移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)規(guī)律對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)展的啟示

韓 濤 李 翀 王冬海

(1.上海軌道交通無(wú)人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，200071，上海；2.卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，尤其數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)是近30年來(lái)發(fā)展最好、規(guī)模最大的商用電子信息化系統(tǒng)。截至2019年，全球范圍內(nèi)的獨(dú)立移動(dòng)用戶數(shù)約為52億，其中我國(guó)的獨(dú)立移動(dòng)用戶數(shù)約為12億。本文回溯了第2代移動(dòng)通信(2G)網(wǎng)絡(luò)到第5代移動(dòng)通信(5G)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)發(fā)展，從技術(shù)視角比對(duì)其代際發(fā)展中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的差異，分析歸納移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)規(guī)律，以期為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“列控系統(tǒng)”)的發(fā)展提供有益啟示。

1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通常指服務(wù)公共的商用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)主要分為終端、接入網(wǎng)(RAN)及核心網(wǎng)等3個(gè)部分。

1.1 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)的演進(jìn)

2G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常指GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))系統(tǒng)及CDMA(碼分多址)系統(tǒng)。其中GSM的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 GSM的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在2G發(fā)展過(guò)程中衍生出的2.5G(第2.5代移動(dòng)通信)網(wǎng)絡(luò)，提供了基于IP(網(wǎng)際互連協(xié)議)的數(shù)據(jù)通信能力。2.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 2.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3G(第3代移動(dòng)通信)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般指基于WCDMA(寬帶碼分多址)技術(shù)的UMTS(通用移動(dòng)通信系統(tǒng))、CDMA2000系統(tǒng)及TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)系統(tǒng)。WCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(含2G部分)如圖3所示。

4G(第4代移動(dòng)通信)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常指LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))系統(tǒng)(主要指TD-LTE系統(tǒng)，分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng))，以及WiMAX(全球微波接入互操作性)系統(tǒng)。2009年建成運(yùn)行的第1張商用LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖3 3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(含2G部分)

圖4 4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

與3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同，4G網(wǎng)絡(luò)在接入網(wǎng)一側(cè)有顯著變化，其取消了BSC及RNC(無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器)，將基站直接接入核心網(wǎng)。

5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般是指5G-NR(基于正交頻分復(fù)用的全新空口5G標(biāo)準(zhǔn))網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，核心網(wǎng)一側(cè)劃分的功能更為細(xì)致，主要得益于硬件虛擬化技術(shù)。

圖5 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)

接入網(wǎng)(RAN)是手機(jī)等終端用戶接入網(wǎng)絡(luò)的部分。通信系統(tǒng)代際也多按RAN的代際來(lái)劃分。RAN的演進(jìn)更能反映移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)變化的內(nèi)在規(guī)律。

3G網(wǎng)絡(luò)的RAN發(fā)展可劃分為3個(gè)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(shí)期的3G網(wǎng)絡(luò)RAN架構(gòu)如圖6所示。在初期RAN的基礎(chǔ)上， D-RAN通過(guò)分離BBU(基帶處理單元)和RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)部分，實(shí)現(xiàn)了RRU的光纖拉遠(yuǎn)。C-RAN在D-RAN的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了BBU部分的資源池化，從物理層面集中了BBU。

圖6 3G網(wǎng)絡(luò)的RAN架構(gòu)

相比于3G網(wǎng)絡(luò)的RAN，4G網(wǎng)絡(luò)RAN的 BBU虛擬化，實(shí)現(xiàn)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(xié)同引入。

5G網(wǎng)絡(luò)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(shí)需求及D2D(端到端業(yè)務(wù))需求，部分原屬于核心網(wǎng)的功能也轉(zhuǎn)至RAN。例如，圖7中的MEC(移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺(tái))，以更短的信息路徑來(lái)保證更低的延時(shí)，使業(yè)務(wù)服務(wù)能力更接近用戶。

