5G 承載未來列控系統(tǒng)業(yè)務(wù)方案綜述

馮 凱 程劍鋒 岳 林 李 昂

發(fā)展5G 是我國重要的戰(zhàn)略部署，積極穩(wěn)妥推進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，培育更多行業(yè)應(yīng)用是深化5G 應(yīng)用發(fā)展的總趨勢。目前，針對5G 鐵路專網(wǎng)和5G鐵路應(yīng)用的研究方興未艾，基于5G 的列控系統(tǒng)研究也是其中的一個熱點課題。本文通過對5G 鐵路應(yīng)用研究的最新現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研和分析，結(jié)合我國列控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來列控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，從既有列控系統(tǒng)適配5G 進(jìn)行升級改造和研制充分利用5G 功能特性的新型列控系統(tǒng)2 個維度，提出未來列控系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用5G 技術(shù)的各項設(shè)計方案，分析5G 與列控相結(jié)合的有關(guān)問題，并提供相關(guān)參考建議。

1 5G 鐵路應(yīng)用研究現(xiàn)狀

當(dāng)今世界上無線移動通信技術(shù)中，技術(shù)先進(jìn)、發(fā)展趨勢最好的當(dāng)屬5G。鐵路一直緊跟著時代技術(shù)的發(fā)展，5G 將成為構(gòu)建未來鐵路的首選移動通信系統(tǒng)。2014 年，國際鐵路聯(lián)盟（UIC）設(shè)立了未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS）專項課題，開始研究鐵路下一代移動通信技術(shù)。2020 年2 月19 日，F(xiàn)RMCS 發(fā)布了用戶需求規(guī)范（URS V5.0.0），計劃在2021 年發(fā)布功能需求規(guī)范（FRS）和系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）［1］。世界各國針對5G 鐵路應(yīng)用的研究日新月異：日本在2019 年進(jìn)行了在時速240 km條件下90 GHz 頻段的鐵路移動通信系統(tǒng)試驗；2020 年10 月8 日，韓國鐵路研究院在位于五松的專用試驗軌道上測試了基于5G 的自主列車控制技術(shù)；德國計劃于2021 年10 月在漢堡長達(dá)23 km 的線路上展示基于5G 的列車全自動無人駕駛。

我國目前也已開展5G-R（5G 鐵路專網(wǎng)）組網(wǎng)方案、架構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用的相關(guān)研究。鑒于2 100 MHz頻段電波傳播特性良好，擬申請將2 100 MHz 作為我國鐵路5G 專網(wǎng)頻率。前期對該頻段電波的傳播特性和電磁兼容特性進(jìn)行了研究和測試［2］。近期研究成果取得重要突破，2020 年12 月16 日和18 日，位于北京交大和鐵科院的2 個鐵路5G 創(chuàng)新實驗室分別投入使用。北京交大5G 創(chuàng)新實驗室完成了鐵路5G-R 與GSM-R 網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通，打通了基于鐵路5G-R 的多媒體調(diào)度電話、鐵路GSM-R與5G-R 之間的移動電話，這屬世界首次；鐵科院5G 創(chuàng)新實驗室是我國鐵路第一個內(nèi)外場結(jié)合、動靜態(tài)兼顧、公專網(wǎng)融合的鐵路5G 實驗室，其中裝備了自行研制的“車地?zé)o線寬帶傳輸平臺”與新型CIR 設(shè)備，實現(xiàn)了5G 關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)（MCX）的多媒體調(diào)度通信功能，這在國內(nèi)尚屬首次。這2 個實驗室標(biāo)志著5G 技術(shù)在我國鐵路創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域邁出了堅實的第一步，對推動鐵路5G 的工程建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。

