鐵路5G專網(wǎng)與GSM-R語音業(yè)務(wù)過渡方案研究

孫魯泉，單洪政，趙軍，李明春

隨著國家5G戰(zhàn)略的實(shí)施,國鐵集團(tuán)在2020年明確了鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)（以下簡稱“5G-R”）的發(fā)展方向。但5G-R網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)不會一蹴而就,預(yù)計在2030年逐步實(shí)現(xiàn)成熟規(guī)模應(yīng)用。這期間及之后一段時間,5G-R網(wǎng)絡(luò)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)將會共存。在共存過渡階段,由于5G-R網(wǎng)絡(luò)尚未實(shí)現(xiàn)完全覆蓋,為了保證移動終端業(yè)務(wù)的連續(xù)可用性,相對切實(shí)可行的方案是要求移動終端采用5G-R/GSM-R雙模雙待設(shè)計,能夠同時支持5G-R和GSM-R網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

語音業(yè)務(wù)是通信系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù),但在2G和5G技術(shù)體制方面具有較大的差別。GSM-R網(wǎng)絡(luò)的移動交換設(shè)備MSC本身就支持語音業(yè)務(wù),而5G-R核心網(wǎng)則完全采用全I(xiàn)P設(shè)計思路,IP多媒體子系統(tǒng)IMS通過IP層實(shí)現(xiàn)語音、視頻等多媒體業(yè)務(wù),即VoNR（Voice over NR）。為了保證鐵路雙模終端的語音業(yè)務(wù)連續(xù),需要解決5G-R與GSM-R系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)互通問題,確定雙模終端在移動過程中的網(wǎng)絡(luò)選擇策略。

本文介紹了5G-R語音等媒體業(yè)務(wù)的參考架構(gòu),提出5G-R/GSM-R雙模雙網(wǎng)絡(luò)的過渡技術(shù)方案；通過分析雙網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景,提出雙模終端在各種場景下的網(wǎng)絡(luò)駐留策略。在確定語音呼叫路由方案后,詳細(xì)給出在5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)5G-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與GSM-R系統(tǒng)間語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通、以及與智能網(wǎng)設(shè)備間的互聯(lián)互通方案,旨在通過一套切實(shí)可行的5G-R/GSM-R雙模雙網(wǎng)絡(luò)共存過渡方案,解決5G-R建設(shè)中語音業(yè)務(wù)的向下兼容問題。

1 5G-R移動多媒體業(yè)務(wù)參考架構(gòu)

結(jié)合近年來LTE-R相關(guān)研究成果［1］,以及鐵路調(diào)度通信的研究成果［2］,同時結(jié)合3GPP最新技術(shù)規(guī)范［3］,未來5G-R網(wǎng)絡(luò)中的語音、視頻和即時消息等移動多媒體通信可由關(guān)鍵業(yè)務(wù)設(shè)備（Mis?sion Critical PTT/Video/Data,MCx）［4］提供,其系統(tǒng)參考架構(gòu)及接口見圖1。

圖1 MCx系統(tǒng)架構(gòu)及接口

1.1 系統(tǒng)層面

在5G-R網(wǎng)絡(luò)中,關(guān)鍵業(yè)務(wù)設(shè)備MCx負(fù)責(zé)提供移動多媒體通信業(yè)務(wù),而5G網(wǎng)絡(luò)只是作為關(guān)鍵業(yè)務(wù)設(shè)備的IP承載系統(tǒng)。關(guān)鍵業(yè)務(wù)設(shè)備遵循3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,包含簡化的IP多媒體子系統(tǒng)IMS核心網(wǎng)網(wǎng)元SIP core、以及MCPTT/MCVideo/MCData等應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)元,具備語音單呼、組呼、視頻單呼、視頻組呼、短消息、文件傳送等業(yè)務(wù)能力。SIP core等同于IMS核心網(wǎng)的呼叫會話控制功能CSCF等網(wǎng)元,實(shí)現(xiàn)終端接入認(rèn)證、呼叫信令路由等功能；應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)元等同于IMS的AS層,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程控制、媒體轉(zhuǎn)碼/轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)接口層面

