鐵路新一代移動(dòng)通信專網(wǎng)互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)研究

丁建文，鄭鵬，李海鷹，孫斌，費(fèi)丹

（1.北京交通大學(xué)國家軌道交通安全評(píng)估研究中心，北京100044；2.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100044；3.北京交通大學(xué)北京市高速鐵路寬帶移動(dòng)通信工程技術(shù)研究中心，北京100044；4.上海申鐵投資有限公司，上海200003；5.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

1 概述

高速鐵路的便捷性、高效性和高安全性使其成為大眾化的交通工具，同時(shí)高速鐵路也是國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一［1］。近年來，由于信息通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)，智能化技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）的瓶頸開始逐漸凸顯。當(dāng)前GSM-R系統(tǒng)瓶頸主要體現(xiàn)在以下方面:

（1）承載業(yè)務(wù)量有限:GSM-R系統(tǒng)只有4 MHz頻段，帶寬為200 kHz，屬于窄帶通信，因此其容量受限。

（2）GSM產(chǎn)業(yè)鏈逐漸萎縮:2020年5月中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)文推動(dòng)存量2G/3G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)向NB-IoT/4G（Cat1）/5G網(wǎng)絡(luò)遷移。

（3）傳輸效率低:無法提供圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)，無法滿足大帶寬的通信業(yè)務(wù)要求［2］。

隨著我國鐵路信息技術(shù)的發(fā)展，車地間的通信業(yè)務(wù)需求不斷擴(kuò)展，多媒體調(diào)度通信、新一代列控系統(tǒng)、列車車況實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能運(yùn)維、鐵路物聯(lián)網(wǎng)等各種新業(yè)務(wù)需求不斷涌現(xiàn)，以上新型業(yè)務(wù)的推出都離不開鐵路新一代寬帶移動(dòng)通信的泛在支持［3-5］。2020年8月，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，提出要統(tǒng)籌推進(jìn)新一代移動(dòng)通信專網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建泛在先進(jìn)、安全高效的現(xiàn)代鐵路信息基礎(chǔ)設(shè)施體系。通過鐵路5G專網(wǎng)技術(shù)，可為行車調(diào)度指揮和列車控制等提供更大容量、更低時(shí)延的車地信息傳送能力，有利于提升鐵路安全保障水平［6］。通過鐵路5G專網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)時(shí)回傳橋梁、隧道、路塹、站房等重點(diǎn)區(qū)域傳感數(shù)據(jù)，及時(shí)有效掌控重要結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和變化趨勢，提高鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測水平。鐵路5G專網(wǎng)技術(shù)有助于構(gòu)建鐵路移動(dòng)裝備信息綜合傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)趨勢實(shí)時(shí)分析和故障提前預(yù)警，提高鐵路移動(dòng)裝備安全監(jiān)測水平。

針對(duì)上述需求，構(gòu)建鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)全路不同鐵路局集團(tuán)公司間鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)鐵路5G專網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)與核心網(wǎng)的互聯(lián)互通、不同種類終端與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，形成互聯(lián)互通接口技術(shù)要求和測試規(guī)范等系列標(biāo)準(zhǔn)，確保基于鐵路5G專網(wǎng)的各項(xiàng)應(yīng)用業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，形成全程全網(wǎng)解決方案，保護(hù)工程投資，降低運(yùn)行成本，提升運(yùn)營效率，最大限度發(fā)揮總體效益［7-8］。

2 鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和互聯(lián)互通需求分析

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)包括核心網(wǎng)（5GC）、無線接入網(wǎng)（RAN）、用戶設(shè)備（UE）和運(yùn)營與支撐系統(tǒng)（OSS）四部分（見圖1）。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)采用應(yīng)用與承載分離的架構(gòu)，核心網(wǎng)承載部分由接入與移動(dòng)性管理功能（AMF）、會(huì)話管理功能（SMF）、用戶面功能（UPF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（UDM）、鑒權(quán)服務(wù)功能（AUSF）、策略控制功能（PCF）等邏輯網(wǎng)元構(gòu)成。核心網(wǎng)應(yīng)用部分由遠(yuǎn)端撥入用戶驗(yàn)證服務(wù)（RADIUS）、域名服務(wù)器（DNS）、關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)（MC system）組成。

