa e in molte altre aree del mondo. Anche se per il passeggero rimane invisibile, è essenziale per la comunicazione continua tra macchinisti, dirigenti movimento, centri di controllo e sistemi di segnalamento.

Derivato dallo standard GSM commerciale (2G), il GSM-R è stato adattato per soddisfare requisiti molto più stringenti in termini di sicurezza funzionale, disponibilità, determinismo e interoperabilità. È la piattaforma di comunicazione del sistema ERTMS (European Rail Traffic Management System) e supporta in particolare l’ETCS (European Train Control System) di livello 2 e, in prospettiva, di livello 3.

Questo articolo analizza in dettaglio l’evoluzione storica del GSM-R, la sua architettura tecnica, l’utilizzo dello spettro radio, l’integrazione con ETCS, le limitazioni strutturali e la transizione verso il FRMCS (Future Railway Mobile Communication System) basato su tecnologia 5G, con un focus specifico sul contesto ferroviario italiano.

Origini e standardizzazione

Dalle reti analogiche al sistema digitale europeo

Prima del GSM-R, le ferrovie europee utilizzavano sistemi radio analogici nazionali, spesso incompatibili tra loro. Le principali criticità erano:

• assenza di interoperabilità transfrontaliera

• comunicazioni esclusivamente vocali

• mancanza di trasmissione dati strutturata

• priorità limitata per le chiamate di emergenza

• frammentazione tecnologica

Con l’integrazione del mercato ferroviario europeo negli anni ’90 e l’introduzione di ERTMS, si rese necessario un sistema radio digitale armonizzato. Il GSM, già ampiamente diffuso nel settore civile, offriva una base tecnologica matura e standardizzata.

Il GSM-R è stato quindi definito come estensione ferroviaria del GSM Phase 2+, sotto il coordinamento di ETSI e UIC.

Spettro radio e caratteristiche tecniche

Bande di frequenza dedicate

Il GSM-R opera in bande riservate al settore ferroviario:

• Uplink: 876–880 MHz

• Downlink: 921–925 MHz

La separazione duplex è di 45 MHz.

In alcune aree ad alta densità di traffico è stato introdotto l’E-GSM-R per aumentare la capacità disponibile.

La banda a 900 MHz offre:

• elevata copertura lungo tratte lineari

• buona propagazione in aree rurali

• affidabilità in gallerie (con sistemi a cavo radiante)

• stabilità in ambienti metallici tipici dell’infrastruttura ferroviaria

Prestazioni ad alta velocità

I treni ad alta velocità impongono vincoli tecnici rilevanti:

• handover rapidi e stabili

• gestione dell’effetto Doppler

• pianificazione accurata delle zone di sovrapposizione

La progettazione cellulare segue l’asse ferroviario, con copertura continua lungo i binari, a differenza delle reti cellulari urbane.

Architettura di rete

Rete di accesso radio

Il GSM-R mantiene la struttura GSM classica:

• BTS (Base Transceiver Station)

• BSC (Base Station Controller)

• MSC (Mobile Switching Center)

Include funzionalità ferroviarie specifiche:

• indirizzamento funzionale (es. numero del treno)

• indirizzamento dipendente dalla posizione

• Voice Group Call Service (VGCS)

• Voice Broadcast Service (VBS)

• Railway Emergency Call (REC)

La priorità e la pre-emption delle chiamate sono elementi fondamentali per la sicurezza operativa.

Core network e ridondanza

Il core network comprende:

• MSC per la commutazione

• HLR e VLR per la gestione degli utenti

• AuC per l’autenticazione

• EIR per il controllo dei terminali

La disponibilità è garantita tramite:

• architetture ridondate

• collegamenti in fibra ottica duplicati

• topologie ad anello

• sistemi di alimentazione di backup

L’obiettivo tipico di disponibilità supera il 99,999 %.

Integrazione con ETCS

Nel sistema ETCS Livello 2, il GSM-R è essenziale per la comunicazione tra treno e Radio Block Centre (RBC).

