基于關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信機(jī)制的鐵路智能調(diào)度通信技術(shù)研究

郭強(qiáng)亮,李 輝,閆曉宇,李春鐸,王開鋒

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

1 概述

鐵路通信網(wǎng)絡(luò)是保障鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)的重要手段，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮著巨大的作用。其中，調(diào)度通信作為鐵路通信網(wǎng)中最為重要的專用通信系統(tǒng)和最能突顯鐵路通信特色的技術(shù)，一直是該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外高速鐵路主要采用GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway，鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng))作為車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，通過GSM-R和FAS(Fixed user Access System，固定用戶接入交換系統(tǒng))相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)一種基于電路域的語音業(yè)務(wù)調(diào)度通信，為鐵路安全運(yùn)營做出了重要的貢獻(xiàn)。

然而，隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代，GSM-R系統(tǒng)在未來將面臨失去設(shè)備維護(hù)和技術(shù)支持的難題；此外，由于高速鐵路的迅速發(fā)展和構(gòu)建“智慧”鐵路的需要，對鐵路通信提出了全新的需求，是GSM-R系統(tǒng)所無法滿足的。因此，探索鐵路下一代移動通信技術(shù)已迫在眉睫[1]。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和組織在理論研究以及實(shí)際應(yīng)用方面做出了大量引人注目的工作[2-8]。概括而言，主要研究LTE(Long Term Evolution Mobile Communication System，長期演進(jìn)移動通信系統(tǒng))、5G(5th-Generation Mobile Communication System，第五代移動通信系統(tǒng))、IoT(The Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng))等新技術(shù)在未來鐵路通信中的應(yīng)用。

寬帶化、IP化、智能化成為未來鐵路移動通信技術(shù)的必然趨勢，既有基于電路域的調(diào)度通信技術(shù)將不再適用，迫切地需要研究相適應(yīng)的調(diào)度通信技術(shù)。

2 鐵路下一代智能調(diào)度通信需求分析和技術(shù)對比

2.1 需求分析

隨著通信技術(shù)在富媒體化、智能化等方面的飛速發(fā)展，智能鐵路對鐵路調(diào)度通信提出了全新的需求，包括以下幾個(gè)方面。

(1)智能調(diào)度通信：實(shí)現(xiàn)支持語音、視頻及數(shù)據(jù)的多媒體調(diào)度通信，將極大滿足智能鐵路的全新需求，促進(jìn)鐵路信息化多領(lǐng)域、多場景的全面發(fā)展。

(2)智能養(yǎng)護(hù)維修：支持調(diào)度指揮人員、現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修人員、車站管理人員之間的多媒體通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程養(yǎng)護(hù)維修，及時(shí)解決問題。

(3)列車組智能通信：實(shí)現(xiàn)列車長、乘警、機(jī)械師、列車員之間的多媒體通信，提升溝通效率。

(4)應(yīng)急智能通信：實(shí)現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場移動終端與值班臺之間的語音、數(shù)據(jù)、視頻等多媒體通信，及時(shí)有效獲取應(yīng)急現(xiàn)場情況，提升應(yīng)急指揮效率。

(5)多媒體融合調(diào)度：實(shí)現(xiàn)調(diào)度員可以實(shí)時(shí)調(diào)看司機(jī)監(jiān)控視頻，司機(jī)調(diào)看車站視頻等功能，提供更豐富的信息交互，為調(diào)度指揮提供更全面的支撐。

2.2 技術(shù)對比

在基于IP的通信技術(shù)發(fā)展方面，VoIP(Voice over Internet Protocol，基于IP的語音傳輸)、VoLTE(Voice over LTE，基于LTE的語音傳輸)、VoWiFi(Voice over WiFi，基于WiFi的語音傳輸)已經(jīng)在公網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商用，實(shí)現(xiàn)了端到端的基于分組域的語音和視頻通信業(yè)務(wù)。但對比鐵路調(diào)度通信的具體需求，這些技術(shù)不提供組呼、搶占、強(qiáng)插強(qiáng)拆以及多優(yōu)先級等鐵路調(diào)度通信的必要功能。