5G 技術(shù)為列控系統(tǒng)車地傳輸提供了高速率、低時延、高可靠性和高安全性的無線寬帶接入技術(shù)保證，建設(shè)5G-R 來承載列控信息等行車安全數(shù)據(jù)是未來鐵路通信應(yīng)用的發(fā)展方向。2020 年8 月，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布《新時代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》（簡稱《綱要》），在《綱要》中明確指出將自主研發(fā)新型智能列控系統(tǒng)。新型智能列控系統(tǒng)即是利用5G 通信技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)等構(gòu)成的空天地一體化列控系統(tǒng)?？梢钥闯?，我國未來的鐵路列控系統(tǒng)必然是以5G 為基礎(chǔ)的，目前有關(guān)科研院所也已啟動基于5G 的未來列控系統(tǒng)的研究。

2 基于5G 的未來列控系統(tǒng)

隨著GSM-R 產(chǎn)業(yè)鏈逐漸萎縮和5G-R 的穩(wěn)步發(fā)展，5G 技術(shù)將逐步應(yīng)用于我國鐵路未來列控系統(tǒng)中。我國未來列控系統(tǒng)可在2 個維度上應(yīng)用5G 技術(shù)：一是對既有列控系統(tǒng)適配5G 進(jìn)行升級改造；二是研制充分利用5G 功能特性的新型列控系統(tǒng)。

2.1 CTCS-3 級列控系統(tǒng)

我國CTCS-3 級列控系統(tǒng)由ATP 車載設(shè)備和地面設(shè)備構(gòu)成，地面設(shè)備主要由無線閉塞中心（RBC）、臨 時 限 速 服 務(wù) 器（TSRS） 等 組 成［3］。ATP 和RBC 間采用GSM-R 電路域無線通信實現(xiàn)車地信息傳輸：RBC 向ATP 發(fā)送行車許可信息，ATP 向RBC 發(fā)送列車位置報告。由于5G-R 系統(tǒng)的帶寬和時延指標(biāo)均優(yōu)于GSM-R 系統(tǒng)，所以對既有CTCS-3 級列控系統(tǒng)適配5G 進(jìn)行升級改造時，無需變動CTCS-3 級列控系統(tǒng)內(nèi)部既有業(yè)務(wù)邏輯，僅需更改它與5G-R 的接口即可實現(xiàn)升級，但需要考慮ATP 對GSM-R 和5G-R 2 種網(wǎng)絡(luò)的兼容性設(shè)計。一種5G-R 承載CTCS-3 級列控業(yè)務(wù)的設(shè)計方案如下。

1）使用既有CTCS-3 級車地安全通信連接機(jī)制和應(yīng)用消息流程。

2）為了實現(xiàn)在GSM-R 覆蓋線路和5G-R 覆蓋線路的跨線運(yùn)行，將ATP 的電臺MT 替換為雙模，車載設(shè)備的RTU 單元包含CSD 模式和5G-R 模式下的車地數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并支持2 套協(xié)議同時工作，RTU 與MT 接口形式保持不變。

3）RBC 設(shè)備增加5G-R 模式的N6 接口，通過該接口與5G-R 網(wǎng)絡(luò)的SMF 設(shè)備連接。

2.2 C3+ATO 列控系統(tǒng)

C3+ATO 系統(tǒng)在CTCS-3 級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車載設(shè)備增加了ATO 單元來實現(xiàn)自動駕駛控制，地面TSRS 設(shè)備中增加了ATO 相關(guān)功能［4］。ATO 和TSRS 間采用GSM-R 分組域（GPRS）無線通信實現(xiàn)車地信息傳輸：TSRS 向ATO 發(fā)送站間數(shù)據(jù)和運(yùn)行計劃，ATP向TSRS發(fā)送列車位置報告。同樣地，對既有C3+ATO 列控系統(tǒng)適配5G 進(jìn)行升級改造時，無需變動C3+ATO 列控系統(tǒng)內(nèi)部既有業(yè)務(wù)邏輯，僅需更改它與5G-R 的接口即可實現(xiàn)升級。除需要考慮ATP對GSM-R 和5G-R 2種網(wǎng)絡(luò)的兼容性設(shè)計外，由于5G-R 和GPRS 都屬于分組域，還需考慮ATO 對這2 種分組域的兼容性適配。一種5G-R承載C3+ATO 列控業(yè)務(wù)的設(shè)計方案如下。

