鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術方案研究

楊 銳

鐵路專用移動通信系統(tǒng)是保障鐵路運輸安全的關鍵基礎設施,調度通信、列車控制是涉及鐵路行車安全的重要業(yè)務。目前,鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）承載的調度通信和列車控制業(yè)務均基于電路域技術實現(xiàn)。隨著5G技術不斷的成熟、公網(wǎng)大規(guī)模商用,鐵路專網(wǎng)也將采用5G技術。5G網(wǎng)絡承載與應用分離、全IP化組網(wǎng),不再支持電路域業(yè)務。3GPP國際標準組織定義了MC（關鍵任務）集群通信技術體系,滿足行業(yè)專網(wǎng)、公共安全等領域對傳統(tǒng)電信業(yè)務的需求。為此,本文對鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術應用方案進行研究。

1 鐵路業(yè)務

1.1 鐵路調度通信

鐵路調度通信業(yè)務包括:列車調度、貨運調度、機務調度、動車調度、客運調度、供電調度、電務調度、工務調度等。業(yè)務應用涉及移動終端、移動與固定終端（調度臺）之間的個呼及組呼［1］。以列車調度通信為例,“車機聯(lián)控”是調度通信的術語,指車務、機務等行車有關人員使用鐵路專用移動通信設備,按規(guī)定進行語音聯(lián)絡,提示行車安全信息,確認行車要求。鐵路調度通信從無線列車調度系統(tǒng)發(fā)展至GSM-R系統(tǒng),“車機聯(lián)控”應用模式一直延續(xù)。GSM-R網(wǎng)絡根據(jù)調度通信業(yè)務的呼叫場景、用戶使用習慣,通過智能網(wǎng)設備為調度通信業(yè)務提供了接入矩陣、位置尋址、功能尋址、基于位置呼叫限制等功能［2］。

1.2 鐵路列車控制

2009年武廣高鐵開通運營,基于GSM-R網(wǎng)絡的CTCS-3級列控系統(tǒng)在我國高速鐵路開始運用。GSM-R網(wǎng)絡采用電路交換數(shù)據(jù)（CSD）業(yè)務通道承載列車控制系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù),與調度通信一樣均是電路域業(yè)務。電路域是電路交換技術,不同用戶獨占各自分配的時隙,特點是數(shù)據(jù)量小、時延低。GSM-R網(wǎng)絡的電路域技術很好地滿足了鐵路調度通信和列車控制業(yè)務的需求。5G網(wǎng)絡基于分組域架構,分組域采用包交換方式,其特點是業(yè)務數(shù)據(jù)可以共享通道資源。面對網(wǎng)絡承載技術的重大變化,鐵路調度通信、列車控制業(yè)務需要在技術上進行演進,才能適應5G網(wǎng)絡。

2 VoLTE技術

IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）最初由3GPP第5版定義,能夠滿足多樣化的多媒體業(yè)務應用需求,在分組承載網(wǎng)絡的基礎上綜合實現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務,并支持與既有電路域網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。IMS是一種開放的網(wǎng)絡架構,使用會話初始協(xié)議（SIP）實現(xiàn)對多媒體業(yè)務的交換控制。移動通信技術發(fā)展到第4代（LTE）后網(wǎng)絡完全分組化,運營商移動通信網(wǎng)絡的語音業(yè)務回落到2G/3G的電路域實現(xiàn),隨后3GPP提出了基于LTE的語音業(yè)務（VoLTE）技術,在語音業(yè)務通話的基礎上增加了視頻通話業(yè)務,而且通話接通時間更短,VoLTE接通時間約為0.5～2 s,2G/3G約為5～8 s。VoLTE由4G和IMS網(wǎng)絡組成,其網(wǎng)絡架構見圖1。