在集群通信技術(shù)發(fā)展方面，B-TrunC(Broadband Trunking Communication，寬帶集群通信)是一種基于TD-LTE的“LTE數(shù)字傳輸+集群語音通信”專網(wǎng)寬帶集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，由中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)起。目前，B-TrunC在我國地鐵等領(lǐng)域集群通信方面有所應(yīng)用。2016年3月起，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)陸續(xù)推出基于關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信機(jī)制的系列標(biāo)準(zhǔn)：MCPTT(Mission Critical Push To Talk，關(guān)鍵語音業(yè)務(wù))、MCData(Mission Critical Data，關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))和MCVideo(Mission Critical Video，關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù))。MCX(MCPTT、MCData和MCVideo的統(tǒng)稱)使用了基于IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng))架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案，綜合了大帶寬、低延遲、易于大規(guī)模建網(wǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，涵蓋了組管理、位置管理、組通信，以及數(shù)據(jù)和視頻通信功能等需求，適用于執(zhí)行關(guān)鍵業(yè)務(wù)的場景，成為未來集群呼叫的主要發(fā)展方向[9-11]。

與B-TrunC相比，MCX在業(yè)務(wù)與承載分離、支持多種通信制式、支持多播技術(shù)、對GSM-R的支持能力等方面具有顯著優(yōu)勢；此外，3GPP是全球移動通信標(biāo)準(zhǔn)組織，所以，MCX具有更好的互通性和接口開放性[12-18]?；谝陨蟽?yōu)勢，MCX技術(shù)更適合作為實(shí)現(xiàn)鐵路下一代移動通信系統(tǒng)中調(diào)度通信的解決方案。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

3.1 基本架構(gòu)

基于關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信機(jī)制的鐵路智能調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要由用戶設(shè)備、承載網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)和有線調(diào)度通信系統(tǒng)4個(gè)部分組成。

圖1 基于MCX的鐵路智能調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)

(1)用戶設(shè)備。用戶設(shè)備包括機(jī)車綜合無線通信設(shè)備(CIR)，以及通用手持終端(GPH)、作業(yè)手持終端(OPH)等終端設(shè)備，以無線方式接入移動通信網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供調(diào)度通信服務(wù)。作為MCX客戶端，用戶設(shè)備需要運(yùn)行專門的客戶端應(yīng)用程序，用于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)。

(2)承載網(wǎng)絡(luò)。承載網(wǎng)絡(luò)作為無線通信的基礎(chǔ)平臺，是一種基于IP的通信網(wǎng)絡(luò)，提供無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路和服務(wù)，如5G、LTE、WiFi、IoT等。只要是基于IP的數(shù)據(jù)域系統(tǒng)，均可作為關(guān)鍵業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的承載網(wǎng)絡(luò)，這使得所設(shè)計(jì)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性。

(3)關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)。關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的會話控制和管理，是調(diào)度通信實(shí)現(xiàn)的核心。在架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)基于IMS架構(gòu)，并遵循3GPP關(guān)鍵業(yè)務(wù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)作為應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)體存在于承載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用業(yè)務(wù)側(cè)。

(4)有線調(diào)度通信系統(tǒng)。有線調(diào)度通信系統(tǒng)是指調(diào)度員、值班員等固定用戶所使用的調(diào)度通信系統(tǒng)，以有線的方式接入整個(gè)調(diào)度通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種基于IP的調(diào)度通信系統(tǒng)，與關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間通過MCX-1接口進(jìn)行交互，提供全I(xiàn)P的調(diào)度通信服務(wù)。

3.2 關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)是整個(gè)鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心。如圖2所示，按照層次劃分，關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括SIP核心(SIP core)和關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)器(MCX AS)兩部分。關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)以關(guān)鍵通信機(jī)制和IMS架構(gòu)為基礎(chǔ)，并按照功能劃分、信令面和數(shù)據(jù)面分離、易于并行開發(fā)和后續(xù)擴(kuò)展為原則，規(guī)劃設(shè)計(jì)各子系統(tǒng)模塊，且各接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，保障系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性、可靠性和兼容性。

圖2 關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

SIP core用于實(shí)現(xiàn)信令面SIP消息的注冊、服務(wù)選擇和路由，包含呼叫會話控制功能(CSCF)、SIP數(shù)據(jù)庫(SIP database)等部分。SIP數(shù)據(jù)庫包含SIP訂閱、SIP core所需的認(rèn)證和鑒權(quán)，以及應(yīng)用服務(wù)選擇等信息。

MCX AS用于關(guān)鍵語音、數(shù)據(jù)、視頻的管理和控制。MCX AS主要包括：MCX 服務(wù)器(MCX server)、公共服務(wù)核心(CSC)和MCX用戶數(shù)據(jù)庫(MCX user database等)。該系統(tǒng)涉及多種先進(jìn)通信協(xié)議，主要包括：SIP、HTTP、Diameter、RTP、RTCP等。

其中，MCX server可細(xì)分為MCPTT server、MCData server、MCVideo server，分別完成基于語音、數(shù)據(jù)、視頻調(diào)度業(yè)務(wù)的控制和處理。CSC實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的配置、群組、身份、密鑰、位置、功能號、遷移等管理。MCX user database用于存儲關(guān)鍵業(yè)務(wù)用戶配置文件等數(shù)據(jù)。