1.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)規(guī)律

由總體架構(gòu)的演進(jìn)及RAN結(jié)構(gòu)的變化，歸納總結(jié)出移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)規(guī)律：

1) 結(jié)構(gòu)扁平化。包括功能的融合合并。3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到4G網(wǎng)絡(luò)后，取消了基站控制器設(shè)備(BTS及RNC)，將基站直接接入核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的扁平化演進(jìn)。4G網(wǎng)絡(luò)的RAN將RRU與BBU功能融合，將BBU部分從資源池演進(jìn)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(shí)現(xiàn)更低通信延時(shí)以及D2D直通功能，基于場(chǎng)景需要，4G網(wǎng)絡(luò)將原核心網(wǎng)部分功能下沉,并使之在RAN一側(cè)實(shí)現(xiàn)，從而使功能更靠近終端用戶，實(shí)現(xiàn)了功能前置化。

3) 平臺(tái)虛擬化。在4G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)部分，通過(guò)設(shè)備集中及網(wǎng)絡(luò)功能細(xì)化，使用NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)技術(shù)在通用的集中化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了更為細(xì)致的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能，即基于同一個(gè)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了不同軟件的功能。

圖7 4G/5G接入網(wǎng)C-RAN架構(gòu)

不同代際移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)演進(jìn)帶來(lái)顯著的性能提升，體現(xiàn)在終端的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)到4G網(wǎng)絡(luò)為例，取消RNC后，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)從3G網(wǎng)絡(luò)后期的100～200 ms降低至4G-LTE網(wǎng)絡(luò)的40～50 ms，降幅超過(guò)50%[1]。

2 基于通信的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

列控系統(tǒng)的服務(wù)目的是滿足運(yùn)輸需求。依據(jù)服務(wù)對(duì)象的不同，列控系統(tǒng)可分為鐵路列控系統(tǒng)及城市軌道交通(以下簡(jiǎn)為“城軌”)列控系統(tǒng)。CTCS(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng))-3級(jí)列控系統(tǒng)為典型基于通信的鐵路列控系統(tǒng)， 而CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)為常用的城軌列控系統(tǒng)。

2.1 鐵路CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)是以GSM-R為通信網(wǎng)絡(luò)的列控系統(tǒng)，向下兼容CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)。其主要設(shè)備及架構(gòu)如圖8所示。

2.2 CBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)在早期主要以WiFi(無(wú)線網(wǎng)絡(luò))系統(tǒng)作為車地通信網(wǎng)絡(luò)，后來(lái)逐步用LTE-R(LTE-Railway)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車地通信。不同設(shè)備供應(yīng)商的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)類似。典型CBTC系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)需求逐步提高，不同線路的CBTC系統(tǒng)間有互聯(lián)互通的需求。

CBTC列控系統(tǒng)主要包括車載子系統(tǒng)、軌旁設(shè)備及聯(lián)鎖設(shè)備等，并在控制中心設(shè)置中心ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)設(shè)備。

圖8 CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖9 城軌CBTC系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 列控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

列控系統(tǒng)的演進(jìn)方向必須與運(yùn)輸系統(tǒng)的目標(biāo)一致：首先，要保證整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中的安全可靠，是列控系統(tǒng)的最根本要求；其次，更快更靈活地完成運(yùn)輸過(guò)程，是整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)效率的核心訴求。列控系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程可借鑒移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.1 列控系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的關(guān)系

在鐵路系統(tǒng)誕生的初期，列車運(yùn)行控制主要通過(guò)旗語(yǔ)及火把等視覺(jué)信號(hào)，以及和“響墩兒” 等聲學(xué)信號(hào)來(lái)向司機(jī)傳遞信息，其實(shí)質(zhì)就是原始通信。

后來(lái)，列控系統(tǒng)開(kāi)始采用專用的通信方式來(lái)傳遞信號(hào)。電報(bào)技術(shù)[2]、數(shù)字軌道電路技術(shù)及有源應(yīng)答器技術(shù)先后服務(wù)于列控系統(tǒng)專用通信。