圖1 VoLTE網(wǎng)絡架構圖

IMS網(wǎng)絡主要包括:代理會話控制（PCSCF）、服務/查詢呼叫會話控制（S-CSCF/ICSCF）、VoLTE應用服務（VoLTE-AS）、歸屬用戶服務（HSS）、會話邊界控制（SBC）等功能［3］。P-CSCF是VoLTE業(yè)務的接入節(jié)點,負責SIP（會話初始協(xié)議）信令的代理。S-CSCF/I-CSCF負責VoLTE業(yè)務的注冊服務和會話控制。VoLTE-AS提供業(yè)務邏輯,負責在語音通信的過程中控制媒體資源,并支持VoLTE語音、視頻業(yè)務及電信補充業(yè)務。HSS負責存儲VoLTE用戶相關位置及業(yè)務信息。SBC位于IMS網(wǎng)絡的邊界,負責將終端用戶接入到IMS網(wǎng)絡。

4G網(wǎng)絡主要包括:移動性管理實體（MME）、服務網(wǎng)關（SGW）、應用網(wǎng)絡網(wǎng)關（PGW）、策略與計費功能（PCRF）、無線接入網(wǎng)（RAN）、信令路由代理節(jié)點（DRA）等網(wǎng)元［3］。

目前公眾移動通信5G網(wǎng)絡僅支持數(shù)據(jù)業(yè)務,語音呼叫業(yè)務仍然要使用4G網(wǎng)絡的VoLTE技術,基于5G的語音業(yè)務稱為VoNR（Voice Over NR）,其技術標準正在研究。

3 MC技術

MC（關鍵業(yè)務）技術,早期稱為“關鍵業(yè)務一鍵通”（MCPTT）,是一種基于分組無線網(wǎng)絡的語音集群通信技術,面向特定行業(yè)的調度指揮應用,屬于專用無線通信技術。MC技術的特點是大量用戶共享少量無線信道,具備快速的語音建立和搶占能力。MCPTT基于IMS技術,簡化了IMS復雜的網(wǎng)絡結構,具有大帶寬、低時延、互聯(lián)互通、易于規(guī)模建網(wǎng)等優(yōu)點,支持鑒權、組管理、個呼、組呼、呼叫優(yōu)先級、發(fā)言權控制、位置上報等功能［4］。

2016年3GPP第15版將MCPTT技術納入4G標準體系,并增加了視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務。關鍵語音業(yè)務（MCPTT）、關鍵視頻業(yè)務（MCVideo）、關鍵數(shù)據(jù)業(yè)務（MCData）3種應用場景的統(tǒng)稱為MCx［5］。3GPP第16版增加了基于5G網(wǎng)絡MC技術架構的概述,具體的技術實現(xiàn)方案仍在研究中。

“在后期處理中，我使用雙曲線法（dodging and burning）讓他從畫面中凸顯出來，并且對畫面進行了適當?shù)恼{色，好讓整體顯得更加有型?！?/p>

4 系統(tǒng)架構

參考3GPP標準的表述,對鐵路5G專網(wǎng)MC集群通信進行研究,其系統(tǒng)架構見圖2。

圖2 鐵路5G專網(wǎng)MC集群通信系統(tǒng)架構

基于鐵路5G專網(wǎng)的MC集群通信系統(tǒng)架構主要包括:5G核心網(wǎng)（5GC）、無線網(wǎng)（RAN）、MC集群通信系統(tǒng)（簡稱MC系統(tǒng)）、MC移動終端。MC系統(tǒng)與鐵路多媒體調度系統(tǒng)互聯(lián),實現(xiàn)調度固定用戶與5G移動用戶之間的多媒體通信,鐵路多媒體調度系統(tǒng)兼容MC系統(tǒng)的接口和協(xié)議。MC系統(tǒng)主要包括:會話初始協(xié)議（SIP core）、MC業(yè)務（MC service）、公共管理（Common service core）、用戶數(shù)據(jù)庫（SIP database、MC user database）等功能模塊［5］。MC系統(tǒng)內(nèi)部及與5GC之間主要采用會話初始協(xié)議（SIP）及超文本傳輸協(xié)議（HTTP）實現(xiàn)信令交互。MC系統(tǒng)配置媒體網(wǎng)關（MGW）,實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間業(yè)務數(shù)據(jù)流的互通。