1） 更 換ATO 的 電 臺MT 和 天 線，ATO 的MT 自 動識別GPRS 網(wǎng)絡(luò) 或5G-R 網(wǎng)絡(luò)。

2）ATO 車載設(shè)備和TSRS 地面設(shè)備對車地數(shù)據(jù)傳輸是通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)還是5G-R 網(wǎng)絡(luò)無感知。

3） TSRS 保持原Gi 接口（N6 接口），5G-R網(wǎng)絡(luò)適配該接口。

2.3 新建時速400 km 高鐵列控系統(tǒng)

成渝中線高速鐵路是世界上首條擬以時速400 km 建設(shè)運(yùn)營的高速鐵路，計劃建設(shè)總工期約為4 年。根據(jù)目前相關(guān)設(shè)計與建設(shè)要求，成渝中線高速鐵路列控系統(tǒng)將在CTCS-3 級列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加多源融合定位功能。

由于5G 最高可支持500 km/h 運(yùn)行速度，滿足時速400 km 高鐵運(yùn)營要求，可以預(yù)見：隨著我國鐵路5G 專網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，未來新建時速400 km高鐵列控系統(tǒng)也將逐步采用5G-R，取代GSM-R來承載車地間列控信息傳輸。時速400 km 高鐵列控系統(tǒng)相關(guān)5G 適配方案可參考CTCS-3 列控系統(tǒng)的升級改造方案。

2.4 西部高原列控系統(tǒng)

為了給高原鐵路的運(yùn)營提供技術(shù)支撐，我國正在有序開展西部高原鐵路列控系統(tǒng)的技術(shù)研究。西部高原列控系統(tǒng)由車載設(shè)備和地面設(shè)備構(gòu)成，車載設(shè)備主要由ATP 設(shè)備和EOT 列尾設(shè)備組成，地面設(shè)備由無線閉塞中心（RBC）、臨時限速服務(wù)器（TSRS）等組成。西部高原列控系統(tǒng)具備移動閉塞功能，車載設(shè)備具備多源融合定位和列車完整性檢 查 功 能。ATP 和RBC 間、ATP 和TSRS 間、ATP 和EOT 間均采用GPRS 無線通信實現(xiàn)信息傳輸：RBC 向ATP 發(fā)送行車許可信息，TSRS 向ATP 發(fā)送電子地圖、差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，EOT 向ATP發(fā)送風(fēng)壓、位置和速度等信息。

隨著我國鐵路5G 專網(wǎng)大規(guī)模的建設(shè)和發(fā)展，未來西部高原鐵路列控系統(tǒng)也將逐步采用5G-R，取代GPRS 來承載車地間和ATP-EOT 間的列控信息傳輸。西部高原列控系統(tǒng)相關(guān)5G 適配方案可參考C3+ATO 列控系統(tǒng)的升級改造方案。

2.5 西部高原兼容型列控系統(tǒng)

西部高原兼容型列控系統(tǒng)在西部高原列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車載設(shè)備增加CTCS-0 級模塊來實現(xiàn)在CTCS-0級線路上運(yùn)行的能力，同時在車載設(shè)備中增加擴(kuò)展通信單元，在地面增加數(shù)據(jù)、應(yīng)用等服務(wù)器來實現(xiàn)CTCS-0 級車載數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程換裝。無線換裝系統(tǒng)的車載和地面服務(wù)器之間通過公網(wǎng)3G/4G 進(jìn)行通信，地面服務(wù)器向車載設(shè)備發(fā)送CTCS-0 級線路數(shù)據(jù)［5］。

隨著我國5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展，未來西部高原鐵路兼容型列控系統(tǒng)也可采用5G 公網(wǎng)或5G 專網(wǎng)來取代3G/4G 公網(wǎng)，承載無線換裝系統(tǒng)車地間CTCS-0 級數(shù)據(jù)的傳輸。