3.3 優(yōu)越性分析

(1)提供多媒體調(diào)度通信服務(wù)

較既有純語音調(diào)度通信而言，鐵路下一代智能調(diào)度通信系統(tǒng)能夠提供基于語音、視頻、數(shù)據(jù)的多媒體調(diào)度通信服務(wù)，將極大地滿足智能鐵路的發(fā)展需要，特別是智能運(yùn)維、智能調(diào)度、遠(yuǎn)程指揮、應(yīng)急通信等場景。此外，鐵路下一代智能調(diào)度通信系統(tǒng)支持自定義調(diào)度通信業(yè)務(wù)，有利于針對不同用戶角色提供多樣化的通信服務(wù)。

(2)兼容多種通信制式

既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的調(diào)度通信是一種基于電路域的語音調(diào)度通信，調(diào)度業(yè)務(wù)與GSM-R承載網(wǎng)絡(luò)耦合關(guān)系過于緊密?；贛CX的調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)，是一種基于分組域的實(shí)現(xiàn)方式，且有效實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)和承載解耦，使得調(diào)度業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)能夠獨(dú)立于承載網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而能夠兼容5G、LTE、WiFi、IoT等制式的全I(xiàn)P的通信網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。在與不同制式網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)進(jìn)行通信時(shí)，可通過相應(yīng)的通信接口完成交互。

圖3 智能調(diào)度通信系統(tǒng)對承載網(wǎng)絡(luò)兼容性

(3)支持通信系統(tǒng)平滑升級

通信系統(tǒng)的平滑升級是系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。在3GPP的Release 14和15規(guī)范中，已經(jīng)考慮了MCPTT對GSM-R的支持能力[12]。MCX調(diào)度通信系統(tǒng)自身基于分組域，當(dāng)接入既有GSM-R等電路域通信系統(tǒng)時(shí)，可通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)單元，實(shí)現(xiàn)新舊通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而保障整個(gè)通信系統(tǒng)的平滑升級。

(4)降低再次換代升級成本

當(dāng)未來鐵路通信系統(tǒng)向下下一代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時(shí)，調(diào)度通信系統(tǒng)的換代升級成本將是重點(diǎn)考慮的方面。由于MCX技術(shù)具備多通信制式的兼容性，以及業(yè)務(wù)與承載解耦等特性，且符合未來通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，當(dāng)未來鐵路通信系統(tǒng)再升級時(shí)，基于MCX的調(diào)度通信系統(tǒng)僅需要關(guān)注與承載網(wǎng)絡(luò)的通信接口等內(nèi)容，而不涉及調(diào)度通信系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而能夠大大降低未來再升級的成本。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 呼叫控制與媒體傳輸

(1)呼叫控制

呼叫控制主要包括呼叫會話業(yè)務(wù)的建立和釋放過程。語音和視頻等呼叫類業(yè)務(wù)均通過SIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)呼叫控制流程[16-18]，簡化流程示意如圖4所示。

圖4 語音和視頻呼叫控制流程

呼叫建立主要通過SIP INVITE和200OK等消息實(shí)現(xiàn)會話信息傳遞和媒體協(xié)商；交互SIP ACK消息后，會話引導(dǎo)完成，媒體會話建立，開始媒體數(shù)據(jù)傳輸過程；呼叫釋放主要通過SIP BYE消息實(shí)現(xiàn)。

(2)語音話權(quán)控制

在鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)中，特別是語音組呼，除調(diào)度員角色之外的其他組內(nèi)成員通過話權(quán)搶占的方式獲取發(fā)言權(quán)限。如圖5所示，采用RTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)話權(quán)協(xié)商與控制[19]。

圖5 語音話權(quán)控制

概括而言，話權(quán)申請根據(jù)“先到先得”的原則進(jìn)行處理。實(shí)際中，當(dāng)話權(quán)處于被占用狀態(tài)時(shí)，有其它一個(gè)或多個(gè)用戶請求話權(quán)時(shí)，則需要根據(jù)先后順序進(jìn)行排隊(duì)，由服務(wù)器負(fù)責(zé)維護(hù)排隊(duì)信息；有用戶撤銷請求時(shí)，則將該用戶從排隊(duì)中刪除；當(dāng)占用者釋放話權(quán)后，由服務(wù)器仲裁，授予處于排隊(duì)首部用戶獲得話權(quán)。