4.1 會話初始協(xié)議模塊

SIP core是MC系統(tǒng)控制面的核心,負責信令控制面的注冊、業(yè)務選擇和信令消息處理,負責管理與SIP core功能相關的應用業(yè)務數(shù)據(jù)、服務注冊標識、鑒權信息等。SIP core與公共管理、用戶數(shù)據(jù)庫、MC業(yè)務等功能模塊中的SIP應用（SIPAS）共同實現(xiàn)MC系統(tǒng)中SIP協(xié)議的控制及處理［5］。

根據(jù)外部系統(tǒng)所采用的協(xié)議,SIP core配置對應的協(xié)議處理功能。MC系統(tǒng)與5GC控制面的策略控制功能（PCF）之間采用基于SBI架構的HTTP/TCP協(xié)議［6］,與GSM-R系統(tǒng)的MSC設備之間采用No.7信令用戶部分（ISUP）、移動應用部分 （MAP） 協(xié)議［7］。

4.2 公共管理模塊

公共管理模塊是MCPTT、MCVideo、MC?Data業(yè)務的公共邏輯功能實體,包括MC業(yè)務配置、身份、密鑰、組、遷移、位置等管理功能。公共管理模塊的各管理功能采用C/S（客戶端/服務器）方式實現(xiàn)［5］。

1）配置管理,用于配置MC相關的業(yè)務信息。

2）組管理,用于管理用戶的群組,為終端提供媒體面策略、呼叫控制信息,實現(xiàn)媒體控制及組呼控制功能。

3）身份管理,用于管理MC業(yè)務用戶的身份,包括MC用戶標識（MC ID）、MC業(yè)務標識（MC service ID）、MC業(yè)務組標識（MC service group ID）。MC ID是MC業(yè)務用戶在身份驗證過程中的標識,MC service ID是MC業(yè)務中的全局唯一標識,MC service group ID表示一組MC業(yè)務用戶,MC ID和MC service ID可以相同。

4）密鑰管理,用于存儲和向密鑰管理客戶端、組管理服務器和MC業(yè)務服務器提供安全相關的密鑰信息,實現(xiàn)對媒體和信令加密以及完整性保護。

5）遷移管理,用于MC系統(tǒng)之間配置信息的交互；終端的配置信息通常在歸屬MC中,終端在拜訪地MC系統(tǒng)中實現(xiàn)相關業(yè)務時,需要通過遷移管理功能在MC系統(tǒng)之間傳遞用戶配置信息。

6）位置管理,用于接收和存儲用戶位置信息,并向MC業(yè)務服務器提供用戶位置信息；位置管理功能還可以獲取5G網(wǎng)絡的用戶位置信息。位置信息通常包括終端的衛(wèi)星定位經(jīng)緯度信息、終端在5G網(wǎng)絡中所處的基站/小區(qū)信息,對于鐵路而言,線路號、公里標也是位置信息。

4.3 MC業(yè)務模塊

MC業(yè)務模塊實現(xiàn)MC系統(tǒng)的業(yè)務應用,用于語音、視頻、數(shù)據(jù)媒體面的處理和話權控制,主要包含MC業(yè)務客戶端、MC業(yè)務服務器、多播業(yè)務等功能實體［5］。

1）MC業(yè)務客戶端是MC應用的用戶部分,通常在終端側,能夠報告終端當前的位置信息。

2）MC業(yè)務服務器是實現(xiàn)MC業(yè)務的功能實體。屬于同一個組的MC客戶端應使用同一個MC服務器。如果MC客戶端屬于多個不同的組,可以關聯(lián)相關的多個MC業(yè)務服務器。MC組管理應用（GCSAS）用于控制組通信的多播和單播功能。

3）多播業(yè)務功能（MBMS）負責配合無線通信系統(tǒng),實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)流的廣播功能。3GPP標準詳細定義了基于LTE的MBMS功能,5G網(wǎng)絡的多播功能仍在標準制定過程中［8］。

