5G 承载未来列控系统业务方案综述

冯 凯 程剑锋 岳 林 李 昂

发展5G 是我国重要的战略部署，积极稳妥推进5G 网络建设，培育更多行业应用是深化5G 应用发展的总趋势。目前，针对5G 铁路专网和5G铁路应用的研究方兴未艾，基于5G 的列控系统研究也是其中的一个热点课题。本文通过对5G 铁路应用研究的最新现状进行调研和分析，结合我国列控系统的应用现状以及未来列控系统的发展趋势，从既有列控系统适配5G 进行升级改造和研制充分利用5G 功能特性的新型列控系统2 个维度，提出未来列控系统业务应用5G 技术的各项设计方案，分析5G 与列控相结合的有关问题，并提供相关参考建议。

1 5G 铁路应用研究现状

当今世界上无线移动通信技术中，技术先进、发展趋势最好的当属5G。铁路一直紧跟着时代技术的发展，5G 将成为构建未来铁路的首选移动通信系统。2014 年，国际铁路联盟（UIC）设立了未来铁路移动通信系统（FRMCS）专项课题，开始研究铁路下一代移动通信技术。2020 年2 月19 日，FRMCS 发布了用户需求规范（URS V5.0.0），计划在2021 年发布功能需求规范（FRS）和系统需求规范（SRS）［1］。世界各国针对5G 铁路应用的研究日新月异：日本在2019 年进行了在时速240 km条件下90 GHz 频段的铁路移动通信系统试验；2020 年10 月8 日，韩国铁路研究院在位于五松的专用试验轨道上测试了基于5G 的自主列车控制技术；德国计划于2021 年10 月在汉堡长达23 km 的线路上展示基于5G 的列车全自动无人驾驶。

我国目前也已开展5G-R（5G 铁路专网）组网方案、架构设计和应用的相关研究。鉴于2 100 MHz频段电波传播特性良好，拟申请将2 100 MHz 作为我国铁路5G 专网频率。前期对该频段电波的传播特性和电磁兼容特性进行了研究和测试［2］。近期研究成果取得重要突破，2020 年12 月16 日和18 日，位于北京交大和铁科院的2 个铁路5G 创新实验室分别投入使用。北京交大5G 创新实验室完成了铁路5G-R 与GSM-R 网络之间的互联互通，打通了基于铁路5G-R 的多媒体调度电话、铁路GSM-R与5G-R 之间的移动电话，这属世界首次；铁科院5G 创新实验室是我国铁路第一个内外场结合、动静态兼顾、公专网融合的铁路5G 实验室，其中装备了自行研制的“车地无线宽带传输平台”与新型CIR 设备，实现了5G 关键业务系统（MCX）的多媒体调度通信功能，这在国内尚属首次。这2 个实验室标志着5G 技术在我国铁路创新应用领域迈出了坚实的第一步，对推动铁路5G 的工程建设和发展具有重要意义。

5G 技术为列控系统车地传输提供了高速率、低时延、高可靠性和高安全性的无线宽带接入技术保证，建设5G-R 来承载列控信息等行车安全数据是未来铁路通信应用的发展方向。2020 年8 月，中国国家铁路集团有限公司发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》（简称《纲要》），在《纲要》中明确指出将自主研发新型智能列控系统。新型智能列控系统即是利用5G 通信技术、北斗卫星导航技术等构成的空天地一体化列控系统。可以看出，我国未来的铁路列控系统必然是以5G 为基础的，目前有关科研院所也已启动基于5G 的未来列控系统的研究。

2 基于5G 的未来列控系统

随着GSM-R 产业链逐渐萎缩和5G-R 的稳步发展，5G 技术将逐步应用于我国铁路未来列控系统中。我国未来列控系统可在2 个维度上应用5G 技术：一是对既有列控系统适配5G 进行升级改造；二是研制充分利用5G 功能特性的新型列控系统。

2.1 CTCS-3 级列控系统

我国CTCS-3 级列控系统由ATP 车载设备和地面设备构成，地面设备主要由无线闭塞中心（RBC）、临 时 限 速 服 务 器（TSRS） 等 组 成［3］。ATP 和RBC 间采用GSM-R 电路域无线通信实现车地信息传输：RBC 向ATP 发送行车许可信息，ATP 向RBC 发送列车位置报告。由于5G-R 系统的带宽和时延指标均优于GSM-R 系统，所以对既有CTCS-3 级列控系统适配5G 进行升级改造时，无需变动CTCS-3 级列控系统内部既有业务逻辑，仅需更改它与5G-R 的接口即可实现升级，但需要考虑ATP 对GSM-R 和5G-R 2 种网络的兼容性设计。一种5G-R 承载CTCS-3 级列控业务的设计方案如下。

