D2D ProSe技術(shù)與鐵路應(yīng)用場景分析

周宏偉，李輝，梁軼群

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京100081）

0 引言

隨著我國鐵路業(yè)務(wù)與信息化、數(shù)字化、智能化的不斷深入融合，鐵路對(duì)專用移動(dòng)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量、帶寬、速率以及時(shí)延等指標(biāo)的要求都有所提高。此外，鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)備供應(yīng)商也將在10～15年內(nèi)終止對(duì)GSM-R提供維護(hù)與服務(wù)。因此，無論從鐵路業(yè)務(wù)需求還是從產(chǎn)業(yè)支撐方面考慮，GSM-R都將不再適合作為長期發(fā)展和使用的鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)。我國和歐洲近幾年都開展了關(guān)于新一代鐵路移動(dòng)通信技術(shù)的研究工作。我國鐵路于2018年底發(fā)布了《鐵路下一代移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和需求暫行規(guī)范》［1］。國際鐵路聯(lián)盟（UIC）也在2020年2月更新了《未來鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)（FRMCS）用戶需求規(guī)范（V5.0.0）》［2］。中外需求規(guī)范均提及在基礎(chǔ)設(shè)施缺失、故障等情況下仍可進(jìn)行通信的需求［1-2］，這也是GSM-R系統(tǒng)一直未能解決的技術(shù)瓶頸。同時(shí)，GSM-R本身能力有限，現(xiàn)階段未能承載全部鐵路通信業(yè)務(wù)，非行車安全相關(guān)的通信業(yè)務(wù)不得不借助數(shù)字對(duì)講或Wi-Fi等網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充手段。因此，在鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，盡可能將鐵路通信業(yè)務(wù)部署在同一張通信網(wǎng)上，以提高作業(yè)效率，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施共享，降低建設(shè)和運(yùn)維成本也十分必要。第三代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）制定LTE標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，已針對(duì)鄰近服務(wù)（ProSe）的可行性進(jìn)行了深入研究，在5G標(biāo)準(zhǔn)制定中，ProSe再次成為備受關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)之一。ProSe是設(shè)備到設(shè)備（D2D）、車到車（V2V）以及車到萬物（V2X）實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，可支持鄰近脫網(wǎng)通信和直接通信，技術(shù)特點(diǎn)符合鐵路對(duì)新一代移動(dòng)通信的要求，為故障弱化、廣覆蓋、大連接以及其他衍生應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 D2D ProSe技術(shù)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

D2D ProSe的設(shè)計(jì)理念為:無論用戶終端是否在有效的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，用戶終端間均可實(shí)現(xiàn)鄰近發(fā)現(xiàn)、直接通信和中繼功能。

（1）鄰近發(fā)現(xiàn)是指用戶終端在可通信范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)能與之匹配的終端的過程。3GPP早在LTE相關(guān)規(guī)范中就定義了D2D ProSe鄰近發(fā)現(xiàn)模式分為模式A和模式B［3］。5G下的D2D ProSe發(fā)現(xiàn)模式沿用LTE的發(fā)現(xiàn)模式。在模式A中，終端被定義為廣播終端和監(jiān)聽終端2種角色。廣播終端按照預(yù)設(shè)置的廣播間隔周期性地廣播D2D ProSe相關(guān)發(fā)現(xiàn)消息，監(jiān)聽終端接收廣播并與之進(jìn)行業(yè)務(wù)匹配。模式B則是終端之間以“請(qǐng)求—響應(yīng)”的方式進(jìn)行發(fā)現(xiàn)匹配［4］。

（2）直接通信分為有網(wǎng)絡(luò)參與和無網(wǎng)絡(luò)參與2種方式。有網(wǎng)絡(luò)參與的直接通信，網(wǎng)絡(luò)只提供通信過程中的信令控制，終端間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；無網(wǎng)絡(luò)參與的直接通信，用戶的控制消息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在傳輸過程中均不需任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與。直接通信支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。