MC system由SIP數(shù)據(jù)庫（SIP database）、關(guān)鍵業(yè)務(wù)用戶數(shù)據(jù)庫（MC service user database）、公共業(yè)務(wù)核心（CSC）、HTTP代理（HTTP Proxy）、關(guān)鍵語音業(yè)務(wù)服務(wù)器（MCPTT server）、關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)服務(wù)器（MCVideo server）、關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)器（MCData server）、SIP核心（SIP core）等構(gòu)成［9］。

SIP core由服務(wù)呼叫會(huì)話控制功能/查詢呼叫會(huì)話控制功能（S-CSCF/I-CSCF）、代理呼叫會(huì)話控制功能（P-CSCF）、IP多媒體業(yè)務(wù)交換功能（IM-SSF）、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能（MGCF）、IP多媒體網(wǎng)關(guān)（IM-MGW）、互聯(lián)邊界控制功能（IBCF）、轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)（TrGW）等構(gòu)成［9］。

2.2 核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分采用控制轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)，同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行會(huì)話管理和移動(dòng)性管理，在用戶面上解耦了承載性，基于不同用戶面的網(wǎng)元可同時(shí)建立不同會(huì)話，并通過多個(gè)控制面網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)管理。參考點(diǎn)模式與服務(wù)化架構(gòu)（SBA）模式是核心網(wǎng)承載部分的2種主要方式［10］（見圖2）。

圖2 核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

與參考點(diǎn)模式架構(gòu)相比，基于SBA模式的專網(wǎng)核心網(wǎng)較為常見。SBA更多地參考了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)架構(gòu)模式，通過API技術(shù)在控制面進(jìn)行信令傳輸。在SBA架構(gòu)下，核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元之間的接口為基于服務(wù)的接口（SBI），改變了傳統(tǒng)通信行業(yè)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)元架構(gòu)。同時(shí)SBI采用HTTP-2/TCP協(xié)議［11］，有效統(tǒng)一了不同網(wǎng)元的協(xié)議棧，為不同網(wǎng)元間互聯(lián)互通的實(shí)現(xiàn)和測試提供了更大可能。

2.3 核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元間的互聯(lián)互通

根據(jù)鐵路組網(wǎng)的實(shí)際需求、業(yè)務(wù)演進(jìn)及產(chǎn)業(yè)鏈情況，未來全路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分可能采用不同供應(yīng)商供貨，形成多供應(yīng)商設(shè)備組成全路核心網(wǎng)承載部分、實(shí)現(xiàn)全程全網(wǎng)全互通，因此，需要實(shí)現(xiàn)不同廠商核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元間的互聯(lián)互通。核心網(wǎng)承載部分架構(gòu)設(shè)計(jì)原則主要包括控制和承載分離、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、公共接入功能設(shè)計(jì)、通用用戶面架構(gòu)等。因此，對(duì)于服務(wù)化架構(gòu)來說，各控制網(wǎng)元間彼此通過SBI接口互聯(lián)?？刂菩帕羁晒蚕砜偩€，從1個(gè)網(wǎng)元的SBI接口出發(fā)，到達(dá)目標(biāo)網(wǎng)元相應(yīng)的SBI接口。基于SBI接口，核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元間可實(shí)現(xiàn)高效的互聯(lián)互通。

鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分中的控制面功能網(wǎng)元是基于服務(wù)化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，各個(gè)NF通過SBI實(shí)現(xiàn)彼此通信。SBI協(xié)議棧見圖3［12］，核心網(wǎng)承載部分的傳輸層統(tǒng)一采用HTTP-2協(xié)議，所有服務(wù)化接口都可在同一總線上傳輸，在該總線上每個(gè)NF又可通過各自的服務(wù)化接口對(duì)外提供服務(wù)，并允許其他獲得授權(quán)的NF訪問或調(diào)用自身服務(wù)。根據(jù)未來全路核心網(wǎng)承載部分組網(wǎng)架構(gòu)及業(yè)務(wù)模式，互聯(lián)互通SBI接口可包括:Namf、Nsmf、Nudm、Nausf、Nnrf、Nnssf、Nnef、Nsmsf、Npcf、N5g-eir，對(duì)應(yīng)的互聯(lián)互通參考點(diǎn)可包括:N5、N7、N8、N10、N11、N12、N14、N15、N17、N20、N21、N22。