N6為5G網(wǎng)絡(luò)接口,對應(yīng)的是5G核心網(wǎng)網(wǎng)元中的用戶平面功能UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)DN之間的接口協(xié)議。N6網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)5G無線側(cè)數(shù)據(jù)包與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制。N5為5G-R專用承載控制接口［5］,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用對承載業(yè)務(wù)QoS的控制。

1.3 語音業(yè)務(wù)接口層面

MCx設(shè)備通過接口網(wǎng)關(guān)的E接口實(shí)現(xiàn)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)中移動交換設(shè)備MSC間的個呼、組呼等業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通。E接口是保證5G-R與GSM-R間語音業(yè)務(wù)連續(xù)性的關(guān)鍵,它一側(cè)是基于全I(xiàn)P的下一代無線語音VoNR業(yè)務(wù),一側(cè)是既有的MSC語音業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)了5G到2G的語音業(yè)務(wù)對接。另外,MCx設(shè)備通過接口網(wǎng)關(guān)的L接口實(shí)現(xiàn)與智能網(wǎng)設(shè)備SCP間的功能號操作、功能尋址、位置尋址等業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通。

2 5G-R與GSM-R雙模雙網(wǎng)方案

移動運(yùn)營商的多網(wǎng)絡(luò)融合實(shí)踐,可為鐵路5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)共存過渡方案提供一些借鑒。運(yùn)營商在LTE網(wǎng)絡(luò)部署過程中,在不同階段針對LTE語音業(yè)務(wù)的解決方案見表1。

表1 LTE語音業(yè)務(wù)解決方案

1）CSFB方案,要求GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋全域,作為語音通信的最后保障。鐵路移動網(wǎng)絡(luò)采用以線路為單位的建設(shè)模式。通常情況下,一條線路只會實(shí)現(xiàn)一種網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。只有在2G網(wǎng)絡(luò)升級的過程中,才會出現(xiàn)單條運(yùn)營線路5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)同時覆蓋的情況。這種建設(shè)方式也造成了每條線路的移動網(wǎng)絡(luò)可能都不同。因此,CSFB方案顯然不適用于鐵路,大部分新建線路,未來根本就沒有GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2）SRVCC方案,要求2G網(wǎng)絡(luò)做適應(yīng)性改造升級。目前既有GSM-R設(shè)備改造困難,GSM-R設(shè)備廠商僅保留了少量維護(hù)人員,幾乎沒有新增開發(fā)的可能性,很難實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)升級。5G規(guī)范R16版本尚未支持SRVCC,因此階段2的方案也不適用于鐵路。

3）VoLTE方案（5G中為VoNR）方案,要求全路部署IMS多媒體子系統(tǒng)。經(jīng)過近年來4G建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)積累,運(yùn)營商已經(jīng)逐步建立了完善的IMS系統(tǒng),終端也逐步開通了VoLTE業(yè)務(wù),基本可以從VoLTE業(yè)務(wù)平滑地升級到VoNR業(yè)務(wù)。但鐵路目前仍處于2G時代,沒有IMS基礎(chǔ),5G語音業(yè)務(wù)尚需要從頭開始,所以鐵路5G專網(wǎng)語音業(yè)務(wù)需要全新考量。

從以上分析來看,未來5G-R語音業(yè)務(wù)將勢必采用與運(yùn)營商不同的技術(shù)方案,本文提出一種雙模雙網(wǎng)的語音業(yè)務(wù)解決方案:①終端采用雙模設(shè)計,既可以接入5G-R網(wǎng)絡(luò),也可以接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)；②終端接入2個網(wǎng)絡(luò)時,分別采用不同的編號計劃,GSM-R沿用既有的編號計劃,5G-R終端建立新的MCx編號方案；③1個終端可同時注冊2個網(wǎng)絡(luò)的號碼；④終端原則上應(yīng)當(dāng)優(yōu)選5G-R網(wǎng)絡(luò)（MCx語音）開展業(yè)務(wù),次選接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)（MSC語音）,當(dāng)存在調(diào)度轄區(qū)關(guān)系時,按照調(diào)度轄區(qū)選擇駐留網(wǎng)絡(luò)；⑥主叫用戶呼叫被叫用戶時,默認(rèn)只需要撥打?qū)Ψ降?G-R號碼（MCx ID）,方便用戶操作。