(3)視頻傳輸控制

在鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)中，視頻業(yè)務(wù)較語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，占用網(wǎng)絡(luò)資源多，特別是當(dāng)存在大量多媒體調(diào)度并發(fā)時(shí)，容易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。因此，為了保障調(diào)度業(yè)務(wù)穩(wěn)定性和資源分配合理性，需要對視頻業(yè)務(wù)的傳輸進(jìn)行管理和控制。

視頻組呼建立完成后，各組內(nèi)成員默認(rèn)暫不向服務(wù)器發(fā)送本地視頻，也不接收遠(yuǎn)端其他組內(nèi)成員發(fā)來的視頻，需要通過相應(yīng)的發(fā)送視頻和接收視頻等請求，由服務(wù)器統(tǒng)一控制和管理視頻流媒體的傳輸開關(guān)和方向[20]，如圖6所示，采用RTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)話權(quán)協(xié)商與控制。

圖6 視頻傳輸控制

(4)數(shù)據(jù)傳輸控制

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要包括短消息傳輸和文件傳輸，均可分為點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸方式，主要通過SIP和HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸與控制[21]。短消息一般用于傳輸即時(shí)消息數(shù)據(jù)，文件傳輸一般用于傳輸圖片、文件等數(shù)據(jù)。在鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可用于實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信、行車計(jì)劃收發(fā)、工單發(fā)布等功能。

4.2 鐵路特定業(yè)務(wù)相關(guān)技術(shù)

(1)群組管理

鐵路調(diào)度通信大多是基于群組的通信方式，因此，群組管理是鐵路調(diào)度通信實(shí)現(xiàn)集群通信的必需環(huán)節(jié)，主要包括組附屬和去附屬、組訂閱和通知。

①組附屬和去附屬

當(dāng)用戶終端需要附屬到某些組或者去附屬某個(gè)組或某些組時(shí)，需要發(fā)起相應(yīng)的請求，由服務(wù)器中的組管理服務(wù)器完成該用戶與該組標(biāo)識的綁定和解綁。

②組訂閱和通知

組訂閱和通知主要用于動態(tài)維護(hù)和通知組的狀態(tài)。當(dāng)組呼建立后，終端主動訂閱該組的信息，組狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，服務(wù)器將組狀態(tài)信息通知給訂閱者。

(2)功能號管理

功能尋址是一種基于用戶角色的呼叫，屬于鐵路特定呼叫業(yè)務(wù)。相關(guān)的功能號管理環(huán)節(jié)主要涉及功能號注冊、注銷和查詢。

①功能號注冊與注銷

當(dāng)用戶終端需要注冊或注銷某功能號時(shí)，在請求消息體中攜帶用戶的MC標(biāo)識和所要注冊或注銷的功能號碼，由服務(wù)器實(shí)現(xiàn)將功能號碼與MC標(biāo)識的綁定或解綁。

②功能號查詢

當(dāng)用戶終端需要查詢已注冊的功能號時(shí)，發(fā)送功能號查詢請求，并在消息體中攜帶其MC標(biāo)識，MCX服務(wù)器檢索該MC標(biāo)識已注冊的功能號，并返回給終端。

(3)位置管理

位置尋址是一種重要的鐵路特定呼叫業(yè)務(wù)。相關(guān)的位置管理環(huán)節(jié)主要包括位置配置、位置上報(bào)和位置查詢。

①位置配置

在用戶完成登錄后，MCX服務(wù)器主動下發(fā)位置配置消息，用于規(guī)定用戶位置上報(bào)觸發(fā)的條件和周期，以及需要上報(bào)的內(nèi)容等信息。

②位置上報(bào)

終端根據(jù)位置配置的要求，當(dāng)滿足觸發(fā)上報(bào)條件或上報(bào)周期時(shí)，主動上報(bào)自身的位置信息，由MCX服務(wù)器接收并更新該終端的位置信息。

③位置查詢

MCX服務(wù)器可以隨時(shí)請求查詢用戶位置信息，用戶收到查詢請求后隨時(shí)上報(bào)自身的位置信息。

5 結(jié)語

針對鐵路下一代移動通信的調(diào)度通信問題，研究3GPP關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信機(jī)制，提出了一種與承載網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的鐵路智能調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)，并針對該系統(tǒng)的核心部分，給出了關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；在此基礎(chǔ)上，探究了呼叫控制、媒體傳輸與控制、群組管理、功能號管理以及位置管理等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

綜上所述，基于關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信機(jī)制的鐵路智能調(diào)度通信系統(tǒng)解決方案，具有可行性和前瞻性，能夠?yàn)殍F路下一代移動通信技術(shù)的發(fā)展提供有力支撐，將推動我國鐵路在信息化、智能化等方面的發(fā)展。