2.6 車車通信列控系統(tǒng)

在我國，基于車車通信的列控系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域研究進(jìn)展較快，在鐵路領(lǐng)域的研究相對謹(jǐn)慎保守。我國西部復(fù)雜山區(qū)鐵路具有橋梁隧道多、長大坡道多、地質(zhì)板塊活動頻繁等特征，根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，目前西部復(fù)雜山區(qū)鐵路采用的信號系統(tǒng)初步定為車-地-車列控系統(tǒng)。隨著我國鐵路5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展，研究基于5G 和車車通信的列控系統(tǒng)，減少軌旁設(shè)備，實現(xiàn)移動閉塞、列車完整性自檢查等功能，具備既有列車測速定位方式的增強(qiáng)能力，滿足不利乃至極端運(yùn)行條件下的運(yùn)用需求，這不失為西部復(fù)雜山區(qū)鐵路的一種選擇方案。車車通信列控系統(tǒng)的車載設(shè)備采用一體化設(shè)計，極大地簡化了地面設(shè)備，后車可直接與前車通信，根據(jù)獲取的前車信息，生成追蹤速度曲線［6］。同時可具備自動駕駛功能和虛擬編組功能，實現(xiàn)基于車車通信的列車追蹤。一種基于5G-R的車車通信列控系統(tǒng)的設(shè)計方案如下。

1）車載設(shè)備之間、車地間、車載設(shè)備與列尾間采用5G-R 實現(xiàn)IP 化雙向無線通信。

2）本車車載設(shè)備通過域名解析和身份識別與前、后行列車的車載設(shè)備建立安全通信連接：從前行列車ATP 獲取前車的列車位置與運(yùn)行速度，向后車ATP 發(fā)送自身的列車位置與運(yùn)行速度；本車ATP 自行計算本車的行車許可，并計算ATP 控制曲線和ATO 控制曲線。

3）當(dāng)以列車虛擬編組方式運(yùn)行時，虛擬編組內(nèi)的前車車載設(shè)備向后車車載發(fā)送控制指令，后車車載設(shè)備根據(jù)該命令控制后車自動運(yùn)行［7］。

需要指出的是， 5G 標(biāo)準(zhǔn)中的臨近服務(wù)（ProSe）技術(shù)可支持鄰近脫網(wǎng)通信和直接通信［8］，由于直通模式下2 個終端間可以不經(jīng)過蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)就可直接通信，所以該模式可以大大減輕基站與核心網(wǎng)的負(fù)荷。通過在車載設(shè)備與列尾間，以及虛擬編組內(nèi)的前車和后車間采用ProSe 直接通信，可以有效降低通信時延，提高傳輸速率。

2.7 全自動運(yùn)行列控系統(tǒng)

全自動運(yùn)行系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域中已經(jīng)逐漸成為標(biāo)配，城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)是基于現(xiàn)代計算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)，由信號、車輛、通信、站臺門、綜合監(jiān)控等設(shè)備組成，實現(xiàn)列車運(yùn)行全過程自動化的系統(tǒng)［9］。隨著我國鐵路的發(fā)展，基于5G 的鐵路全自動運(yùn)行系統(tǒng)也是將來的發(fā)展方向。列控系統(tǒng)作為鐵路全自動運(yùn)行系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)，除了實現(xiàn)列車防護(hù)的核心功能外，還作為車地?zé)o線信息的中轉(zhuǎn)中樞，與其他系統(tǒng)深度集成，從而實現(xiàn)全自動運(yùn)行協(xié)同控制。一種5G-R承載全自動運(yùn)行列控業(yè)務(wù)的設(shè)計方案如下。

1）車載設(shè)備與地面設(shè)備（RBC/TSRS）間、車載設(shè)備與CTC間采用5G-R實現(xiàn)IP化雙向無線通信。

2）車載設(shè)備設(shè)置休眠喚醒單元，支持CTC 遠(yuǎn)程控制列車休眠喚醒。

3）系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制列車，包括列車設(shè)備控制、客室照明開關(guān)等。車載設(shè)備接收CTC 發(fā)送的遠(yuǎn)程控制車輛指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給車輛；從車輛接收列車運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送給CTC。