1）使用既有CTCS-3 级车地安全通信连接机制和应用消息流程。

2）为了实现在GSM-R 覆盖线路和5G-R 覆盖线路的跨线运行，将ATP 的电台MT 替换为双模，车载设备的RTU 单元包含CSD 模式和5G-R 模式下的车地数据传输协议，并支持2 套协议同时工作，RTU 与MT 接口形式保持不变。

3）RBC 设备增加5G-R 模式的N6 接口，通过该接口与5G-R 网络的SMF 设备连接。

2.2 C3+ATO 列控系统

C3+ATO 系统在CTCS-3 级列控系统的基础上，车载设备增加了ATO 单元来实现自动驾驶控制，地面TSRS 设备中增加了ATO 相关功能［4］。ATO 和TSRS 间采用GSM-R 分组域（GPRS）无线通信实现车地信息传输：TSRS 向ATO 发送站间数据和运行计划，ATP向TSRS发送列车位置报告。同样地，对既有C3+ATO 列控系统适配5G 进行升级改造时，无需变动C3+ATO 列控系统内部既有业务逻辑，仅需更改它与5G-R 的接口即可实现升级。除需要考虑ATP对GSM-R 和5G-R 2种网络的兼容性设计外，由于5G-R 和GPRS 都属于分组域，还需考虑ATO 对这2 种分组域的兼容性适配。一种5G-R承载C3+ATO 列控业务的设计方案如下。

1） 更 换ATO 的 电 台MT 和 天 线，ATO 的MT 自 动识别GPRS 网络 或5G-R 网络。

2）ATO 车载设备和TSRS 地面设备对车地数据传输是通过GPRS 网络还是5G-R 网络无感知。

3） TSRS 保持原Gi 接口（N6 接口），5G-R网络适配该接口。

2.3 新建时速400 km 高铁列控系统

成渝中线高速铁路是世界上首条拟以时速400 km 建设运营的高速铁路，计划建设总工期约为4 年。根据目前相关设计与建设要求，成渝中线高速铁路列控系统将在CTCS-3 级列控系统基础上增加多源融合定位功能。

由于5G 最高可支持500 km/h 运行速度，满足时速400 km 高铁运营要求，可以预见：随着我国铁路5G 专网的建设与发展，未来新建时速400 km高铁列控系统也将逐步采用5G-R，取代GSM-R来承载车地间列控信息传输。时速400 km 高铁列控系统相关5G 适配方案可参考CTCS-3 列控系统的升级改造方案。

2.4 西部高原列控系统

为了给高原铁路的运营提供技术支撑，我国正在有序开展西部高原铁路列控系统的技术研究。西部高原列控系统由车载设备和地面设备构成，车载设备主要由ATP 设备和EOT 列尾设备组成，地面设备由无线闭塞中心（RBC）、临时限速服务器（TSRS）等组成。西部高原列控系统具备移动闭塞功能，车载设备具备多源融合定位和列车完整性检 查 功 能。ATP 和RBC 间、ATP 和TSRS 间、ATP 和EOT 间均采用GPRS 无线通信实现信息传输：RBC 向ATP 发送行车许可信息，TSRS 向ATP 发送电子地图、差分数据信息，EOT 向ATP发送风压、位置和速度等信息。

随着我国铁路5G 专网大规模的建设和发展，未来西部高原铁路列控系统也将逐步采用5G-R，取代GPRS 来承载车地间和ATP-EOT 间的列控信息传输。西部高原列控系统相关5G 适配方案可参考C3+ATO 列控系统的升级改造方案。

2.5 西部高原兼容型列控系统

西部高原兼容型列控系统在西部高原列控系统的基础上，车载设备增加CTCS-0 级模块来实现在CTCS-0级线路上运行的能力，同时在车载设备中增加扩展通信单元，在地面增加数据、应用等服务器来实现CTCS-0 级车载数据的无线远程换装。无线换装系统的车载和地面服务器之间通过公网3G/4G 进行通信，地面服务器向车载设备发送CTCS-0 级线路数据［5］。

随着我国5G 网络的建设与发展，未来西部高原铁路兼容型列控系统也可采用5G 公网或5G 专网来取代3G/4G 公网，承载无线换装系统车地间CTCS-0 级数据的传输。

2.6 车车通信列控系统

在我国，基于车车通信的列控系统在城市轨道交通领域研究进展较快，在铁路领域的研究相对谨慎保守。我国西部复杂山区铁路具有桥梁隧道多、长大坡道多、地质板块活动频繁等特征，根据相关设计要求，目前西部复杂山区铁路采用的信号系统初步定为车-地-车列控系统。随着我国铁路5G 网络的建设与发展，研究基于5G 和车车通信的列控系统，减少轨旁设备，实现移动闭塞、列车完整性自检查等功能，具备既有列车测速定位方式的增强能力，满足不利乃至极端运行条件下的运用需求，这不失为西部复杂山区铁路的一种选择方案。车车通信列控系统的车载设备采用一体化设计，极大地简化了地面设备，后车可直接与前车通信，根据获取的前车信息，生成追踪速度曲线［6］。同时可具备自动驾驶功能和虚拟编组功能，实现基于车车通信的列车追踪。一种基于5G-R的车车通信列控系统的设计方案如下。

