移動通信網絡架構演進規律對列車運行控制系統發展的啟示

韓 濤 李 翀 王冬海

(1.上海軌道交通無人駕駛列控系統工程技術研究中心，200071，上海；2.卡斯柯信號有限公司，200071，上海 ∥ 第一作者，高級工程師)

現代移動通信網絡系統，尤其數字移動通信系統是近30年來發展最好、規模最大的商用電子信息化系統。截至2019年，全球范圍內的獨立移動用戶數約為52億，其中我國的獨立移動用戶數約為12億。本文回溯了第2代移動通信(2G)網絡到第5代移動通信(5G)網絡的演進發展，從技術視角比對其代際發展中網絡架構的差異，分析歸納移動通信網絡演進規律，以期為列車運行控制系統(以下簡稱“列控系統”)的發展提供有益啟示。

1 移動通信網絡

現代移動通信網絡，通常指服務公共的商用移動通信網絡。其結構主要分為終端、接入網(RAN)及核心網等3個部分。

1.1 網絡總體架構的演進

2G網絡系統通常指GSM(全球移動通信系統)系統及CDMA(碼分多址)系統。其中GSM的網絡架構如圖1所示。

圖1 GSM的網絡架構

在2G發展過程中衍生出的2.5G(第2.5代移動通信)網絡，提供了基于IP(網際互連協議)的數據通信能力。2.5G網絡架構如圖2所示。

圖2 2.5G網絡架構

3G(第3代移動通信)網絡系統一般指基于WCDMA(寬帶碼分多址)技術的UMTS(通用移動通信系統)、CDMA2000系統及TD-SCDMA(時分同步碼分多址)系統。WCDMA系統的網絡架構(含2G部分)如圖3所示。

4G(第4代移動通信)網絡系統通常指LTE(長期演進)系統(主要指TD-LTE系統，分時長期演進系統)，以及WiMAX(全球微波接入互操作性)系統。2009年建成運行的第1張商用LTE網絡架構如圖4所示。

圖3 3G網絡架構(含2G部分)

圖4 4G網絡架構

與3G網絡架構不同，4G網絡在接入網一側有顯著變化，其取消了BSC及RNC(無線網絡控制器)，將基站直接接入核心網。

5G網絡系統一般是指5G-NR(基于正交頻分復用的全新空口5G標準)網絡系統。其網絡架構如圖5所示。由圖5可見，核心網一側劃分的功能更為細致，主要得益于硬件虛擬化技術。

圖5 5G移動通信網絡架構

1.2 接入網結構的演進

接入網(RAN)是手機等終端用戶接入網絡的部分。通信系統代際也多按RAN的代際來劃分。RAN的演進更能反映移動通信網絡演進變化的內在規律。

3G網絡的RAN發展可劃分為3個階段：初期為RAN、中期為D-RAN(分布式RAN)，后期為C-RAN(集中式RAN)。不同時期的3G網絡RAN架構如圖6所示。在初期RAN的基礎上， D-RAN通過分離BBU(基帶處理單元)和RRU(射頻拉遠單元)部分，實現了RRU的光纖拉遠。C-RAN在D-RAN的基礎上，實現了BBU部分的資源池化，從物理層面集中了BBU。

圖6 3G網絡的RAN架構

相比于3G網絡的RAN，4G網絡RAN的 BBU虛擬化，實現了從硬件資源池到軟件定義的演變，有利于資源的高效利用以及新功能的協同引入。

5G網絡的RAN將BBU和RRU的功能融合后重新拆分給AAU(有源天線單元)及CU+DU(集中單元和分布單元)，此外，滿足低延時需求及D2D(端到端業務)需求，部分原屬于核心網的功能也轉至RAN。例如，圖7中的MEC(移動網絡邊緣計算平臺)，以更短的信息路徑來保證更低的延時，使業務服務能力更接近用戶。

1.3 網絡架構的演進規律

由總體架構的演進及RAN結構的變化，歸納總結出移動通信網絡架構的演進規律：

1) 結構扁平化。包括功能的融合合并。3G網絡發展到4G網絡后，取消了基站控制器設備(BTS及RNC)，將基站直接接入核心網，實現了結構上的扁平化演進。4G網絡的RAN將RRU與BBU功能融合，將BBU部分從資源池演進到Cloud(云)-BBU，將RRU融合天線一體化成為AAU。