可見(jiàn)，列控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的本質(zhì)相同。二者都是要高效地實(shí)現(xiàn)信息快速傳輸和處理。因此，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展規(guī)律天然適用于列控系統(tǒng)。

1999年發(fā)布的IEEE.1474標(biāo)準(zhǔn)將商用通信系統(tǒng)獨(dú)立出來(lái)，并提出了CBTC系統(tǒng)的概念，淡化了列控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)區(qū)別。

3.2 列控系統(tǒng)的功能

在列控系統(tǒng)中，聯(lián)鎖是最早實(shí)現(xiàn)的功能，主要解決鐵路系統(tǒng)中的碰撞等安全問(wèn)題，其引入“閉塞”概念，采用相應(yīng)的技術(shù)手段來(lái)改善運(yùn)輸效率。回溯列控系統(tǒng)發(fā)展，無(wú)論是CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)系統(tǒng)、CTC(鐵路列控)系統(tǒng)、TCC(城市軌道交通指揮中心)系統(tǒng)等特定功能子系統(tǒng)引入的先后順序，還是從“固定閉塞”到“移動(dòng)閉塞”的概念發(fā)展，都是在安全的前提下，圍繞提高運(yùn)輸效率這一核心目標(biāo)的技術(shù)演進(jìn)過(guò)程。如果列控系統(tǒng)控制的列車有更高的旅行速度和更多的在線運(yùn)行列車數(shù)，就更容易實(shí)現(xiàn)提高效率這一目標(biāo)。

列控系統(tǒng)模型可簡(jiǎn)化為列車對(duì)線路的運(yùn)用。相應(yīng)的，列控系統(tǒng)的設(shè)備和子系統(tǒng)主要功能有：①對(duì)線路的操作，如狀態(tài)采集、聯(lián)鎖子系統(tǒng)對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的直接操作等；②對(duì)線路的使用決策，如調(diào)度子系統(tǒng)對(duì)整體資源規(guī)劃決策、聯(lián)鎖子系統(tǒng)對(duì)前方占用區(qū)段通過(guò)禁止信號(hào)來(lái)防護(hù)、無(wú)線閉塞中心給車載子系統(tǒng)的移動(dòng)授權(quán)、車載系統(tǒng)在安全授權(quán)范圍內(nèi)決策資源應(yīng)用等。

表1為列控系統(tǒng)設(shè)備及子系統(tǒng)的主要功能分配。CTC系統(tǒng)或者ATS系統(tǒng)是典型的決策執(zhí)行系統(tǒng)，在此不作統(tǒng)計(jì)。

表1 列控系統(tǒng)設(shè)備及子系統(tǒng)的主要功能分配

由表1可見(jiàn)，多個(gè)軌旁(地面)子系統(tǒng)參與了線路的使用決策。進(jìn)一步跟蹤可以發(fā)現(xiàn)，有一些決策功能是重復(fù)的。比如，在CTCS-3系統(tǒng)中，列控中心和無(wú)線閉塞中心同時(shí)對(duì)線路使用進(jìn)行決策，并通過(guò)不同的信息通道傳遞上車?？梢?jiàn)，從系統(tǒng)服務(wù)可用性角度來(lái)說(shuō)，減少硬件設(shè)備可更好地保障系統(tǒng)服務(wù)可靠。

3.3 列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)可能性

本文基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)規(guī)律，探討列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的可能性。