（3）中繼功能分為終端中繼到網(wǎng)絡(luò)和終端中繼到終端。在LTE階段，對(duì)中繼功能的研究僅局限在終端中繼到網(wǎng)絡(luò)，小區(qū)邊緣或盲區(qū)下的終端以鄰近終端作為中繼節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過單跳或多跳接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。而在5G階段，新增了終端中繼到終端的功能，在拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的同時(shí)，也為萬物互聯(lián)提供了技術(shù)方案。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3GPP給出5G系統(tǒng)的ProSe網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建議（見圖1）［4］。由于5G核心網(wǎng)采用基于服務(wù)、云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，核心網(wǎng)各邏輯功能單元可靈活地在原有功能基礎(chǔ)上加載D2D ProSe相關(guān)功能，用戶終端也相應(yīng)地增加了D2D ProSe功能。在5G核心網(wǎng)外圍，針對(duì)不同ProSe業(yè)務(wù)應(yīng)用，需設(shè)置相應(yīng)的ProSe應(yīng)用服務(wù)器。

圖1 5G系統(tǒng)的ProSe架構(gòu)（轉(zhuǎn)自3GPP）

1.3 接口協(xié)議

由圖1可見，PC5接口是具備ProSe功能的用戶終端之間的無線邏輯接口，該接口用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備發(fā)現(xiàn)、直接通信和中繼功能，為用戶終端提供控制平面信令和用戶平面數(shù)據(jù)的交互。PC5接口在控制平面增加了ProSe控制協(xié)議，用來建立、保持和釋放用于直接通信的第2層鏈接等，控制平面協(xié)議架構(gòu)見圖2。PC5接口的用戶平面協(xié)議與原空口用戶平面協(xié)議保持一致（見圖3）。PC3接口是用戶終端與直接發(fā)現(xiàn)名稱管理功能 單元（Direct Discovery Name Management Function，DDNMF）間的邏輯接口，向用戶終端發(fā)送鄰近發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求的授權(quán)消息，其接口協(xié)議見圖4。PC2是各ProSe應(yīng)用服務(wù)方與5G DDNMF之間的邏輯接口，用來交互ProSe各應(yīng)用服務(wù)的授權(quán)策略，其接口協(xié)議見圖5。

圖2 PC5接口控制平面協(xié)議架構(gòu)

圖3 PC5接口用戶平面協(xié)議架構(gòu)

圖4 PC3接口協(xié)議架構(gòu)

圖5 PC2接口協(xié)議架構(gòu)

1.4 技術(shù)優(yōu)勢

（1）具備完整的端到端服務(wù)質(zhì)量（QoS）機(jī)制。針對(duì)業(yè)務(wù)類型配置不同QoS級(jí)別，滿足各業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求［5］。

（2）相較其他近距離通信技術(shù)（藍(lán)牙、Wi-Fi Di?rect等），D2D通信更靈活，既可工作于授權(quán)頻譜，也可工作于非授權(quán)頻譜［5］。3GPP在基于LTE的D2D技術(shù)研究報(bào)告中已給出D2D可使用的頻段范圍，包括B2、B3、B4、B7、B14、B20、B26、B28、B31、B41［6］。頻譜適用范圍較廣，支持我國鐵路擬分配的授權(quán)頻段。

（3）通信資源分配模式既可使用專用頻譜資源，也可復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源，資源分配方式靈活。應(yīng)用中可根據(jù)業(yè)務(wù)需求或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況靈活配置，提高頻譜資源利用率，增加系統(tǒng)的吞吐量。

（4）由于直通模式下用戶終端間的數(shù)據(jù)交互可以不經(jīng)過蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，有效降低了通信時(shí)延，提高了傳輸速率，減輕了基站與核心網(wǎng)的負(fù)荷。

（5）中繼功能有效擴(kuò)展小區(qū)覆蓋范圍，起到弱場補(bǔ)強(qiáng)的作用。

2 鐵路潛在應(yīng)用分析

利用D2D ProSe不但能夠滿足網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范中提出的“故障弱化，單站點(diǎn)通信和直通模式”場景需求，其在有效網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的直通模式與中繼模式也可應(yīng)用于鐵路不同業(yè)務(wù)場景，具有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)延展性。在此，舉例分析D2D ProSe技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施故障和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施工作正常情況下多個(gè)鐵路作業(yè)場景的可用性。假設(shè)場景中所描述的終端都具備ProSe功能，并已簽約ProSe業(yè)務(wù)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)故障場景

