移动通信网络架构演进规律对列车运行控制系统发展的启示

韩 涛 李 翀 王冬海

(1.上海轨道交通无人驾驶列控系统工程技术研究中心，200071，上海；2.卡斯柯信号有限公司，200071，上海 ∥ 第一作者，高级工程师)

现代移动通信网络系统，尤其数字移动通信系统是近30年来发展最好、规模最大的商用电子信息化系统。截至2019年，全球范围内的独立移动用户数约为52亿，其中我国的独立移动用户数约为12亿。本文回溯了第2代移动通信(2G)网络到第5代移动通信(5G)网络的演进发展，从技术视角比对其代际发展中网络架构的差异，分析归纳移动通信网络演进规律，以期为列车运行控制系统(以下简称“列控系统”)的发展提供有益启示。

1 移动通信网络

现代移动通信网络，通常指服务公共的商用移动通信网络。其结构主要分为终端、接入网(RAN)及核心网等3个部分。

1.1 网络总体架构的演进

2G网络系统通常指GSM(全球移动通信系统)系统及CDMA(码分多址)系统。其中GSM的网络架构如图1所示。

图1 GSM的网络架构

在2G发展过程中衍生出的2.5G(第2.5代移动通信)网络，提供了基于IP(网际互连协议)的数据通信能力。2.5G网络架构如图2所示。

图2 2.5G网络架构

3G(第3代移动通信)网络系统一般指基于WCDMA(宽带码分多址)技术的UMTS(通用移动通信系统)、CDMA2000系统及TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统。WCDMA系统的网络架构(含2G部分)如图3所示。

4G(第4代移动通信)网络系统通常指LTE(长期演进)系统(主要指TD-LTE系统，分时长期演进系统)，以及WiMAX(全球微波接入互操作性)系统。2009年建成运行的第1张商用LTE网络架构如图4所示。

图3 3G网络架构(含2G部分)

图4 4G网络架构

与3G网络架构不同，4G网络在接入网一侧有显著变化，其取消了BSC及RNC(无线网络控制器)，将基站直接接入核心网。

5G网络系统一般是指5G-NR(基于正交频分复用的全新空口5G标准)网络系统。其网络架构如图5所示。由图5可见，核心网一侧划分的功能更为细致，主要得益于硬件虚拟化技术。

图5 5G移动通信网络架构

1.2 接入网结构的演进

接入网(RAN)是手机等终端用户接入网络的部分。通信系统代际也多按RAN的代际来划分。RAN的演进更能反映移动通信网络演进变化的内在规律。

3G网络的RAN发展可划分为3个阶段：初期为RAN、中期为D-RAN(分布式RAN)，后期为C-RAN(集中式RAN)。不同时期的3G网络RAN架构如图6所示。在初期RAN的基础上， D-RAN通过分离BBU(基带处理单元)和RRU(射频拉远单元)部分，实现了RRU的光纤拉远。C-RAN在D-RAN的基础上，实现了BBU部分的资源池化，从物理层面集中了BBU。

图6 3G网络的RAN架构

相比于3G网络的RAN，4G网络RAN的 BBU虚拟化，实现了从硬件资源池到软件定义的演变，有利于资源的高效利用以及新功能的协同引入。

5G网络的RAN将BBU和RRU的功能融合后重新拆分给AAU(有源天线单元)及CU+DU(集中单元和分布单元)，此外，满足低延时需求及D2D(端到端业务)需求，部分原属于核心网的功能也转至RAN。例如，图7中的MEC(移动网络边缘计算平台)，以更短的信息路径来保证更低的延时，使业务服务能力更接近用户。

1.3 网络架构的演进规律

由总体架构的演进及RAN结构的变化，归纳总结出移动通信网络架构的演进规律：

1) 结构扁平化。包括功能的融合合并。3G网络发展到4G网络后，取消了基站控制器设备(BTS及RNC)，将基站直接接入核心网，实现了结构上的扁平化演进。4G网络的RAN将RRU与BBU功能融合，将BBU部分从资源池演进到Cloud(云)-BBU，将RRU融合天线一体化成为AAU。