1）车载设备之间、车地间、车载设备与列尾间采用5G-R 实现IP 化双向无线通信。

2）本车车载设备通过域名解析和身份识别与前、后行列车的车载设备建立安全通信连接：从前行列车ATP 获取前车的列车位置与运行速度，向后车ATP 发送自身的列车位置与运行速度；本车ATP 自行计算本车的行车许可，并计算ATP 控制曲线和ATO 控制曲线。

3）当以列车虚拟编组方式运行时，虚拟编组内的前车车载设备向后车车载发送控制指令，后车车载设备根据该命令控制后车自动运行［7］。

需要指出的是， 5G 标准中的临近服务（ProSe）技术可支持邻近脱网通信和直接通信［8］，由于直通模式下2 个终端间可以不经过蜂窝网络转发就可直接通信，所以该模式可以大大减轻基站与核心网的负荷。通过在车载设备与列尾间，以及虚拟编组内的前车和后车间采用ProSe 直接通信，可以有效降低通信时延，提高传输速率。

2.7 全自动运行列控系统

全自动运行系统在城市轨道交通领域中已经逐渐成为标配，城市轨道交通全自动运行系统是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术，由信号、车辆、通信、站台门、综合监控等设备组成，实现列车运行全过程自动化的系统［9］。随着我国铁路的发展，基于5G 的铁路全自动运行系统也是将来的发展方向。列控系统作为铁路全自动运行系统中的核心系统，除了实现列车防护的核心功能外，还作为车地无线信息的中转中枢，与其他系统深度集成，从而实现全自动运行协同控制。一种5G-R承载全自动运行列控业务的设计方案如下。

1）车载设备与地面设备（RBC/TSRS）间、车载设备与CTC间采用5G-R实现IP化双向无线通信。

2）车载设备设置休眠唤醒单元，支持CTC 远程控制列车休眠唤醒。

3）系统实现远程控制列车，包括列车设备控制、客室照明开关等。车载设备接收CTC 发送的远程控制车辆指令，并转发给车辆；从车辆接收列车运行状态信息发送给CTC。

4）系统可将列车内及列车运行前、后方的视频监视信息上传到CTC，CTC 可远程控制列车广播和乘客信息。

由上述设计可以看出，全自动运行系统对数据传输速率要求高，而5G 大带宽特性正好可以为这些业务提供支撑。

3 相关问题

尽管5G 优势众多，但应用于未来列控系统时也存在一些限制和问题，主要如下。

1）5G无法应用于更高速度的列控系统。2020年12 月22 日，国务院新闻办发布的《中国交通的可持续发展》白皮书中指出，我国“十四五”铁路发展将推动时速600 km 级高速磁悬浮系统技术等重大科技研发。由于5G 最高支持500 km/h 运行速度，显然不能应用于高速磁浮列控系统的信息传输。德国的高速磁悬浮列控系统由中央控制系统、分区控制系统和车载控制系统3 个子系统构成，在埃姆斯兰磁浮线测试时列车最高速度达550 km/h，其分区控制系统和车载系统之间的信息传输是依靠38 GHz 无线电系统来实现的［10］。

2）列控系统的发展和铁路移动通信系统的发展存在步调不一致的情况。一方面，我国铁路列控系统的演进是有一个过程的，在相当长的一段时期内会使用既有成熟的列控系统（如CTCS-3 级列控系统），由于5G-R 的功能和性能远优于GSM-R 系统，单纯地在既有列控系统上更换5G 难免陷于“大材小用”的境地，无法充分利用5G 的先进功能特性。另一方面，基于5G 而研发的新型列控系统，从研制到应用同样需要一个较长的过程，在这个过程中，无线移动通信技术也在迅猛发展，如2020年11月21日，中国移动研究院发布的6G 系列白皮书中就提出了下一代移动通信系统6G 的全新架构，并分析了未来潜在技术。5G 尚未应用，6G 已在发展，这对未来列控系统的规划和设计提出了更高的要求。

4 总结与展望

不管是对既有列控系统进行升级改造，还是研制新型列控系统，总体来说，我国未来的铁路列控系统应用5G 技术是一个发展趋势。由于列控业务的安全性级别极高，可以预见，文中提及的数个未来列控系统也必将成为5G 在铁路上的示范性应用。同时还应看到，在铁路列控系统自身发展演进过程中，不能简单地将5G 视为一个孤立的通信系统，而是需要将5G 技术纳入到系统设计的整体考量中来，充分挖掘和拓展其功能特性（如大连接、边缘计算、基站定位等），同时还需考虑5G 与其他新技术的组合应用（如5G+北斗、5G+AI、5G+大数据等）。只有这样才能使5G 和列控深度融合、相得益彰，从而最终实现铁路通信信号的一体化发展［11］。