在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，終端的所有信息都必須經(jīng)由基站或者其他中心控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)［7］，當(dāng)遭遇核心網(wǎng)故障或基站故障等形成網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)等極端情況時(shí)，D2D ProSe可作為輔助應(yīng)急通信在局部范圍內(nèi)使用，為應(yīng)急救援工作提供緊急通信保障。D2D ProSe技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)故障區(qū)域內(nèi)的用戶仍可進(jìn)行通信或通過中繼接入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

（1）當(dāng)核心網(wǎng)故障時(shí)，將導(dǎo)致所有使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)中斷，此時(shí)具備D2D ProSe功能的終端設(shè)備可通過鄰近發(fā)現(xiàn)模式A或模式B，周期性地在其射頻信號(hào)發(fā)射范圍內(nèi)探測是否存在能與之匹配的其他終端設(shè)備進(jìn)行直接通信。例如，采用D2D ProSe點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式發(fā)送列車位置信息、接近信息或其他緊急信息等。最先接收到信息的終端設(shè)備也可將該信息再次通過直接通信的方式轉(zhuǎn)發(fā)給其他鄰近終端設(shè)備，以此擴(kuò)大救援等應(yīng)急信息傳遞的地理范圍。設(shè)備發(fā)現(xiàn)和直接通信流程見圖6。

圖6 設(shè)備發(fā)現(xiàn)和直接通信流程

（2）當(dāng)單基站故障導(dǎo)致小范圍覆蓋盲區(qū)時(shí)，終端設(shè)備可借助自身的上行無線資源，搜索發(fā)現(xiàn)相鄰小區(qū)內(nèi)可正常接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的作業(yè)終端，以此終端為中繼節(jié)點(diǎn)，經(jīng)一跳或多跳接入網(wǎng)絡(luò)，從而繼續(xù)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源收發(fā)信息。例如，極端情況下行車區(qū)間內(nèi)的某小區(qū)基站發(fā)生故障導(dǎo)致覆蓋盲區(qū)時(shí)，車載終端設(shè)備可根據(jù)實(shí)際鄰近情況，選擇后方或前方小區(qū)下的終端設(shè)備作為中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。當(dāng)作為中繼節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備不再滿足中繼條件時(shí)，盲區(qū)下的車載設(shè)備可再次選擇新的終端設(shè)備作為中繼節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議規(guī)定，D2D ProSe的中繼功能可為被中繼的終端設(shè)備提供其業(yè)務(wù)所需的QoS等級(jí)，并保障中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的安全性。中繼流程見圖7。當(dāng)盲區(qū)下的終端設(shè)備檢測到可用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)后，可自動(dòng)從中繼模式切回至蜂窩網(wǎng)絡(luò)。這種中繼通信方式也可應(yīng)用在因地形地勢等原因?qū)е碌娜鯃龈采w區(qū)域，從而間接補(bǔ)足場強(qiáng)。

圖7 中繼流程

2.2 編組場調(diào)車作業(yè)

結(jié)合編組場作業(yè)范圍和作業(yè)人員相對(duì)集中這一特點(diǎn)，編組場調(diào)車作業(yè)無線通信方式可考慮蜂窩通信和D2D ProSe相結(jié)合的方式。以平面調(diào)車為例，調(diào)車區(qū)長、調(diào)車長、調(diào)車司機(jī)、調(diào)車員之間以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式傳送調(diào)車指令以及調(diào)車作業(yè)單等作業(yè)信息［8］。在作業(yè)環(huán)境空曠區(qū)域，無線電波傳播環(huán)境較好，可優(yōu)先采用D2D ProSe直接方式完成編組作業(yè)。無線資源的分配可根據(jù)編組場的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量和業(yè)務(wù)對(duì)QoS的等級(jí)需求情況進(jìn)行規(guī)劃，為D2D ProSe分配專用頻譜資源或與蜂窩用戶共享頻譜資源。正在進(jìn)行直接通信的作業(yè)終端可同時(shí)與其他作業(yè)終端進(jìn)行蜂窩通信。當(dāng)通信距離超過直通距離時(shí)，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)為正在進(jìn)行信息交互的作業(yè)終端切換到蜂窩通信模式。