圖3 SBI協(xié)議棧

鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分中的用戶面主要通過UPF實(shí)現(xiàn)，N4接口負(fù)責(zé)UPF與SMF之間的信令交互、控制面功能（CP）和用戶面功能（UP）之間的接口，其協(xié)議棧見圖4［13］。該接口功能包括會(huì)話管理、終端IP地址分配、數(shù)據(jù)檢測與轉(zhuǎn)發(fā)、路由協(xié)議支持、隧道管理、QoS控制等，控制面功能通過建立、修改或刪除分組前傳控制協(xié)議（PFCP）會(huì)話報(bào)文來控制用戶面功能中數(shù)據(jù)包處理。UPF是鐵路5G專網(wǎng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)的核心網(wǎng)元，當(dāng)前，針對(duì)N4接口的互聯(lián)互通要求還在進(jìn)一步研究和探索，N4接口的開放和互通會(huì)更加有助于形式多樣的應(yīng)用定制網(wǎng)絡(luò)的能力，有助于促進(jìn)鐵路5G專網(wǎng)能力開放，將鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)與邊緣計(jì)算進(jìn)一步融合，為不同類型業(yè)務(wù)選擇不同級(jí)別的UPF。

圖4 N4接口協(xié)議棧

2.4 核心網(wǎng)承載部分與RAN的互聯(lián)互通

在一個(gè)鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍內(nèi)，可能會(huì)建設(shè)不同廠商的無線接入網(wǎng)，接入同一個(gè)鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分，因此在這種情況下需要實(shí)現(xiàn)RAN與核心網(wǎng)的互聯(lián)互通。RAN由1組通過NG接口連接到鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分的gNB構(gòu)成（見圖5）。gNB之間通過Xn接口互連，gNB可由基帶單元（BBU）+射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）構(gòu)成，或由中心單元（CU）+分布單元（DU）+RRU構(gòu)成［14］。

圖5 核心網(wǎng)承載部分與RAN互聯(lián)互通架構(gòu)

當(dāng)終端發(fā)起注冊流程（初始注冊、周期注冊或移動(dòng)更新注冊）時(shí)，接入網(wǎng)首先會(huì)根據(jù)UE攜帶的參數(shù)選擇合適的AMF，然后通過N2消息將NAS層的注冊請求消息發(fā)送給AMF。在RAN與核心網(wǎng)承載部分的通信過程中，主要負(fù)責(zé)發(fā)送來自UE的注冊信息、傳遞注冊請求和接收來自AMF的建立響應(yīng)，上述相關(guān)業(yè)務(wù)主要通過N2接口完成［15］。

N2接口是RAN與鐵路5G專網(wǎng)AMF之間的接口，主要負(fù)責(zé)RAN與AMF間的信令交互，其協(xié)議棧見圖6。N2接口采用基于流控制傳輸協(xié)議（SCTP）的NG應(yīng)用協(xié)議（NGAP），主要負(fù)責(zé)PDU會(huì)話資源的分配、建立UE上下文及切換等。

圖6 N2接口協(xié)議棧

N3接口是RAN與鐵路5G專網(wǎng)UPF間的接口，主要用于傳遞RAN與UPF間的上下行用戶面數(shù)據(jù)，其協(xié)議棧見圖7［16］。N3接口采用用戶面GPRS隧道協(xié)議（GTP-U），主要負(fù)責(zé)RAN和UPF之間的路徑檢測、支持?jǐn)U展頭列表通知、錯(cuò)誤指示等。

圖7 N3接口協(xié)議棧

2.5 核心網(wǎng)承載部分與UE的互聯(lián)互通

未來鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)中會(huì)存在機(jī)車綜合無線通信設(shè)備、手持臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)終端等不同供應(yīng)商的UE，需要實(shí)現(xiàn)UE與RAN及鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分的互聯(lián)互通。由圖2（b）可知，UE可通過N1接口同AMF相連［13］，N1接口協(xié)議棧見圖8。

