Communications sans fil en gamme millimétrique pour le ferroviaire – mmW4Rail

Le projet mmW4Rail est organisé en cinq Work Packages interconnectés. La résolution des verrous scientifiques a considéré des simulations et des expérimentations. Le WP1 a consisté en la caractérisation et la modélisation des canaux de propagation radio dans des zones ferroviaires spécifiques pour les communications T2T et T2I. La caractérisation des canaux a été effectuée au Centre d'Essais Ferroviaire (CEF) de Petite Forêt (59). Les véhicules ferroviaires spécifiques sur les voies seront considérés. Le WP2 s'est concentré sur l'intégration des antennes dans le contexte spécifique. Dans le WP3, nous avons défini les exigences pour les communications sans fil T2I et T2T dans le contexte ferroviaire sur la base des documents existants. des solutions de déploiement pour la 5G millimétrique ont été proposées ainsi que des algorithmes de type « codebook » pour l’amélioration des performances. L'utilisation des RIS (Reflecting Intelligent Surfaces) en tunnel a aussi été explorée avec un outil Tracé de rayons.

De nombreux résultats ont été obtenus. Dans le cadre du WP1, un sondeur de canal original à base de cartes radio logicielle a été développé et testé. Des essais au Centre d'essais ferroviaires ont été effectués. De nombreuses données ont été enregistrées. Sur la base du modèle 3GPP, les paramètres statistiques des données mesurées ont été calculés et comparés aux paramètres des modèles standardisés. Les résultats confirment la nécessité de prendre en compte spécifiquement les environnements ferroviaires. Ces travaux ont donné lieu à la thèse de Nicholas Atwood, soutenue en Décembre 2024. Des travaux complémentaires utilisant IA ont été menés sur la détection des pylônes le long de la voie à partir de l’exploitation des données mesurées.

Deux directions ont été suivies dans le WP2. D'abord, nous avons étudié la possibilité de concevoir et de réaliser une surface réfléchissante spécifique pour faciliter le déploiement. En outre, nous avons proposé la conception et le développement d'une antenne adaptée à plusieurs standards et à ports multiples pour le FRMCS et d'autres systèmes dans la bande millimétrique. Des antennes spécifiques ont aussi été conçues et réalisées. Ces travaux ont été partiellement menés dans le cadre de la thèse de Jibran Pandit Zahor qui n'a pas encore été soutenue.

En ce qui concerne la tâche relative à la conception de l'amélioration de la couche physique pour la communication T2T/T2I dans le WP3, un algorithme de gestion des ressources radio dans un réseau de communication ferroviaire hétérogène à sauts multiples a été proposé, et des évaluations de performance ont été réalisées. En ce qui concerne la tâche de simulation au niveau du système et d'évaluation des technologies pour la radio ferroviaire à ondes millimétriques, une spécification du déploiement, du scénario de simulation et des paramètres détaillés ont été rédigés. Deux états de l'art approfondis sur les techniques d'amélioration de la couche physique et les conceptions de codebook de formation de faisceau les plus récentes ont été effectués et publiés dans des journaux. Plusieurs algorithmes de codebook ont ensuite été évalué dans un canal ferroviaire de type 3GPP. Le canal considéré tient compte des données mesurées dans le WP1. Ces travaux sur les codebooks ont donné lieu à la soutenance de thèse de Sameh Mabrouki en septembre 2025. Enfin des travaux sur l'introduction des RIS dans les tunnels ferroviaires grâce à un outil de tracé de rayons ont été menés et ont donné lieu à la soutenance de thèse d'Aline Habib en décembre 2025.

Le projet mmW4Rail a déjà donné lieu à plusieurs résultats importants qui ont été présentés dans des conférences et des journaux. Il a également ouvert de nombreuses perspectives :

- Amélioration du sondeur de canal existant afin d'obtenir des informations sur les angles d'arrivée et de départ

- Réalisation de nouvelles mesures avec d'autres scénarios

- Comparaison du modèle 3GPP obtenu avec les mesures avec la simulation tracé de rayons dans l'environnement

- Test des algorithmes développés dans le modèle de canal 3GPP basé sur les mesures en environnement ferroviaire

- Développement d'autres algorithmes pour améliorer la couche physique dans les environnements ferroviaires

- Poursuite des travaux sur les RIS en tunnel ou le long des voies pour des applications 6G