2.3 客站作業(yè)

鐵路客站是旅客列車的交通樞紐，是鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)之一，但目前鐵路客站的無線通信并沒有納入GSM-R系統(tǒng)。隨著越來越多的客運(yùn)專線和高鐵線路投入運(yùn)營，客站的作業(yè)組織與服務(wù)壓力隨之加大，為了提升客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的指揮、協(xié)調(diào)和處理能力［9］，將客運(yùn)的無線通信納入新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)勢在必行。

鑒于客站通信除了承擔(dān)行車運(yùn)營業(yè)務(wù)外，還需為客運(yùn)作業(yè)人員提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)來傳送作業(yè)計(jì)劃、通告和圖像等，因此網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大。基于以上因素，可在客站使用D2D ProSe技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的卸載。針對(duì)數(shù)據(jù)量較大且實(shí)時(shí)性要求不高的作業(yè)任務(wù)，可配置客站作業(yè)近端服務(wù)節(jié)點(diǎn)，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)提前將作業(yè)數(shù)據(jù)下載至近端服務(wù)節(jié)點(diǎn)，再通過近端服務(wù)節(jié)點(diǎn)為有作業(yè)需求的終端提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的直通數(shù)據(jù)交互。直接通信流程見圖8。同樣，根據(jù)站臺(tái)、車廂內(nèi)乘務(wù)人員間的通信特點(diǎn)，也可為其選擇D2D ProSe直接通信以取代現(xiàn)有的模擬/數(shù)字對(duì)講通信方式。由于各作業(yè)終端不直接使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)，有效降低了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)載，使蜂窩網(wǎng)絡(luò)有充裕的資源為其他QoS等級(jí)較高的業(yè)務(wù)提供服務(wù)。

圖8 直接通信流程

3 D2D ProSe應(yīng)用面臨的問題

鑒于無線電管理部門為鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)授權(quán)的專用頻譜帶寬資源有限，因此，不可能毫無限制地將全部業(yè)務(wù)都納入到鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。如何充分利用D2D ProSe的技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)掘更多適用于D2D ProSe場景的應(yīng)用，還有待于進(jìn)一步探索。

（1）D2D ProSe的無線資源分配方式分為共享資源和獨(dú)占資源，在應(yīng)用中需規(guī)劃D2D ProSe的資源分配方式，使其在對(duì)蜂窩通信影響最小的情況下，最大限度提高頻譜資源利用率，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，從而滿足鐵路作業(yè)需求以及業(yè)務(wù)的QoS需求。

（2）D2D ProSe應(yīng)用的前提是終端設(shè)備支持D2D ProSe功能，因此，需設(shè)計(jì)開發(fā)支持D2D ProSe功能的多種作業(yè)終端。

（3）聚焦業(yè)務(wù)需求與D2D ProSe技術(shù)優(yōu)勢，探索既有業(yè)務(wù)以及未來新型業(yè)務(wù)對(duì)D2D ProSe的適用性。

（4）需在多種作業(yè)場景下開展D2D ProSe試驗(yàn)，驗(yàn)證D2D ProSe的鄰近發(fā)現(xiàn)時(shí)延、直接通信吞吐量和丟包率等指標(biāo)，為廣泛拓展D2D ProSe應(yīng)用提供有效指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

新一代鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是鐵路信息化、數(shù)字化、智能化的重要基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵技術(shù)裝備。在新一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用中，既要考慮既有業(yè)務(wù)如何向新一代移動(dòng)通信遷移與升級(jí)，也要考慮如何利用新型業(yè)務(wù)服務(wù)于鐵路生產(chǎn)運(yùn)營。D2D ProSe技術(shù)在很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性和業(yè)務(wù)容量，為更多非行車安全相關(guān)的鐵路業(yè)務(wù)能夠使用鐵路新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)搭建了橋梁，便于基礎(chǔ)設(shè)施共享，節(jié)約建設(shè)投資和維護(hù)成本，推進(jìn)鐵路新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的綠色發(fā)展。