圖8 N1接口協(xié)議棧

N1是位于UE與AMF之間的邏輯接口，N1接口的非接入層信令消息（NAS）主要應(yīng)用于UE和SMF之間的會(huì)話管理功能以及UE和AMF之間的移動(dòng)性管理功能。位于AMF的NAS移動(dòng)性管理主要負(fù)責(zé):（1）NAS層加密和完整性保護(hù)；（2）維護(hù)處理RM/CM狀態(tài)和對(duì)應(yīng)流程處理；（3）傳輸會(huì)話管理等其他類型NAS信息。

2.6 MC system的互聯(lián)互通

鐵路5G專網(wǎng)除了提供通用的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，基于MC system還能夠提供關(guān)鍵語音業(yè)務(wù)、關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。未來全路組網(wǎng)中，鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)應(yīng)用部分包括MCPTT server、MC service user database、SIP core等網(wǎng)元構(gòu)成的MC system，不同鐵路局集團(tuán)公司可能采用不同廠商提供的MC system，不同廠商的MC終端需要與不同廠商的MC system實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。因此，MC system互聯(lián)互通接口可包括:MC終端與SIP core之間的SIP-1接口、MC終端與MC服務(wù)器之間的HTTP-1接口、CSC-1/2/4/8接口、MCPTT-1/MCVideo-1/MCDa?ta-1接口；不同鐵路局集團(tuán)公司MC服務(wù)器之間的SIP-3接口、HTTP-3接口、MCPTT-3/MCVideo-3/MCData-3接口（見圖9）。MC終端與MC服務(wù)器之間的接口用于實(shí)現(xiàn)基于鐵路5G專網(wǎng)全I(xiàn)P的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫、組呼、多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆等業(yè)務(wù)。MCPTT server、MCVideo server和MCData Server作為MC system的核心，負(fù)責(zé)關(guān)鍵通信業(yè)務(wù)的發(fā)起和話權(quán)控制。MC服務(wù)器之間的接口屬于跨MC服務(wù)器會(huì)話建立的控制面接口［17］，實(shí)現(xiàn)單呼和組呼業(yè)務(wù)。

圖9 MC業(yè)務(wù)接口協(xié)議棧

3 鐵路5G專網(wǎng)互聯(lián)互通測試方案與場景

3.1 核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元間的互聯(lián)互通測試方案

核心網(wǎng)承載部分既是整個(gè)鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)的控制中心，也是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。在新需求、新技術(shù)和新架構(gòu)的背景下，鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了虛擬化和切片化，在進(jìn)行核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元互聯(lián)互通測試時(shí)，一般需要準(zhǔn)備2套以上不同廠商的核心網(wǎng)承載部分設(shè)備和無線網(wǎng)設(shè)備，2套核心網(wǎng)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。具體測試方案如下:

（1）核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元與NRF的互聯(lián)互通。NRF實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)承載部分網(wǎng)元功能服務(wù)的自動(dòng)化管理。NRF用來進(jìn)行NF登記、管理等功能，當(dāng)核心網(wǎng)承載部分中的各個(gè)網(wǎng)元啟動(dòng)時(shí)，需向NRF注冊本服務(wù)的IP地址、域名、支持的能力等相關(guān)信息。同時(shí)，當(dāng)網(wǎng)元關(guān)閉時(shí)，需向NRF進(jìn)行去注冊。在核心網(wǎng)承載部分中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能都會(huì)通過NRF尋找合適的對(duì)端服務(wù)，NRF會(huì)根據(jù)當(dāng)前信息向請求者返回對(duì)應(yīng)響應(yīng)列表。NRF還可與各網(wǎng)絡(luò)功能之間進(jìn)行雙向定期狀態(tài)檢測，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能異常時(shí)，NRF會(huì)將異常狀態(tài)通知到與其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能。因此，針對(duì)服務(wù)化架構(gòu)的測試項(xiàng)目主要包括:服務(wù)注冊、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)更新、服務(wù)授權(quán)、服務(wù)狀態(tài)訂閱通知等。

（2）AMF與AUSF、UDM間，SMF與UDM間的互聯(lián)互通。該部分互聯(lián)互通主要解決用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)處理、用戶數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)及實(shí)現(xiàn)用戶移動(dòng)性和接入管理、會(huì)話管理等功能。當(dāng)UE發(fā)起注冊、類型為初始接入時(shí)，AMF基于IMSI信息選擇一個(gè)AUSF，為用戶接入實(shí)行認(rèn)證；當(dāng)認(rèn)證成功后，AMF向UDM發(fā)起位置更新請求，同時(shí)從UDM獲取用戶簽約策略［18］。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:簽約數(shù)據(jù)改變通知AMF、會(huì)話數(shù)據(jù)改變通知SMF、清除用戶數(shù)據(jù)、用戶鑒權(quán)認(rèn)證等。