4）系統(tǒng)可將列車內(nèi)及列車運(yùn)行前、后方的視頻監(jiān)視信息上傳到CTC，CTC 可遠(yuǎn)程控制列車廣播和乘客信息。

由上述設(shè)計可以看出，全自動運(yùn)行系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率要求高，而5G 大帶寬特性正好可以為這些業(yè)務(wù)提供支撐。

3 相關(guān)問題

盡管5G 優(yōu)勢眾多，但應(yīng)用于未來列控系統(tǒng)時也存在一些限制和問題，主要如下。

1）5G無法應(yīng)用于更高速度的列控系統(tǒng)。2020年12 月22 日，國務(wù)院新聞辦發(fā)布的《中國交通的可持續(xù)發(fā)展》白皮書中指出，我國“十四五”鐵路發(fā)展將推動時速600 km 級高速磁懸浮系統(tǒng)技術(shù)等重大科技研發(fā)。由于5G 最高支持500 km/h 運(yùn)行速度，顯然不能應(yīng)用于高速磁浮列控系統(tǒng)的信息傳輸。德國的高速磁懸浮列控系統(tǒng)由中央控制系統(tǒng)、分區(qū)控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)構(gòu)成，在埃姆斯蘭磁浮線測試時列車最高速度達(dá)550 km/h，其分區(qū)控制系統(tǒng)和車載系統(tǒng)之間的信息傳輸是依靠38 GHz 無線電系統(tǒng)來實現(xiàn)的［10］。

2）列控系統(tǒng)的發(fā)展和鐵路移動通信系統(tǒng)的發(fā)展存在步調(diào)不一致的情況。一方面，我國鐵路列控系統(tǒng)的演進(jìn)是有一個過程的，在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)會使用既有成熟的列控系統(tǒng)（如CTCS-3 級列控系統(tǒng)），由于5G-R 的功能和性能遠(yuǎn)優(yōu)于GSM-R 系統(tǒng)，單純地在既有列控系統(tǒng)上更換5G 難免陷于“大材小用”的境地，無法充分利用5G 的先進(jìn)功能特性。另一方面，基于5G 而研發(fā)的新型列控系統(tǒng)，從研制到應(yīng)用同樣需要一個較長的過程，在這個過程中，無線移動通信技術(shù)也在迅猛發(fā)展，如2020年11月21日，中國移動研究院發(fā)布的6G 系列白皮書中就提出了下一代移動通信系統(tǒng)6G 的全新架構(gòu)，并分析了未來潛在技術(shù)。5G 尚未應(yīng)用，6G 已在發(fā)展，這對未來列控系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計提出了更高的要求。

4 總結(jié)與展望

不管是對既有列控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，還是研制新型列控系統(tǒng)，總體來說，我國未來的鐵路列控系統(tǒng)應(yīng)用5G 技術(shù)是一個發(fā)展趨勢。由于列控業(yè)務(wù)的安全性級別極高，可以預(yù)見，文中提及的數(shù)個未來列控系統(tǒng)也必將成為5G 在鐵路上的示范性應(yīng)用。同時還應(yīng)看到，在鐵路列控系統(tǒng)自身發(fā)展演進(jìn)過程中，不能簡單地將5G 視為一個孤立的通信系統(tǒng)，而是需要將5G 技術(shù)納入到系統(tǒng)設(shè)計的整體考量中來，充分挖掘和拓展其功能特性（如大連接、邊緣計算、基站定位等），同時還需考慮5G 與其他新技術(shù)的組合應(yīng)用（如5G+北斗、5G+AI、5G+大數(shù)據(jù)等）。只有這樣才能使5G 和列控深度融合、相得益彰，從而最終實現(xiàn)鐵路通信信號的一體化發(fā)展［11］。