鐵路5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)研究

肖正杰，張 亮，孫 迪

（通號(hào)通信信息集團(tuán)上海有限公司，上海 200071）

1 鐵路5G-R標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

為滿(mǎn)足鐵路數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要，考慮GSM-R產(chǎn)品的生命周期，國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）計(jì)劃到2030年將GSM-R逐步過(guò)渡到下一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，并于2016年3月發(fā)布未來(lái)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)（Future Railway Mobile Communication System，F(xiàn)RMCS）用戶(hù)需求規(guī)范。同年3GPP工作組SA1開(kāi)始著手研究該用戶(hù)需求規(guī)范，并完成R14標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備功能的差距分析，并將這些差距列為3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)中的研究工作。在R15、R16標(biāo)準(zhǔn)中，3GPP SA6分別完成了第一、第二階段鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，并確定了FRMCS需求與第二階段任務(wù)關(guān)鍵業(yè)務(wù)規(guī)范之間的差距。在R17標(biāo)準(zhǔn)中，將完成第三階段鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，改善FRMCS的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，完成鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的差距分析。在R18標(biāo)準(zhǔn)中，將進(jìn)行鐵路智能客站服務(wù)、鐵路通信系統(tǒng)互連及遷移方面的研究。

2 5G-R與GSM-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)的主要區(qū)別

語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)是保證鐵路行車(chē)安全和運(yùn)輸安全的重要支撐系統(tǒng)，主要用于鐵路沿線(xiàn)工作人員的內(nèi)部語(yǔ)音通信。因此，鐵路從GSM-R演進(jìn)到5G-R時(shí)，5G-R也必須支持現(xiàn)有的語(yǔ)音調(diào)度通信功能。GSM-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)屬于數(shù)字窄帶通信系統(tǒng)，核心技術(shù)是在GSM電路交換的基礎(chǔ)上，疊加組呼VGCS、廣播VBS、優(yōu)先級(jí)搶占eMLPP等鐵路專(zhuān)用功能，滿(mǎn)足鐵路語(yǔ)音調(diào)度通信業(yè)務(wù)的需求。5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)則屬于寬帶通信系統(tǒng)，其核心是基于業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)承載分離的理念，利用5G實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的IP承載和移動(dòng)性管理，基于端到端全I(xiàn)P交換的技術(shù)，在業(yè)務(wù)層利用MCPTT技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音呼叫流程，實(shí)現(xiàn)鐵路移動(dòng)語(yǔ)音調(diào)度通信功能。因此，從GSM-R演進(jìn)到5G-R，對(duì)鐵路語(yǔ)音調(diào)度通信業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)是一次巨大的技術(shù)變革，5G-R與GSM-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)的主要區(qū)別如表1所示。

表1 5G-R與GSM-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)的主要區(qū)別Tab.1 The main differences between 5G-R and GSM-R voice dispatching communication systems

3 5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

3GPP對(duì)基于LTE/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵任務(wù)(Mission Critical，MC)通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量研究，并將MC通信業(yè)務(wù)從關(guān)鍵任務(wù)語(yǔ)音通信（Mission Critical Push To Talk，MCPTT） 拓展到關(guān)鍵任務(wù)視頻通信(Mission Critical Video，MCVideo）和關(guān)鍵任務(wù)短消息通信（Mission Critical Data，MCData）。 在 R13時(shí)，3GPP提出基于組呼業(yè)務(wù)使能器(Group Communication Service Enabler，GCSE)的基于 LTE的 MCPTT架構(gòu)，用于寬帶多媒體集群業(yè)務(wù)的發(fā)展；目前3GPP在R17中正在研究基于5G的MCX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也將基于現(xiàn)有的MCPTT體系架構(gòu)，并做好與5G系統(tǒng)的適配。

5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)將基于3GPP 5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鐵路的功能號(hào)業(yè)務(wù)等特殊應(yīng)用需求，對(duì)5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定制化改造來(lái)實(shí)現(xiàn)。其總體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于5G-R的語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 5G-R voice dispatching communication system architecture

5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)主要包括如下網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。

