重載鐵路MCX多媒體調(diào)度通信技術(shù)應(yīng)用研究
——以靖神鐵路為例

郭強(qiáng)亮,王開鋒,李 輝,付文剛,閆曉宇,李春鐸

(1.中國(guó)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； 2.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

引言

靖神鐵路北起于包西鐵路神木西站起雞哈浪線路所，南與浩吉鐵路靖邊北站相接，是國(guó)家“公轉(zhuǎn)鐵”“鐵路貨運(yùn)增量三年行動(dòng)方案”重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目，對(duì)完善礦區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施、促進(jìn)榆林地區(qū)能源開發(fā)、優(yōu)化北煤南運(yùn)通道、保障國(guó)家能源運(yùn)輸安全具有重要意義[1-3]。新建靖神鐵路采用LTE(Long Term Evolution Mobile Communication System，長(zhǎng)期演進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng))無(wú)線寬帶技術(shù)作為通信網(wǎng)絡(luò)承載，并構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了鐵路多媒體調(diào)度通信，為貨運(yùn)增量提供了可靠的通信保障[4-5]。

隨著鐵路移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展[6-10]，迫切需要相適應(yīng)的調(diào)度通信技術(shù)作為支撐。目前，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)發(fā)布的MCX(MCPTT、MCData和MCVideo的統(tǒng)稱)關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信系列標(biāo)準(zhǔn)，已成為實(shí)現(xiàn)鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中調(diào)度通信的解決方案[11-15]。

在靖神鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)中，無(wú)線側(cè)采用MCX技術(shù)實(shí)現(xiàn)多媒體調(diào)度通信服務(wù)。靖神鐵路是我國(guó)首次采用自主研發(fā)的MCX技術(shù)實(shí)現(xiàn)多媒體調(diào)度通信的重載鐵路，具有重要的示范和引領(lǐng)作用，為鐵路下一代調(diào)度通信研究和落地應(yīng)用提供有力支撐[16-18]。

1 調(diào)度通信業(yè)務(wù)需求分析

既有靖神鐵路調(diào)度通信采用傳統(tǒng)450 MHz列車無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)僅提供基本的語(yǔ)音調(diào)度通信和部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸功能，技術(shù)較為落后，且功能單一，不能提供多樣化的調(diào)度通信服務(wù)，無(wú)法滿足重載鐵路貨運(yùn)增量的發(fā)展需求。

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及貨運(yùn)鐵路的發(fā)展需要，重載鐵路對(duì)調(diào)度通信提出了全新的需求[15]。

(1)多媒體調(diào)度通信

支持基于語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多媒體調(diào)度通信，能夠提供更加直觀、豐富的調(diào)度通信交互方式，極大地滿足了智能貨運(yùn)鐵路的發(fā)展需要，有助于推動(dòng)智能運(yùn)維、智能調(diào)度、遠(yuǎn)程指揮、應(yīng)急通信的發(fā)展[19-20]。

(2)遠(yuǎn)程視頻查看

當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，指揮人員能夠快速查看遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)視頻，第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，并制定應(yīng)對(duì)策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程指揮示意

(3)多樣化調(diào)度通信方式

既有450 MHz僅支持語(yǔ)音調(diào)度，而多媒體調(diào)度通信能夠提供語(yǔ)音呼叫、視頻呼叫、緊急組呼、車站組呼等調(diào)度通信方式。此外，針對(duì)重載鐵路實(shí)際需求，迫切地需要支持重聯(lián)組呼、臨時(shí)組呼等靈活的、可自定義的集群調(diào)度通信方式。

2 MCX多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)

靖神鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，主要由移動(dòng)終端設(shè)備、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、MCX關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)和有線多媒體數(shù)調(diào)系統(tǒng)四個(gè)部分組成。

圖2 靖神鐵路MCX多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)

(1)移動(dòng)終端設(shè)備。移動(dòng)終端設(shè)備包括多媒體機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備(CIR)，以及各類多媒體手持終端，通過(guò)無(wú)線方式接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供調(diào)度通信服務(wù)。在終端設(shè)備上運(yùn)行MCX客戶端程序，用于實(shí)現(xiàn)多媒體通信服務(wù)。

(2)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。靖神鐵路新建LTE網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線通信的基礎(chǔ)平臺(tái)，為調(diào)度通信系統(tǒng)提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸鏈路和服務(wù)。

(3)MCX關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)。即地面MCX集群服務(wù)器，該系統(tǒng)是多媒體調(diào)度通信實(shí)現(xiàn)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線側(cè)，以及無(wú)線側(cè)與有線側(cè)互通時(shí)的會(huì)話控制和管理。在架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)基于IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng))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)。