2) 功能前置化。為了實現更低通信延時以及D2D直通功能，基于場景需要，4G網絡將原核心網部分功能下沉,并使之在RAN一側實現，從而使功能更靠近終端用戶，實現了功能前置化。

3) 平臺虛擬化。在4G網絡的核心網部分，通過設備集中及網絡功能細化，使用NFV(網絡功能虛擬化)技術在通用的集中化平臺實現了更為細致的通信網絡系統功能，即基于同一個硬件平臺實現了不同軟件的功能。

圖7 4G/5G接入網C-RAN架構

不同代際移動通信網絡的架構演進帶來顯著的性能提升，體現在終端的網絡吞吐量的增大以及切換性能的提高，尤其是大幅降低了通信延遲。以3G網絡到4G網絡為例，取消RNC后，網絡延時從3G網絡后期的100～200 ms降低至4G-LTE網絡的40～50 ms，降幅超過50%[1]。

2 基于通信的列控系統結構

列控系統的服務目的是滿足運輸需求。依據服務對象的不同，列控系統可分為鐵路列控系統及城市軌道交通(以下簡為“城軌”)列控系統。CTCS(中國列車運行控制系統)-3級列控系統為典型基于通信的鐵路列控系統， 而CBTC(基于通信的列車控制)系統為常用的城軌列控系統。

2.1 鐵路CTCS-3級列控系統結構

CTCS-3級列控系統是以GSM-R為通信網絡的列控系統，向下兼容CTCS-2級列控系統。其主要設備及架構如圖8所示。

2.2 CBTC系統

CBTC系統在早期主要以WiFi(無線網絡)系統作為車地通信網絡，后來逐步用LTE-R(LTE-Railway)技術來實現車地通信。不同設備供應商的CBTC系統架構類似。典型CBTC系統架構如圖9所示。隨著城市軌道交通建設規模的發展，運營需求逐步提高，不同線路的CBTC系統間有互聯互通的需求。

CBTC列控系統主要包括車載子系統、軌旁設備及聯鎖設備等，并在控制中心設置中心ATS(列車自動監控)設備。

圖8 CTCS-3級列控系統架構示意圖

圖9 城軌CBTC系統架構示意圖

3 列控系統的發展趨勢

列控系統的演進方向必須與運輸系統的目標一致：首先，要保證整個運輸過程中的安全可靠，是列控系統的最根本要求；其次，更快更靈活地完成運輸過程，是整個運輸系統對效率的核心訴求。列控系統的發展過程可借鑒移動通信網絡的演進實踐經驗。

3.1 列控系統與通信系統的關系

在鐵路系統誕生的初期，列車運行控制主要通過旗語及火把等視覺信號，以及和“響墩兒” 等聲學信號來向司機傳遞信息，其實質就是原始通信。

后來，列控系統開始采用專用的通信方式來傳遞信號。電報技術[2]、數字軌道電路技術及有源應答器技術先后服務于列控系統專用通信。

可見，列控系統和通信系統的本質相同。二者都是要高效地實現信息快速傳輸和處理。因此，移動通信網絡的發展規律天然適用于列控系統。

1999年發布的IEEE.1474標準將商用通信系統獨立出來，并提出了CBTC系統的概念，淡化了列控系統和通信系統的實質區別。

3.2 列控系統的功能

在列控系統中，聯鎖是最早實現的功能，主要解決鐵路系統中的碰撞等安全問題，其引入“閉塞”概念，采用相應的技術手段來改善運輸效率。回溯列控系統發展，無論是CI(計算機聯鎖)系統、CTC(鐵路列控)系統、TCC(城市軌道交通指揮中心)系統等特定功能子系統引入的先后順序，還是從“固定閉塞”到“移動閉塞”的概念發展，都是在安全的前提下，圍繞提高運輸效率這一核心目標的技術演進過程。如果列控系統控制的列車有更高的旅行速度和更多的在線運行列車數，就更容易實現提高效率這一目標。