2) 功能前置化。为了实现更低通信延时以及D2D直通功能，基于场景需要，4G网络将原核心网部分功能下沉,并使之在RAN一侧实现，从而使功能更靠近终端用户，实现了功能前置化。

3) 平台虚拟化。在4G网络的核心网部分，通过设备集中及网络功能细化，使用NFV(网络功能虚拟化)技术在通用的集中化平台实现了更为细致的通信网络系统功能，即基于同一个硬件平台实现了不同软件的功能。

图7 4G/5G接入网C-RAN架构

不同代际移动通信网络的架构演进带来显著的性能提升，体现在终端的网络吞吐量的增大以及切换性能的提高，尤其是大幅降低了通信延迟。以3G网络到4G网络为例，取消RNC后，网络延时从3G网络后期的100～200 ms降低至4G-LTE网络的40～50 ms，降幅超过50%[1]。

2 基于通信的列控系统结构

列控系统的服务目的是满足运输需求。依据服务对象的不同，列控系统可分为铁路列控系统及城市轨道交通(以下简为“城轨”)列控系统。CTCS(中国列车运行控制系统)-3级列控系统为典型基于通信的铁路列控系统， 而CBTC(基于通信的列车控制)系统为常用的城轨列控系统。

2.1 铁路CTCS-3级列控系统结构

CTCS-3级列控系统是以GSM-R为通信网络的列控系统，向下兼容CTCS-2级列控系统。其主要设备及架构如图8所示。

2.2 CBTC系统

CBTC系统在早期主要以WiFi(无线网络)系统作为车地通信网络，后来逐步用LTE-R(LTE-Railway)技术来实现车地通信。不同设备供应商的CBTC系统架构类似。典型CBTC系统架构如图9所示。随着城市轨道交通建设规模的发展，运营需求逐步提高，不同线路的CBTC系统间有互联互通的需求。

CBTC列控系统主要包括车载子系统、轨旁设备及联锁设备等，并在控制中心设置中心ATS(列车自动监控)设备。

图8 CTCS-3级列控系统架构示意图

图9 城轨CBTC系统架构示意图

3 列控系统的发展趋势

列控系统的演进方向必须与运输系统的目标一致：首先，要保证整个运输过程中的安全可靠，是列控系统的最根本要求；其次，更快更灵活地完成运输过程，是整个运输系统对效率的核心诉求。列控系统的发展过程可借鉴移动通信网络的演进实践经验。

3.1 列控系统与通信系统的关系

在铁路系统诞生的初期，列车运行控制主要通过旗语及火把等视觉信号，以及和“响墩儿” 等声学信号来向司机传递信息，其实质就是原始通信。

后来，列控系统开始采用专用的通信方式来传递信号。电报技术[2]、数字轨道电路技术及有源应答器技术先后服务于列控系统专用通信。

可见，列控系统和通信系统的本质相同。二者都是要高效地实现信息快速传输和处理。因此，移动通信网络的发展规律天然适用于列控系统。

1999年发布的IEEE.1474标准将商用通信系统独立出来，并提出了CBTC系统的概念，淡化了列控系统和通信系统的实质区别。

3.2 列控系统的功能

在列控系统中，联锁是最早实现的功能，主要解决铁路系统中的碰撞等安全问题，其引入“闭塞”概念，采用相应的技术手段来改善运输效率。回溯列控系统发展，无论是CI(计算机联锁)系统、CTC(铁路列控)系统、TCC(城市轨道交通指挥中心)系统等特定功能子系统引入的先后顺序，还是从“固定闭塞”到“移动闭塞”的概念发展，都是在安全的前提下，围绕提高运输效率这一核心目标的技术演进过程。如果列控系统控制的列车有更高的旅行速度和更多的在线运行列车数，就更容易实现提高效率这一目标。