（3）SMF與UPF間的互聯(lián)互通。SMF與UPF通過N4接口相連，N4會(huì)話管理流程用于控制UPF，SMF可在UPF中創(chuàng)建、更新和刪除N4會(huì)話上下文。SMF和UPF的通信主要存在于會(huì)話建立過程:SMF首先收到建立新的PDU會(huì)話請求，然后向UPF發(fā)送會(huì)話建立請求消息，UPF返回會(huì)話建立響應(yīng)信息。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:N4關(guān)聯(lián)建立、N4關(guān)聯(lián)更新、N4關(guān)聯(lián)釋放、N4心跳檢測、N4會(huì)話建立、N4會(huì)話更新、N4會(huì)話刪除、N4用量上報(bào)等。

3.2 核心網(wǎng)承載部分與RAN間的互聯(lián)互通測試方案

在進(jìn)行核心網(wǎng)承載部分與RAN間的互聯(lián)互通測試時(shí)，一般需要準(zhǔn)備來自不同廠商的RAN設(shè)備和核心網(wǎng)承載部分設(shè)備，通過N2和N3接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。N2接口主要負(fù)責(zé)提供RAN與AMF之間的信令服務(wù)。信令服務(wù)分為2類:非UE相關(guān)服務(wù)（與RAN節(jié)點(diǎn)和AMF之間的整個(gè)NG接口實(shí)例相關(guān)）、UE相關(guān)服務(wù)（與UE相關(guān)信令連接相關(guān)）。N2接口主要存在如下功能:UE上下文管理、建立、修改、釋放，PDU會(huì)話管理，NAS傳輸，UE無線能力管理等。可從以下方面進(jìn)行AMF與RAN之間的互聯(lián)互通驗(yàn)證:

（1）PDU會(huì)話管理:通過在AMF和RAN之間進(jìn)行PDU會(huì)話資源建立，為UE建立相關(guān)DRB，將QoS關(guān)聯(lián)到DRB。隨后RAN向UE傳 遞PDU會(huì) 話NAS-PDU信元，AMF收到請求消息后透明傳輸給SMF。同時(shí)在PDU會(huì)話管理過程中，AMF與RAN之間也會(huì)傳遞PDU會(huì)話資源釋放、PDU會(huì)話信息修改、PDU會(huì)話資源通知等信令。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:PDU會(huì)話資源建立過程、PDU會(huì)話資源釋放過程、PDU會(huì)話資源修改過程、PDU會(huì)話資源通知過程、PDU會(huì)話資源修改指示等。

（2）NAS消息傳輸:RAN將分配到的RAN UE NGAP ID包含在Initial UE Message中傳遞給AMF，隨后AMF開始下行NAS傳輸，RAN也將收到的無線接口NAS消息傳輸給AMF。當(dāng)NAS未送達(dá)時(shí)，AMF會(huì)向RAN發(fā)送重新路由請求。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:注冊、注銷、NAS消息重路由、非接入層不傳遞指示、尋呼等。

（3）UE移動(dòng)性管理:UE移動(dòng)性管理主要是基于Xn接口和基于N2接口的RAN間切換?；贜2的切換流程分為準(zhǔn)備階段和執(zhí)行階段:在準(zhǔn)備階段，主要完成目標(biāo)側(cè)核心網(wǎng)和無線網(wǎng)的資源分配，包括目標(biāo)UPF選擇、目標(biāo)RAN分配無線資源、N3接口隧道建立、目標(biāo)AMF建立上下文；在執(zhí)行階段，源RAN通知UE切換，UE切換完成后，目標(biāo)RAN通知AMF，SMF通知UPF完成下行數(shù)據(jù)通道切換［19］。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:無重選UPF時(shí)基于Xn的切換、重選I-UPF時(shí)基于Xn的切換、無重選UPF時(shí)基于N2的切換、重選I-UPF時(shí)基于Xn的切換。