列控系統模型可簡化為列車對線路的運用。相應的，列控系統的設備和子系統主要功能有：①對線路的操作，如狀態采集、聯鎖子系統對道岔轉轍機的直接操作等；②對線路的使用決策，如調度子系統對整體資源規劃決策、聯鎖子系統對前方占用區段通過禁止信號來防護、無線閉塞中心給車載子系統的移動授權、車載系統在安全授權范圍內決策資源應用等。

表1為列控系統設備及子系統的主要功能分配。CTC系統或者ATS系統是典型的決策執行系統，在此不作統計。

表1 列控系統設備及子系統的主要功能分配

由表1可見，多個軌旁(地面)子系統參與了線路的使用決策。進一步跟蹤可以發現，有一些決策功能是重復的。比如，在CTCS-3系統中，列控中心和無線閉塞中心同時對線路使用進行決策，并通過不同的信息通道傳遞上車。可見，從系統服務可用性角度來說，減少硬件設備可更好地保障系統服務可靠。

3.3 列控系統發展趨勢可能性

本文基于移動通信網絡架構的演進規律，探討列控系統發展趨勢的可能性。

3.3.1 基于結構扁平化的發展可能性

結構扁平化是減少信息交互過程跨越節點的方法。鐵路列控系統聯鎖一體化(TIS)項目的實質就是結構扁平化。在城軌列控系統中，車載設備之間直接交互信息，也是結構扁平化的體現。借鑒相關經驗，將控制中心→軌旁(地面)設備→車載設備的3層通信結構進一步扁平化，是可以探索研究的。進一步融合調度系統功能到列控系統之中，實現從現在3層結構到2層結構轉換。移動通信網絡和列控系統發展可以互相借鑒，列控系統的業務需要也是網絡的用戶需求。列控系統自身對移動通信系統也有新的要求，比如在結構扁平化的演進中，通信網絡是否可以在結構上實現列控系統設備端到端的直連，這些也需要在移動通信系統演進過程中予以考慮。

3.3.2 基于功能前置化的發展可能性

功能前置化的目的是通過調整功能來改善信息節點交互，使功能的直接使用者直接使用該功能。例如，在列控系統中，列車進路辦理的既有做法是：軌旁子系統申請進路操作成功后，將相關信息發送給列車；列車再按照指令進路。在科技部的研究課題“基于動態間隔的運能可配置列車運行控制系統”中一項“聯鎖上車”(原聯鎖子系統部分功能移至車載子系統)就是功能前置，結合表1，可將部分功能向車載子系統進一步前置。

3.3.3 基于平臺虛擬化的發展可能性

移動通信網絡設備規模龐大，促進了從專用設備轉換為通用設備的需求，催生了虛擬化功能，將原來跨平臺的硬件交互，轉變為同平臺內的軟件交互，消除了外部通信周期(秒級)，實現了運算周期內交互(毫秒級)。

受設備規模限制，列控系統自身的平臺虛擬化存在一定壓力，但可以從技術的角度進行探索。從云化應用非安全系統，到基于容器或虛擬主機進行的安全結構探索(虛擬MooN)，都是平臺虛擬化的嘗試。在平臺虛擬化的基礎上，列控系統擴容及新功能部署會更有利于全自動無人駕駛列控系統的發展。

3.4 列控系統發展趨勢

基于移動通信網絡架構的演進規律來分析列控發展趨勢過程，可以為從技術角度抽象梳理列控系統功能及進行功能重配置提供清晰的思路。不僅能為正在進行的研發實踐及科學研究提供例證，也能為正在進行的功能研究提供上述演進規律的實踐運用。可見，列控系統向結構扁平化、功能前置化及平臺虛擬化趨勢的發展是可能的。

4 結語

當前，在列控系統的發展中，研發實踐及科研探索的方向均可適用移動通信網絡架構演進規律來解釋。這證明了移動通信網絡架構演進規律對列控系統發展趨勢判斷的可借鑒性。列控系統的技術演進方向也指向結構扁平化、功能前置化及平臺虛擬化。其最終目的是使列控系統更好地發展，使其能更加安全靈活高效地支撐運輸服務。