(4)有線多媒體數(shù)調(diào)系統(tǒng)。多媒體數(shù)調(diào)系統(tǒng)是調(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)基于IMS的軟交換技術(shù)設(shè)計(jì)，為有線側(cè)用戶提供多媒體調(diào)度通信服務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于MCX的鐵路調(diào)度通信技術(shù)

2016年至今，3GPP陸續(xù)推出了MCX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(yǔ)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基于IMS架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有大帶寬、低延遲、易于大規(guī)模建網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具備組管理、位置管理、組通信，以及數(shù)據(jù)和視頻通信等功能。由于MCX在業(yè)務(wù)與承載解耦、支持多種通信制式、支持多播技術(shù)、對(duì)GSM-R的支持能力、標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此，MCX技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的調(diào)度通信的解決方案[11-15]。

靖神鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)采用MCX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)的多媒體調(diào)度通信服務(wù)，是我國(guó)首個(gè)自主研發(fā)的基于MCX多媒體調(diào)度通信的工程應(yīng)用，為未來(lái)鐵路下一代調(diào)度通信技術(shù)的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。此外，MCX調(diào)度通信系統(tǒng)能夠極大地降低未來(lái)系統(tǒng)再升級(jí)的成本。

3.2 互聯(lián)互通接口技術(shù)

如圖2所示，在靖神鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)中，無(wú)線側(cè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用基于3GPP MCX的規(guī)范設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，支持標(biāo)準(zhǔn)的MCX相關(guān)接口和協(xié)議；而有線側(cè)多媒體數(shù)調(diào)系統(tǒng)是一種基于IMS架構(gòu)的軟交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并不支持3GPP MCX相關(guān)規(guī)范和接口協(xié)議。因此，兩系統(tǒng)間的互聯(lián)互通接口技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)線調(diào)度與有線調(diào)度互聯(lián)互通的關(guān)鍵。

針對(duì)該問(wèn)題，在MCX關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)研發(fā)了相應(yīng)的接口網(wǎng)關(guān)單元，用于實(shí)現(xiàn)會(huì)話控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換。通過(guò)SIP-R協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與有線側(cè)多媒體數(shù)調(diào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，保障了無(wú)線側(cè)與有線側(cè)的多媒體調(diào)度通信服務(wù)。

3.3 重載鐵路特色調(diào)度通信技術(shù)

既有鐵路群組通信大都基于位置范圍設(shè)定，即在特定位置才能進(jìn)行組呼。根據(jù)需求分析，以靖神鐵路為代表的重載鐵路，除了常見(jiàn)的調(diào)度通信功能需求外，還迫切地需要支持重聯(lián)組呼和臨時(shí)組呼等便于用戶自定義的組呼功能，這些組呼不受地域位置限制。

重聯(lián)組呼主要用于解決多機(jī)牽引時(shí)，各列車之間的通信問(wèn)題，即重聯(lián)列車中的所有列車都可加入同一個(gè)重聯(lián)組中，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)均可進(jìn)行組呼通信，不受地域位置限制。

臨時(shí)組呼主要用于解決用戶臨時(shí)群組通信問(wèn)題，如當(dāng)執(zhí)行同一個(gè)任務(wù)的多個(gè)用戶需要群組通信時(shí)，則可通過(guò)臨時(shí)組呼來(lái)實(shí)現(xiàn)。臨時(shí)組呼支持用戶創(chuàng)建、刪除、加入、退出、查詢等操作，便于用戶靈活使用。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證靖神鐵路MCX多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的性能，2020年9月初在靖神鐵路線孟家灣車站(K66+460)至黃蒿界車站(K214+410)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。動(dòng)態(tài)測(cè)試內(nèi)容主要包括：語(yǔ)音呼叫(移動(dòng)終端呼固定終端、移動(dòng)終端呼移動(dòng)終端)、車站基站區(qū)組呼(移動(dòng)終端發(fā)起)、緊急呼叫(移動(dòng)終端發(fā)起)、視頻呼叫(移動(dòng)終端呼固定終端、移動(dòng)終端呼移動(dòng)終端)。

動(dòng)態(tài)測(cè)試采用鐵路通信FESAMES檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。由FESAMES系統(tǒng)控制車載臺(tái)CIR發(fā)起各類測(cè)試呼叫，并采集統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果。

圖3 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 性能指標(biāo)

為了驗(yàn)證調(diào)度通信系統(tǒng)的性能，主要統(tǒng)計(jì)和分析的關(guān)鍵指標(biāo)包括呼叫建立時(shí)間和呼叫建立失敗概率[21]。

(1)呼叫建立時(shí)間

呼叫建立時(shí)間是指從呼叫發(fā)起到呼叫建立成功之間的時(shí)間間隔，是調(diào)度通信業(yè)務(wù)的重要指標(biāo)，計(jì)算方法如下

Ts=tstart-tsucc

(1)