5G-R/GSM-R雙模雙網(wǎng)絡(luò)并存過渡組網(wǎng)方案見圖2。

圖2 5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)并存過渡組網(wǎng)方案

如圖2所示,MCx設(shè)備與MSC設(shè)備共用智能網(wǎng)設(shè)備SCP。MCx設(shè)備通過與HLR（歸屬位置寄存器）互通,實(shí)時掌握雙模終端當(dāng)前所處的網(wǎng)絡(luò)和位置。雙模終端呼出時,原則上優(yōu)選5G-R網(wǎng)絡(luò)。其他用戶呼叫雙模終端時,同樣遵循5G-R優(yōu)先原則,撥打MCx號碼發(fā)起呼叫,由MCx系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成被叫終端的網(wǎng)絡(luò)選擇與呼叫路由策略。

3 終端5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)駐留策略

3.1 同一線路雙網(wǎng)覆蓋場景

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)向5G-R網(wǎng)絡(luò)升級過程中,會出現(xiàn)一條線路全線覆蓋2個網(wǎng)絡(luò)的場景,見圖3。該場景下,雙模終端始終采取優(yōu)選5G-R的網(wǎng)絡(luò)策略,只有當(dāng)5G-R網(wǎng)絡(luò)不可用時,才會切換到GSM-R網(wǎng)絡(luò)。

圖3 同一線路雙網(wǎng)覆蓋

3.2 相鄰并行線路雙網(wǎng)覆蓋場景

相鄰并行線路距離較近形成的雙網(wǎng)覆蓋場景見圖4。

圖4 相鄰并行線路雙網(wǎng)覆蓋

圖4 中線路B采用GSM-R覆蓋,對應(yīng)的調(diào)度臺為線路B調(diào)度臺。當(dāng)線路B上的列車行駛到與線路A并行區(qū)段時,進(jìn)入5G-R與GSM-R雙網(wǎng)覆蓋區(qū)域。車載雙模終端應(yīng)能夠根據(jù)所處地理位置（如GPS坐標(biāo)）確定優(yōu)選網(wǎng)絡(luò),此時應(yīng)該按照默認(rèn)的調(diào)度管轄區(qū),選擇接入GSM-R。

此時不能優(yōu)選5G-R網(wǎng)絡(luò)的原因是:若根據(jù)5G-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先原則,此時如果列車發(fā)起位置尋址（如1200）,會錯誤地呼叫到線路A調(diào)度臺（如圖4箭頭所示）；此時如果發(fā)起動態(tài)/緊急組呼業(yè)務(wù),也會錯誤地呼叫到線路A的用戶。

3.3 線路交界點(diǎn)雙網(wǎng)覆蓋場景

發(fā)生在2條線路交界點(diǎn)的5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景見圖5。

圖5 交界點(diǎn)雙網(wǎng)覆蓋

由于2段線路分屬不同的調(diào)度員（調(diào)度臺）管轄,因此車載終端需要在2條線路的交界點(diǎn)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的切換,否則可能無法與正確的歸屬調(diào)度臺建立聯(lián)絡(luò),同時也會影響動態(tài)/緊急組呼業(yè)務(wù)。因此,車載終端需要根據(jù)所處地理位置（如GPS坐標(biāo)）準(zhǔn)確選擇網(wǎng)絡(luò),當(dāng)越過分界點(diǎn)時,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換。

4 MCx系統(tǒng)的5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)處理策略

4.1 個呼業(yè)務(wù)

按照5G-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先原則,對終端個呼業(yè)務(wù)路由策略的分析見表2。

表2 個呼業(yè)務(wù)路由策略

由表2可以看出,主叫只需要撥打MCx號碼呼叫被叫雙模終端,由MCx根據(jù)被叫雙模終端當(dāng)前所處的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行呼叫路由,就能夠在各種情況下完成呼叫接續(xù)。

4.2 功能尋址

雙模終端進(jìn)行功能號注冊時,根據(jù)5G-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先原則,使用的用戶號碼為MCx號碼。因此當(dāng)其他用戶向雙模終端發(fā)起功能尋址時,SCP始終返回的是MCx號碼,從而實(shí)現(xiàn)雙模終端功能尋址以5G-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先。