（4）上下文管理:上下文管理主要是RAN和AMF之間進(jìn)行初始上下文建立，從而建立PDU會(huì)話資源，或在會(huì)話結(jié)束后進(jìn)行上下文釋放。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:UE上下文建立過程、UE上下文釋放過程、UE上下文修改過程。

3.3 核心網(wǎng)承載部分與UE間的互聯(lián)互通測試方案

在鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)中，UE通過N1接口與AMF網(wǎng)元相連，AMF、UDM和AUSF可實(shí)現(xiàn)對(duì)UE的連接、注冊、移動(dòng)性管理。在進(jìn)行鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分與UE間的互聯(lián)互通測試時(shí)，需準(zhǔn)備1套鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分設(shè)備和無線網(wǎng)設(shè)備以及與其測試的UE。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:初始注冊、移動(dòng)性注冊更新、簽約禁止區(qū)域接入限制、正常注銷、關(guān)機(jī)注銷、UE發(fā)起業(yè)務(wù)請求、網(wǎng)絡(luò)發(fā)起業(yè)務(wù)請求、UE配置更新、UE請求PDU會(huì)話建立、UE請求PDU會(huì)話釋放、PDU會(huì)話修改、PDU會(huì)話釋放等。以UE的注冊流程為例，概述注冊過程的測試方案。

注冊管理用于UE和核心網(wǎng)承載部分間的注冊和注銷，在網(wǎng)絡(luò)上建立用戶上下文。注冊流程又可分為:初始注冊、移動(dòng)更新注冊和周期性注冊三大類［11］。當(dāng)UE與RAN成功建立RRC連接后，RAN會(huì)通過N2接口向AMF發(fā)送初始UE信息；隨后，AMF會(huì)獲取UE的上下文信息，同時(shí)選擇相應(yīng)的鑒權(quán)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)UE與核心網(wǎng)間的鑒權(quán)過程；成功選擇UDM后，AMF將UE注冊到UDM，從UDM獲得UE的接入和移動(dòng)訂閱數(shù)據(jù)、SMF選擇訂閱數(shù)據(jù)、UE在SMF的上下文信息等。UE注冊流程見圖10，可以得出UE與鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分之間互聯(lián)互通的流程。

3.4 MC system互聯(lián)互通測試方案

在鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)中，MC system的互聯(lián)互通可包括MC終端與MC服務(wù)器間的互聯(lián)互通、MC服務(wù)器相互間的互聯(lián)互通。在進(jìn)行鐵路5G專網(wǎng)MC system互聯(lián)互通測試時(shí)，需準(zhǔn)備1套鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分設(shè)備和無線網(wǎng)設(shè)備、2套MC服務(wù)器、3套MC終端。具體測試方案如下:

（1）MC終端與MC服務(wù)器間的互聯(lián)互通:MC終端與MC服務(wù)器之間接口主要完成SIP注冊、業(yè)務(wù)層認(rèn)證與安全、事件訂閱與通知、信令消息傳送、會(huì)話管理、媒體協(xié)商等，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵任務(wù)語音、視頻和數(shù)據(jù)等的互聯(lián)互通。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:MC用戶認(rèn)證和服務(wù)授權(quán)、組配置、組管理、組呼業(yè)務(wù)、單呼業(yè)務(wù)、話權(quán)控制、預(yù)建立會(huì)話等。

（2）MC服務(wù)器相互間的互聯(lián)互通:MC服務(wù)器與MC服務(wù)器之間接口主要完成事件訂閱與通知、會(huì)話管理、媒體協(xié)商、單呼和組呼、媒體傳送控制等，從而實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)MC服務(wù)器時(shí)的關(guān)鍵任務(wù)語音、視頻和數(shù)據(jù)等的互聯(lián)互通。該部分互聯(lián)互通測試項(xiàng)目主要包括:組呼業(yè)務(wù)、單呼業(yè)務(wù)、話權(quán)控制等。