Il flusso operativo è il seguente:

1. Il treno invia periodicamente la propria posizione.

2. L’RBC calcola l’autorizzazione al movimento (Movement Authority).

3. L’autorizzazione viene trasmessa tramite GSM-R.

4. Il sistema di bordo supervisiona la velocità e l’aderenza ai limiti.

I requisiti includono:

• bassa latenza

• elevata affidabilità

• comportamento deterministico

• perdita di pacchetti minima

In origine veniva utilizzato Circuit Switched Data (CSD), con alcune implementazioni successive basate su GPRS.

Limitazioni attuali

Capacità limitata

Con soli 4 MHz di spettro accoppiato, la capacità è intrinsecamente limitata.

Applicazioni emergenti come:

• videosorveglianza in tempo reale

• diagnostica predittiva

• sensori IoT infrastrutturali

• automazione avanzata

superano le possibilità della tecnologia 2G.

Obsolescenza e sicurezza

La progressiva dismissione globale del 2G comporta:

• riduzione del supporto industriale

• difficoltà nel reperimento di componenti

• aumento dei costi di manutenzione

I meccanismi di cifratura GSM non soddisfano più gli standard moderni di cybersecurity.

Il contesto italiano

In Italia, il GSM-R è gestito da Rete Ferroviaria Italiana (RFI) e rappresenta un elemento chiave per l’implementazione dell’ERTMS sulle linee ad alta velocità e su molte tratte convenzionali.

La rete AV/AC italiana, che collega città come Roma, Milano, Firenze, Bologna e Napoli, utilizza ETCS Livello 2 supportato da GSM-R. L’elevata densità di traffico e l’intenso utilizzo delle linee AV hanno richiesto una pianificazione radio accurata e soluzioni ridondanti per garantire continuità operativa.

L’evoluzione verso FRMCS sarà particolarmente rilevante in Italia, dove l’alta velocità e l’interoperabilità europea sono elementi strategici del sistema ferroviario nazionale.

Dal punto di vista dell’utente finale, l’efficienza dell’infrastruttura di comunicazione si traduce in maggiore puntualità, sicurezza e affidabilità dei servizi ferroviari, inclusi quelli ad alta velocità e regionali.

Per chi desidera approfondire anche dal punto di vista pratico e pianificare un viaggio sulle linee ad alta velocità italiane, è possibile consultare un portale online dedicato alla vendita di biglietti ferroviari e alla verifica degli orari aggiornati.

Transizione verso FRMCS

Nuova generazione 5G

Il FRMCS sarà basato su 5G NR e includerà:

• Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC)

• architettura IP nativa

• Network Slicing

• cifratura end-to-end

• integrazione con edge computing

Consentirà:

• trasmissione video

• gestione automatizzata del traffico

• manutenzione predittiva su larga scala

• supporto a treni autonomi

Strategia di migrazione

La migrazione è prevista tra il 2030 e il 2040.

Richiederà:

• terminali di bordo dual-mode

• coesistenza temporanea GSM-R / FRMCS

• certificazione di sicurezza completa

La lunga vita utile degli impianti ferroviari rende la transizione complessa ma inevitabile.

Prospettive future

Il passaggio da GSM-R a FRMCS rappresenta un’evoluzione strutturale:

• da commutazione di circuito a comunicazione completamente IP

• da rete strettamente vocale a piattaforma dati ad alta capacità

• da architettura hardware-centrica a reti virtualizzate e software-defined

Automazione ferroviaria, ottimizzazione in tempo reale e integrazione con sistemi basati su intelligenza artificiale dipenderanno direttamente dalla nuova infrastruttura di comunicazione.

Il GSM-R ha reso possibile l’interoperabilità digitale del trasporto ferroviario europeo. Il FRMCS determinerà la capacità del settore ferroviario di affrontare le sfide tecnologiche e operative dei prossimi decenni.

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