4.3 位置尋址

雙模終端的位置尋址與雙模終端所處的網(wǎng)絡(luò),以及當(dāng)前位置都有關(guān)系。由于SCP同時具有5G-R和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的位置配置,因此無論雙模終端處于5G-R還是GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋下,SCP都能夠正確完成對位置尋址的處理。

4.4 動態(tài)/緊急組呼

雙模終端的動態(tài)/緊急組呼與雙模終端所處的網(wǎng)絡(luò),以及當(dāng)前位置都有關(guān)系。由于MCx與GSM-R實(shí)現(xiàn)了動態(tài)/緊急組呼的互通,因此雙模終端無論處于5G-R還是GSM-R覆蓋下,都能夠進(jìn)行動態(tài)/緊急組呼業(yè)務(wù)。

4.5 5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)共存過渡策略總結(jié)

通過以上分析可以看出,雙模終端是影響5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)共存過渡方案的主要因素。按照5G-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先原則,對雙模終端的5G-R/GSMR雙網(wǎng)絡(luò)共存過渡策略總結(jié)如下。

1）雙模終端注冊功能號時,優(yōu)選5G-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)起注冊（對于車載終端,還需要根據(jù)線路具體情況確定優(yōu)選策略）。

2）雙模終端呼出時,優(yōu)選5G-R網(wǎng)絡(luò)（對于車載終端,還需要根據(jù)線路具體情況確定優(yōu)選策略）。

3）主叫用戶優(yōu)先撥打MCx號碼呼叫被叫雙模終端。

4）系統(tǒng)優(yōu)先使用5G-R網(wǎng)絡(luò)接通雙模終端。

5）主叫可分別或同時撥打雙模終端的兩個號碼,實(shí)現(xiàn)緊急情況下（如某個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時）的呼叫。

綜合采取以上策略,能夠最大程度上保障雙模終端在5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)共存過渡環(huán)境下的業(yè)務(wù)可用性,同時盡可能地簡化終端操作,改善用戶體驗(yàn)。

5 5G-R與GSM-R語音等媒體業(yè)務(wù)的流程及接口

5.1 MCx設(shè)備與既有GSM-R系統(tǒng)間的語音個呼業(yè)務(wù)

MCx設(shè)備與既有GSM-R系統(tǒng)間的語音個呼業(yè)務(wù)互通流程見圖6。

圖6 MCx設(shè)備與既有GSM-R系統(tǒng)間的語音個呼互通流程

MCx設(shè)備與GSM-R系統(tǒng)間語音個呼業(yè)務(wù)互通時,能夠支持既有GSM-R的呼叫優(yōu)先級、緊急呼叫等特性,同時能夠攜帶功能號等信息。

5.2 MCx設(shè)備與既有GSM-R系統(tǒng)間的語音組呼

MCx系統(tǒng)間發(fā)起跨系統(tǒng)語音組呼的控制邏輯［6］見圖7。其中,控制方負(fù)責(zé)組呼話權(quán)控制,參與方不進(jìn)行組呼話權(quán)控制,只轉(zhuǎn)發(fā)組呼話權(quán)控制信息。

圖7 MCx系統(tǒng)間語音組呼控制邏輯

MCx系統(tǒng)組呼按照使用方式,可以分為2種主要類型:預(yù)定義組呼（靜態(tài)組呼）和動態(tài)/緊急組呼。

1）預(yù)定義組呼。當(dāng)MCx系統(tǒng)發(fā)起預(yù)定義組呼時,考慮到盡量不改變GSM-R配置,可以采用如圖8所示的方案。

圖8 MCPTT與GSM-R預(yù)定義組呼互通方案

該方案中,MCx系統(tǒng)采用個呼（也稱單呼）方式呼叫GSM-R用戶,并且GSM-R用戶在組呼中采用全雙工通話方式。其優(yōu)點(diǎn)是無需對既有GSM-R設(shè)備進(jìn)行任何配置更改,MCPTT-server可以根據(jù)需要靈活配置預(yù)定義組呼,但存在GSM-R空口信道占用較多的問題。