4.4 用戶數(shù)據(jù)庫

用戶數(shù)據(jù)庫主要包括SIP用戶數(shù)據(jù)庫（SIP database） 和MC用戶 （MC service user database）數(shù)據(jù)庫［5］。

1）SIP用戶數(shù)據(jù)庫,用于存儲用戶SIP協(xié)議相關的信息,并向SIP core提供SIP訂閱、標識、鑒權、應用服務選擇等信息,配合SIP core完成用戶的注冊、鑒權、呼叫控制、會話管理、移動性管理等功能。

2）MC用戶數(shù)據(jù)庫,用于存儲MC業(yè)務用戶的業(yè)務功能簽約配置文件,該配置文件關聯(lián)用戶的MC業(yè)務ID。

3）用戶數(shù)據(jù)庫的設置方式。3GPP定義了3種用戶數(shù)據(jù)庫設置方式:方式一,MC、SIP、UDM獨立設置用戶數(shù)據(jù)庫；方式二,MC與SIP合設用戶數(shù)據(jù)庫；方式三,UDM與SIP合設用戶數(shù)據(jù)庫［8］,見圖3。對于鐵路MC集群通信系統(tǒng),可按照5G承載網(wǎng)絡與MC系統(tǒng)分層管理,采用方式二。

圖3 用戶數(shù)據(jù)庫設置方式

5 技術方案

5.1 基于服務功能的網(wǎng)絡架構

5G的網(wǎng)絡架構較4G產(chǎn)生了很大變化,采用了基于服務化（SBI）的架構,以網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）為載體。傳統(tǒng)的網(wǎng)元演變?yōu)榫W(wǎng)絡功能,根據(jù)業(yè)務流程選擇所需網(wǎng)絡功能,完成控制面的信令交互［9］?？刂泼媪鞒掏瓿珊?由終端（UE）、無線接入網(wǎng)（RAN）、用戶面功能（UPF）、業(yè)務系統(tǒng)（DN）直接建立用戶面IP通道,減少了用戶面數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)元,降低了數(shù)據(jù)傳輸時延。5G網(wǎng)絡演變的更加靈活,但控制面的網(wǎng)絡架構更為復雜?；诜栈?G網(wǎng)絡架構［10］見圖4。MC系統(tǒng)的控制面為AF（應用功能）,MC系統(tǒng)的用戶面為DN（業(yè)務網(wǎng)絡）。

圖4 基于服務功能的5G網(wǎng)絡架構

5.2 調度通信業(yè)務實現(xiàn)方案

公眾移動通信網(wǎng)絡在3G、4G、5G的部署過程中,投入了相當?shù)拇鷥r來實現(xiàn)不同制式系統(tǒng)之間業(yè)務的互通。鐵路專網(wǎng)與公眾網(wǎng)絡不同,沒有龐大的用戶數(shù)量和產(chǎn)業(yè)鏈的支撐,所以鐵路部署5G專網(wǎng)后,考慮采用多模終端轉換網(wǎng)絡制式的方式,以降低網(wǎng)絡的復雜性和建設成本。對于鐵路調度通信業(yè)務,既有GSM-R網(wǎng)絡中的移動終端、有線調度系統(tǒng)（FAS）的固定終端,應能與5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)的移動終端、多媒體調度系統(tǒng)的固定終端實現(xiàn)語音業(yè)務互通,系統(tǒng)間的互聯(lián)組網(wǎng)見圖5。

圖5 鐵路5G專網(wǎng)與GSM-R業(yè)務互通組網(wǎng)示意

對于5G網(wǎng)絡,MC系統(tǒng)中語音、視頻、數(shù)據(jù)3種業(yè)務均是數(shù)據(jù),在控制面的信令流程基本相同,區(qū)別是用戶面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容。下面以鐵路5G專網(wǎng)與GSM-R網(wǎng)絡之間語音業(yè)務互通流程舉例說明。