- Introduction de l'ISAC dans le domaine ferroviaire

1. S. Mabrouki, I. Dayoub, Q. Li and M. Berbineau, «Codebook Designs for Millimeter-Wave Communication Systems in Both Low- and High-Mobility: Achievements and Challenges,« in IEEE Access, vol. 10, pp. 25786-25810, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3154016.
2. Q. Li, J. -C. Sibel, M. Berbineau, I. Dayoub, F. Gallée and H. Bonneville, «Physical Layer Enhancement for Next-Generation Railway Communication Systems,« in IEEE Access, vol. 10, pp. 83152-83175, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3192971.
3. Marion Berbineau, Nicholas Attwood, François Gallée, Patrice Pajusco, Quianrui Li, Hervé Bonneville, Semah Mabrouki, Iyad Dayoub, Divitha Seetharamdoo, « Millimetric waves communications for Railways », Accepted for oral presentation at TRA2022, Lisbon, September
4. ATTWOOD Nicholas, GALLEE François, PAJUSCO Patrice, BERBINEAU Marion, MmW channel sounder for dynamic SIMO measurement, Journée URSI France,
5. Q. Li, A. Charaf, N. Gresset, H. Bonneville, “Radio Resource Management in Next-Generation Railway System with Heterogeneous Multi-hop Relaying Deployment”. In International Workshop on Communication Technologies for Vehicles (pp. 59-70), 2021, November, Madrid.

L'automatisation des trains transfère les fonctions de contrôle-commande du conducteur humain aux ordinateurs. Très haut débit, robustesse, grande fiabilité et latence ultra-faible sont requis pour le futur système de communication mobile ferroviaire (FRMCS) en cours de développement. Il sera basé sur le protocole IP, multi-radio et résilient aux évolutions technologiques et aux interférences.
L'un des principaux frein à l’automatisation est la rareté du spectre radio. Des bandes étroites sont attribuées dans les bandes 900 MHz, 1900 MHz et 5,9 GHz (pour l’urbain). Cela motive l'exploration des ondes millimétriques (mmW) avec la 5G. Cette bande peut répondre aux besoins spécifiques du rail en complément des systèmes actuels. Cela concerne des zones bien définies (gares, gares de triage, lignes à grande vitesse), tout en partageant les infrastructures existantes, et pour des cas d'usage spécifiques (couplage virtuel de trains, platooning, conduite à distance, téléchargement données, etc.). L'objectif en considérant les bandes mmW est d’aller vers l'adaptabilité du système de communication.
Les bandes 28-30 GHz, 38-40 GHz, 57–64 GHz, étendue à 71 GHz sont allouées pour la 5G. La bande des 60 GHz présente un grand intérêt pour le rail pour des débits très élevés et des latences très faibles. L'environnement (ballast, tranchées, tunnels, haute tension près des antennes, poussières, interférences, etc.) ainsi que les contraintes (vibrations des trains, situations de non-visibilité, croisement de trains, cohabitation avec d'autres systèmes, etc.) sont très spécifiques et auront un impact sur les performances des liaisons sans fil entre le train et l'infrastructure (T2I) et entre deux trains (T2T). Les conditions de propagation et le comportement des canaux radioélectriques doivent être connus pour éviter les coupures de communication en mobilité. Des modèles de canaux dédiés pour la bande mmW dans les environnements ferroviaires sont nécessaires.
Des solutions pour améliorer les performances des liens T2T et T2I dans la bande mmW doivent être développées et analysées. L’optimisation de la gestion des ressources radio en tenant compte des contraintes de sécurité, de latence et de fiabilité propres au train; l'amélioration du déploiement et la surveillance des conditions radio dans la bande sont des sujets cruciaux. L'optimisation de la liaison sans fil grâce à l'intégration de plusieurs réseaux d'antennes avec différentes applications potentielles (formation de faisceau, diversité et / ou multiplexage spatial) doit être envisagée en tenant compte de l'impact de l'intégration des antennes sur les performances avec la spécification et la définition de nouveaux modèles d’antenne.
Le projet mmW4Rail se concentre sur trois sujets de recherche fondamentaux dans la bande mmW: la caractérisation et la modélisation des canaux radio pour des scénarios dynamiques, la spécification, la conception et le prototypage d’antennes; et l’amélioration de la fiabilité des communications au niveau de la couche physique. Nous considérerons trois cas d'utilisation typiques et représentatifs:
• Les liaisons T2I le long d'une ligne à grande vitesse avec partage des infrastructures;
• Les liaisons T2I pour la conduite à distance des trains dans des zones spécifiques;
• Les liaisons T2T pour les applications de couplage virtuel et de platooning.
Les résultats du projet mmW4Rail contribueront au développement des communications sans fil en gamme mmW pour répondre aux besoins spécifiques du rail. Ces systèmes seront déployés pour compléter les systèmes actuels, améliorant l'adaptabilité du système en vue d'une indépendance totale vis-à-vis de l’évolution des standards. Le consortium diffusera les résultats au niveau international, au 3GPP, à l'ETSI et à l'UIT-R. Les travaux proposés dans le projet mmW4Rail sont conformes au plan pluriannuel Shift2Rail et fourniront une base pour les développements et déploiements futurs de systèmes de communication alternatifs.