3.3.1 基于結(jié)構(gòu)扁平化的發(fā)展可能性

結(jié)構(gòu)扁平化是減少信息交互過(guò)程跨越節(jié)點(diǎn)的方法。鐵路列控系統(tǒng)聯(lián)鎖一體化(TIS)項(xiàng)目的實(shí)質(zhì)就是結(jié)構(gòu)扁平化。在城軌列控系統(tǒng)中，車載設(shè)備之間直接交互信息，也是結(jié)構(gòu)扁平化的體現(xiàn)。借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將控制中心→軌旁(地面)設(shè)備→車載設(shè)備的3層通信結(jié)構(gòu)進(jìn)一步扁平化，是可以探索研究的。進(jìn)一步融合調(diào)度系統(tǒng)功能到列控系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)在3層結(jié)構(gòu)到2層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和列控系統(tǒng)發(fā)展可以互相借鑒，列控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需要也是網(wǎng)絡(luò)的用戶需求。列控系統(tǒng)自身對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)也有新的要求，比如在結(jié)構(gòu)扁平化的演進(jìn)中，通信網(wǎng)絡(luò)是否可以在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)列控系統(tǒng)設(shè)備端到端的直連，這些也需要在移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程中予以考慮。

3.3.2 基于功能前置化的發(fā)展可能性

功能前置化的目的是通過(guò)調(diào)整功能來(lái)改善信息節(jié)點(diǎn)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(tǒng)中，列車進(jìn)路辦理的既有做法是：軌旁子系統(tǒng)申請(qǐng)進(jìn)路操作成功后，將相關(guān)信息發(fā)送給列車；列車再按照指令進(jìn)路。在科技部的研究課題“基于動(dòng)態(tài)間隔的運(yùn)能可配置列車運(yùn)行控制系統(tǒng)”中一項(xiàng)“聯(lián)鎖上車”(原聯(lián)鎖子系統(tǒng)部分功能移至車載子系統(tǒng))就是功能前置，結(jié)合表1，可將部分功能向車載子系統(tǒng)進(jìn)一步前置。

3.3.3 基于平臺(tái)虛擬化的發(fā)展可能性

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備規(guī)模龐大，促進(jìn)了從專用設(shè)備轉(zhuǎn)換為通用設(shè)備的需求，催生了虛擬化功能，將原來(lái)跨平臺(tái)的硬件交互，轉(zhuǎn)變?yōu)橥脚_(tái)內(nèi)的軟件交互，消除了外部通信周期(秒級(jí))，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算周期內(nèi)交互(毫秒級(jí))。

受設(shè)備規(guī)模限制，列控系統(tǒng)自身的平臺(tái)虛擬化存在一定壓力，但可以從技術(shù)的角度進(jìn)行探索。從云化應(yīng)用非安全系統(tǒng)，到基于容器或虛擬主機(jī)進(jìn)行的安全結(jié)構(gòu)探索(虛擬MooN)，都是平臺(tái)虛擬化的嘗試。在平臺(tái)虛擬化的基礎(chǔ)上，列控系統(tǒng)擴(kuò)容及新功能部署會(huì)更有利于全自動(dòng)無(wú)人駕駛列控系統(tǒng)的發(fā)展。

3.4 列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)規(guī)律來(lái)分析列控發(fā)展趨勢(shì)過(guò)程，可以為從技術(shù)角度抽象梳理列控系統(tǒng)功能及進(jìn)行功能重配置提供清晰的思路。不僅能為正在進(jìn)行的研發(fā)實(shí)踐及科學(xué)研究提供例證，也能為正在進(jìn)行的功能研究提供上述演進(jìn)規(guī)律的實(shí)踐運(yùn)用。可見(jiàn)，列控系統(tǒng)向結(jié)構(gòu)扁平化、功能前置化及平臺(tái)虛擬化趨勢(shì)的發(fā)展是可能的。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，在列控系統(tǒng)的發(fā)展中，研發(fā)實(shí)踐及科研探索的方向均可適用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)規(guī)律來(lái)解釋。這證明了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)規(guī)律對(duì)列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)判斷的可借鑒性。列控系統(tǒng)的技術(shù)演進(jìn)方向也指向結(jié)構(gòu)扁平化、功能前置化及平臺(tái)虛擬化。其最終目的是使列控系統(tǒng)更好地發(fā)展，使其能更加安全靈活高效地支撐運(yùn)輸服務(wù)。