5.2.1 5G專網(wǎng)移動用戶與GSM-R移動用戶語音業(yè)務互通方案

鐵路5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)與GSM-R移動交換中心（MSC）設備［7］互聯(lián),MC系統(tǒng)兼容GSM-R網(wǎng)絡的接口及協(xié)議；GSM-R和5G專網(wǎng)移動用戶采用不同號段的用戶號碼（MSISDN）,例如149為GSM-R用戶、148為5G用戶。5G用戶呼叫GSM-R用戶的簡化通信流程如圖6所示,5G終端需要提前完成5G網(wǎng)絡注冊［6］和MC系統(tǒng)的注冊［4］。

圖6 5G移動終端呼叫GSM-R移動終端流程

5.2.2 5G專網(wǎng)移動用戶與調度通信系統(tǒng)固定用戶語音業(yè)務互通方案

鐵路調度通信業(yè)務的呼叫對象主要是調度員/車站值班員（固定用戶）、機車司機（移動用戶）。機車司機呼叫調度員采用用戶號碼（ISDN）及短號碼的方式。為有線調度系統(tǒng)（FAS）和多媒體調度系統(tǒng)規(guī)劃不同的ISDN號段,可以區(qū)分FAS和多媒體調度系統(tǒng)的用戶。調度員呼叫機車司機采用車次功能號的方式［7］,而車次功能號無法按號段區(qū)分不同的網(wǎng)絡,下面對該呼叫場景進行分析。

1）多媒體調度臺發(fā)起呼叫。多媒體調度系統(tǒng)無法掌握被叫移動用戶所處的移動通信網(wǎng)絡時,不能區(qū)分被叫車次功能號是被GSM-R還是5G移動用戶注冊。目前采用雙發(fā)方式將車次功能號同時送到5G和GSM-R網(wǎng)絡中,移動通信網(wǎng)中的智能網(wǎng)設備（5G IN、GSM-R IN）判斷被叫功能號的注冊情況,正常情況下只有一個網(wǎng)絡返回呼叫接續(xù),如果同時返回呼叫接續(xù)則選擇5G網(wǎng)絡。5G網(wǎng)絡返回呼叫接續(xù)通信流程見圖7。5G網(wǎng)絡中定義了位置管理功能（LMF）,多媒體調度系統(tǒng)可以采用LMF流程獲取5G移動用戶的位置,有位置信息的被叫用戶是5G用戶、無位置信息的被叫用戶則是GSM-R移動用戶,未來可以研究采用該方式來判斷被叫用戶所屬移動通信網(wǎng)絡的具體流程。

圖7 多媒體調度系統(tǒng)功能號呼叫，5G網(wǎng)絡呼叫接續(xù)流程圖

2）FAS調度臺發(fā)起呼叫。5G網(wǎng)絡建設時同步建設多媒體調度系統(tǒng),既有GSM-R網(wǎng)絡覆蓋區(qū)段的調度員仍使用FAS調度臺,所以基本不存在FAS調度臺呼叫5G移動用戶的場景。特殊情況有呼叫需求的,需要對既有FAS系統(tǒng)進行功能升級,被叫車次功能號同時發(fā)送至多媒體調度系統(tǒng),多媒體調度系統(tǒng)轉發(fā)車次功能號至5G網(wǎng)絡完成呼叫接續(xù)。

6 結束語

本文對鐵路調度通信業(yè)務運用特點、公眾移動通信網(wǎng)絡VoLTE技術、3GPP標準定義的MC集群通信技術進行了簡要的說明；并對鐵路5G專網(wǎng)承載鐵路調度通信業(yè)務技術方案進行了探討；利用MC集群通信技術解決鐵路5G專網(wǎng)調度通信業(yè)務；在滿足鐵路調度通信業(yè)務應用需求的前提下,綜合考慮5G網(wǎng)絡的建設成本和網(wǎng)絡結構的復雜性,提出了鐵路5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)與GSM-R、鐵路調度通信系統(tǒng)的業(yè)務互通技術方案。隨著我國鐵路專業(yè)技術人員對鐵路5G專網(wǎng)技術的深入研究,鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術方案會不斷的完善和優(yōu)化。