4 基于開源平臺(tái)的互聯(lián)互通測試方法

傳統(tǒng)互聯(lián)互通測試主要采用不同廠商的核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、終端、應(yīng)用系統(tǒng)等組網(wǎng)，進(jìn)行相關(guān)接口的信令和業(yè)務(wù)測試。這種方法存在一定局限性，即只能測試正常業(yè)務(wù)流程的交互，對(duì)于異常流程、發(fā)送的信令消息不規(guī)范等異常處理機(jī)制無法進(jìn)行仿真測試。因此，提出一種基于開源平臺(tái)的互聯(lián)互通測試方法，與傳統(tǒng)核心網(wǎng)仿真平臺(tái)相比，該方法基于開源平臺(tái)，開發(fā)了鐵路5G專網(wǎng)基本網(wǎng)元功能，網(wǎng)元可獨(dú)立運(yùn)行，也可與商用網(wǎng)絡(luò)或第三方接入網(wǎng)仿真平臺(tái)進(jìn)行信令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸。開源平臺(tái)架構(gòu)見圖11，列出了平臺(tái)內(nèi)部網(wǎng)元及接口，利用該測試平臺(tái)，可靈活測試不同廠商鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分之間、核心網(wǎng)與無線網(wǎng)之間的互聯(lián)互通、協(xié)議一致性及協(xié)議容錯(cuò)性。

圖10 UE注冊流程

圖11 開源平臺(tái)架構(gòu)

4.1 接口協(xié)議棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

協(xié)議棧的多樣性給互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)及測試平臺(tái)維護(hù)和開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)，鐵路5G專網(wǎng)基于服務(wù)化架構(gòu)，核心網(wǎng)中主要網(wǎng)元都通過SBI實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，提高了核心網(wǎng)的靈活性，便于統(tǒng)一管理。

3GPP采用表征狀態(tài)轉(zhuǎn)移（REST）體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范例，該體系詳細(xì)描述了API的設(shè)計(jì)，因此可向第三方或其他組織展示系統(tǒng)內(nèi)部通信的類型［20］。在鐵路5G專網(wǎng)互聯(lián)互通平臺(tái)設(shè)計(jì)中，可基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)提供的YAML文件和開源軟件OpenAPI Generator實(shí)現(xiàn)SBI生成。

4.2 信令自定義設(shè)計(jì)

基于開源平臺(tái)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)與開發(fā)，可對(duì)主要接口信令、主要過程進(jìn)行自定義開發(fā)。終端附著網(wǎng)絡(luò)的代碼架構(gòu)見圖12，可為后續(xù)自定義信令的設(shè)計(jì)提供參考。

圖12 終端附著網(wǎng)絡(luò)的代碼架構(gòu)

3GPP協(xié)議給出了5G網(wǎng)絡(luò)的主要功能及相關(guān)信令流程，開發(fā)者可參照3GPP標(biāo)準(zhǔn)中制定的流程，在分析協(xié)議棧架構(gòu)、網(wǎng)元交互、進(jìn)程模擬的前提下，進(jìn)行信令開發(fā)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

鐵路5G專網(wǎng)是鐵路信息化、現(xiàn)代化、智能化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。系統(tǒng)的互聯(lián)互通是鐵路5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)和建設(shè)的前提和基礎(chǔ)，只有實(shí)現(xiàn)良好的互聯(lián)互通，才能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一資源的原則進(jìn)行組網(wǎng)，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，共享基礎(chǔ)設(shè)施和資源，最大限度發(fā)揮總體效益，才能保證基于鐵路5G專網(wǎng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)的可用性和可靠性。首先提出鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和組成，分析鐵路5G專網(wǎng)核心網(wǎng)承載部分各網(wǎng)元間互聯(lián)互通、核心網(wǎng)承載部分與RAN的互聯(lián)互通以及鐵路5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與終端、MC system的互聯(lián)互通需求，提出互聯(lián)互通測試方案與場景。最后提出一種基于開源平臺(tái)的互聯(lián)互通測試方法，該平臺(tái)采用SBA架構(gòu)，靈活應(yīng)用API技術(shù)，可基于規(guī)范自行設(shè)計(jì)所需的業(yè)務(wù)或信令，能夠進(jìn)行異常信令流程交互測試、設(shè)備對(duì)異常信令的容錯(cuò)能力測試，全面衡量網(wǎng)元的功能與穩(wěn)定性。該測試方法可作為今后開展鐵路5G專網(wǎng)互聯(lián)互通和協(xié)議一致性測試的重要手段。