2）動態(tài)/緊急組呼。MCx與GSM-R系統(tǒng)間的動態(tài)/緊急組呼互通發(fā)生在5G-R/GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)同時覆蓋的情況下,此時組呼成員為組呼區(qū)域內(nèi)的所有注冊用戶,包含MCx用戶和GSM-R用戶。MCPTT與GSM-R系統(tǒng)間的動態(tài)/緊急組呼互通方案見圖9。

圖9 MCPTT與GSM-R動態(tài)/緊急組呼互通方案

MCPTT-server首先通過與位置服務(wù)器交互獲取當(dāng)前組呼位置區(qū),將該位置區(qū)的MCPTT注冊用戶加入組呼,然后向MSC發(fā)起組呼,由MSC負(fù)責(zé)呼叫位于該位置區(qū)的GSM-R注冊用戶［7］。MCPTT-server與MSC各 自 進(jìn) 行 本 系 統(tǒng)用戶的組呼話權(quán)控制,MCPTT-server與MSC系統(tǒng)之間采用全雙工通話方式,不傳遞組呼話權(quán)控制信息。

5.3 MCx與既有GSM-R系統(tǒng)間的視頻個呼及組呼

MCx系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)之間不支持視頻業(yè)務(wù)互通。但如果在MCVideo組呼［8］中需要呼叫GSM-R用戶,可以采用語音方式互通,具體方式可以參考“MCx與既有GSM-R系統(tǒng)間的語音組呼”流程。

5.4 MCx與既有GSM-R系統(tǒng)間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互通

MCx用戶可以通過MCData短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)［9］向GSM-R用戶發(fā)送點(diǎn)到點(diǎn)短消息（SMS）。如果所發(fā)送的MCData短數(shù)據(jù)長度超過SMS業(yè)務(wù)所支持的消息長度（140字節(jié)）,MCData-server需要將短數(shù)據(jù)自動拆分成多條SMS消息發(fā)送。MCx用戶與GSM-R用戶之間不支持文件傳送。

GSM-R用戶可以向MCData用戶發(fā)送點(diǎn)到點(diǎn)短消息,或者向MCData群組發(fā)送群組短消息。

5.5 MCx與智能網(wǎng)設(shè)備（SCP）的互聯(lián)互通

MCx系統(tǒng)與智能網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)互通主要實(shí)現(xiàn)功能號注冊、注銷、查詢,以及功能尋址、位置尋址、基于位置呼叫限制等功能。由于SCP需要處理5G-R用戶的功能尋址、位置尋址、基于位置呼叫限制等業(yè)務(wù),因此需要增加與5G-R相關(guān)的呼叫權(quán)限、位置區(qū)等配置。

參考《TB/T 3362—2015鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）智能網(wǎng)技術(shù)條件》［10］,MCx系統(tǒng)與智能網(wǎng)設(shè)備的互通流程見圖10。

圖10 MCx系統(tǒng)與智能網(wǎng)設(shè)備的互通流程

6 結(jié)語

鐵路5G專網(wǎng)與既有鐵路GSM-R系統(tǒng)在兩個層面實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性,一是網(wǎng)絡(luò)層面:通過雙模終端,結(jié)合鐵路線不同網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場景,采用5G-R優(yōu)先的網(wǎng)絡(luò)駐留選擇策略,實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)雙待；二是語音等媒體業(yè)務(wù)互通層面:通過MCx設(shè)備與既有HLR設(shè)備互通、共用智能網(wǎng)設(shè)備、利用MCx系統(tǒng)的接口網(wǎng)關(guān)功能,可以在兼容既有MSC以及SCP設(shè)備的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)5G-R與GSM-R網(wǎng)絡(luò)間個呼、組呼、功能尋址、位置尋址、短消息等業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通。移動終端5G-R/GSM-R雙模雙網(wǎng)絡(luò)方案是在維持現(xiàn)有投資、GSM-R設(shè)備不改造、同時建設(shè)5G-R網(wǎng)絡(luò)背景下提出的解決方案,可以滿足多媒體業(yè)務(wù)的需求,并能夠較好地降低用戶使用復(fù)雜度。