列控系统模型可简化为列车对线路的运用。相应的，列控系统的设备和子系统主要功能有：①对线路的操作，如状态采集、联锁子系统对道岔转辙机的直接操作等；②对线路的使用决策，如调度子系统对整体资源规划决策、联锁子系统对前方占用区段通过禁止信号来防护、无线闭塞中心给车载子系统的移动授权、车载系统在安全授权范围内决策资源应用等。

表1为列控系统设备及子系统的主要功能分配。CTC系统或者ATS系统是典型的决策执行系统，在此不作统计。

表1 列控系统设备及子系统的主要功能分配

由表1可见，多个轨旁(地面)子系统参与了线路的使用决策。进一步跟踪可以发现，有一些决策功能是重复的。比如，在CTCS-3系统中，列控中心和无线闭塞中心同时对线路使用进行决策，并通过不同的信息通道传递上车。可见，从系统服务可用性角度来说，减少硬件设备可更好地保障系统服务可靠。

3.3 列控系统发展趋势可能性

本文基于移动通信网络架构的演进规律，探讨列控系统发展趋势的可能性。

3.3.1 基于结构扁平化的发展可能性

结构扁平化是减少信息交互过程跨越节点的方法。铁路列控系统联锁一体化(TIS)项目的实质就是结构扁平化。在城轨列控系统中，车载设备之间直接交互信息，也是结构扁平化的体现。借鉴相关经验，将控制中心→轨旁(地面)设备→车载设备的3层通信结构进一步扁平化，是可以探索研究的。进一步融合调度系统功能到列控系统之中，实现从现在3层结构到2层结构转换。移动通信网络和列控系统发展可以互相借鉴，列控系统的业务需要也是网络的用户需求。列控系统自身对移动通信系统也有新的要求，比如在结构扁平化的演进中，通信网络是否可以在结构上实现列控系统设备端到端的直连，这些也需要在移动通信系统演进过程中予以考虑。

3.3.2 基于功能前置化的发展可能性

功能前置化的目的是通过调整功能来改善信息节点交互，使功能的直接使用者直接使用该功能。例如，在列控系统中，列车进路办理的既有做法是：轨旁子系统申请进路操作成功后，将相关信息发送给列车；列车再按照指令进路。在科技部的研究课题“基于动态间隔的运能可配置列车运行控制系统”中一项“联锁上车”(原联锁子系统部分功能移至车载子系统)就是功能前置，结合表1，可将部分功能向车载子系统进一步前置。

3.3.3 基于平台虚拟化的发展可能性

移动通信网络设备规模庞大，促进了从专用设备转换为通用设备的需求，催生了虚拟化功能，将原来跨平台的硬件交互，转变为同平台内的软件交互，消除了外部通信周期(秒级)，实现了运算周期内交互(毫秒级)。

受设备规模限制，列控系统自身的平台虚拟化存在一定压力，但可以从技术的角度进行探索。从云化应用非安全系统，到基于容器或虚拟主机进行的安全结构探索(虚拟MooN)，都是平台虚拟化的尝试。在平台虚拟化的基础上，列控系统扩容及新功能部署会更有利于全自动无人驾驶列控系统的发展。

3.4 列控系统发展趋势

基于移动通信网络架构的演进规律来分析列控发展趋势过程，可以为从技术角度抽象梳理列控系统功能及进行功能重配置提供清晰的思路。不仅能为正在进行的研发实践及科学研究提供例证，也能为正在进行的功能研究提供上述演进规律的实践运用。可见，列控系统向结构扁平化、功能前置化及平台虚拟化趋势的发展是可能的。

4 结语

当前，在列控系统的发展中，研发实践及科研探索的方向均可适用移动通信网络架构演进规律来解释。这证明了移动通信网络架构演进规律对列控系统发展趋势判断的可借鉴性。列控系统的技术演进方向也指向结构扁平化、功能前置化及平台虚拟化。其最终目的是使列控系统更好地发展，使其能更加安全灵活高效地支撑运输服务。