式中，Ts為呼叫建立時(shí)間；tstart為呼叫發(fā)起時(shí)刻；tsucc為呼叫建立成功時(shí)刻。

按照標(biāo)準(zhǔn)，一般主要統(tǒng)計(jì)95%和99%情況下的呼叫建立時(shí)間和百分比。呼叫建立時(shí)間百分比計(jì)算方法如下

(2)

式中，Pt

(2)呼叫建立失敗概率

呼叫建立失敗概率是不成功的呼叫建立次數(shù)與呼叫嘗試總次數(shù)的比值，計(jì)算公式如下

(3)

式中，Pf為呼叫建立失敗概率；Nf為呼叫建立失敗的次數(shù)；Na為總呼叫次數(shù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、處理和分析，靖神鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果如下，其中，標(biāo)準(zhǔn)值為現(xiàn)行GSM-R系統(tǒng)規(guī)定的指標(biāo)要求。

(1)車載臺(tái)CIR語(yǔ)音呼叫FAS臺(tái)

如表1所示，車載臺(tái)CIR語(yǔ)音呼叫FAS臺(tái)收集樣本數(shù)為711個(gè)，呼叫建立時(shí)間平均值為994 ms，95%統(tǒng)計(jì)值為1 756 ms，99%統(tǒng)計(jì)值為2 367 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表1 移動(dòng)終端語(yǔ)音呼叫固定終端結(jié)果對(duì)比

(2)車載臺(tái)CIR語(yǔ)音呼叫手持臺(tái)

如表2所示，車載臺(tái)CIR語(yǔ)音呼叫手持臺(tái)收集樣本數(shù)為418個(gè)，呼叫建立時(shí)間平均值為388 ms，95%統(tǒng)計(jì)值為530 ms，99%統(tǒng)計(jì)值為737 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表2 移動(dòng)終端語(yǔ)音呼叫移動(dòng)終端結(jié)果對(duì)比

(3)車站基站區(qū)組呼

如表3所示，車載臺(tái)CIR發(fā)起的車站基站區(qū)210組呼收集樣本數(shù)為124個(gè)，呼叫建立時(shí)間平均值為340 ms，95%統(tǒng)計(jì)值為458 ms，99%統(tǒng)計(jì)值為552 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表3 車站基站區(qū)組呼結(jié)果對(duì)比

(4)緊急呼叫

如表4所示，車載臺(tái)CIR發(fā)起的緊急呼叫299組呼收集樣本數(shù)為546個(gè)，呼叫建立時(shí)間平均值為444 ms，95%統(tǒng)計(jì)值為734 ms，99%統(tǒng)計(jì)值為914 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表4 緊急呼叫結(jié)果對(duì)比

(5)車載臺(tái)CIR視頻呼叫FAS臺(tái)

如表5所示，車載臺(tái)CIR視頻呼叫FAS臺(tái)收集樣本數(shù)為1 055個(gè)，呼叫建立時(shí)間平均值為393 ms，95%統(tǒng)計(jì)值為937 ms，99%統(tǒng)計(jì)值為2 322 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表5 移動(dòng)終端視頻呼叫固定終端結(jié)果對(duì)比

(6)車載臺(tái)CIR視頻呼叫手持臺(tái)

如表6所示，車載臺(tái)CIR視頻呼叫手持臺(tái)收集樣本數(shù)為698個(gè)，呼叫建立時(shí)間平均值為409 ms，95%統(tǒng)計(jì)值為654 ms，99%統(tǒng)計(jì)值為1 061 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表6 移動(dòng)終端視頻呼叫移動(dòng)終端結(jié)果對(duì)比

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，MCX調(diào)度通信系統(tǒng)不僅能夠提供語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等多媒體調(diào)度通信功能，而且在呼叫建立時(shí)間和呼叫建立失敗概率等關(guān)鍵指標(biāo)方面均優(yōu)于既有標(biāo)準(zhǔn)值。此外，以上動(dòng)態(tài)測(cè)試均在默認(rèn)承載下進(jìn)行，且車載臺(tái)CIR均使用便攜式棒狀天線，如果使用車頂天線，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果更優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)MCX多媒體調(diào)度通信技術(shù)在重載鐵路的應(yīng)用進(jìn)行研究，以靖神鐵路為例，分析了重載鐵路對(duì)調(diào)度通信業(yè)務(wù)的全新需求；闡釋了MCX多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)；開展了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試，結(jié)果表明，該調(diào)度通信系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)多媒體調(diào)度功能，而且在呼叫建立時(shí)間和呼叫建立失敗概率等關(guān)鍵指標(biāo)方面均優(yōu)于既有標(biāo)準(zhǔn)值。

靖神鐵路MCX多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的工程實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)鐵路自主研發(fā)的基于MCX技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)度通信的首次落地應(yīng)用，為鐵路下一代調(diào)度通信技術(shù)的發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。