MCPTT服務(wù)實(shí)體：通過(guò)集成的MCPTT服務(wù)器、SIP CORE，為用戶(hù)提供集群語(yǔ)音業(yè)務(wù)功能，包括語(yǔ)音各類(lèi)呼叫控制、話(huà)權(quán)控制、媒體面處理、優(yōu)先級(jí)搶占、配置管理、身份管理、群組管理、秘鑰管理等，也包含SIP域的注冊(cè)、業(yè)務(wù)選擇和信令路由功能。

5G-R核心網(wǎng)：主要為移動(dòng)用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)接入控制、注冊(cè)和連接管理、空閑態(tài)移動(dòng)性管理、會(huì)話(huà)管理、QoS管理、網(wǎng)絡(luò)切片、負(fù)載控制和應(yīng)用業(yè)務(wù)承載等功能。

5G-R基站：完成5G基站側(cè)的L1/L2/L3功能，包括無(wú)線(xiàn)資源管理、承載控制、連接態(tài)移動(dòng)性控制、無(wú)線(xiàn)接入控制和無(wú)線(xiàn)資源調(diào)度。

終端：實(shí)現(xiàn)5G終端側(cè)L1/L2/L3/NAS層的功能，內(nèi)置MCPTT客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的呼叫控制、話(huà)權(quán)控制、媒體收發(fā)、業(yè)務(wù)呈現(xiàn)及用戶(hù)相關(guān)管理。

在此架構(gòu)中，5G核心網(wǎng)和5G基站作為承載管道對(duì)上層應(yīng)用提供基于全I(xiàn)P的業(yè)務(wù)，保證承載的可靠性，MCPP服務(wù)器和客戶(hù)端配合實(shí)現(xiàn)呼叫業(yè)務(wù)流程。

3.2 協(xié)議棧

在5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)中，協(xié)議棧主要涉及5G網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議棧和業(yè)務(wù)應(yīng)用層的MCPTT協(xié)議棧。MCPTT的控制面和用戶(hù)面的數(shù)據(jù)都承載在5G網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)面，控制面的信令交互主要采用SIP/SDP協(xié)議，在5G網(wǎng)絡(luò)中使用5QI為69的資源承載，即表示承載資源的類(lèi)型為Non-GBR(不提供最低的傳輸比特速率保證)，默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)為5，分組時(shí)延預(yù)算為60 ms，包錯(cuò)誤率小于10-6；用戶(hù)面的語(yǔ)音數(shù)據(jù)以RTP數(shù)據(jù)包的形式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，在5G網(wǎng)絡(luò)中使用5QI為65的資源承載，即表示承載資源的類(lèi)型為GBR(保證傳輸比特速率)，默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)為7，分組時(shí)延預(yù)算為75 ms，包錯(cuò)誤率小于10-2)。各類(lèi)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)各網(wǎng)元協(xié)議棧中的承載情況如圖2所示。

圖2 基于5G-R的語(yǔ)音調(diào)度通信協(xié)議棧Fig.2 5G-R voice dispatching communication protocol stack

3.3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括5G技術(shù)和MCPTT技術(shù)。其中5G相關(guān)技術(shù)主要由終端側(cè)基帶芯片和5G-R網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，MCPTT技術(shù)主要由終端側(cè)的客戶(hù)端和MCPTT服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。

圖3 5G-R的語(yǔ)音調(diào)度通信關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)Fig.3 Key technology implementation of 5G-R voice dispatching communication

MCPTT+SIPCore系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的SIP/HTTP等協(xié)議技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)關(guān)鍵語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)的相關(guān)呼叫流程和用戶(hù)管理；媒體面主要用RTP/RTCP等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音流的控制、語(yǔ)音編解碼轉(zhuǎn)換及混合、語(yǔ)音流的收發(fā)。

對(duì)于5G-R網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，除實(shí)現(xiàn)5G無(wú)線(xiàn)側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的核心技術(shù)外，還需實(shí)現(xiàn)MCPTT業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)N5接口與5G網(wǎng)絡(luò)的PCF通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)會(huì)話(huà)業(yè)務(wù)端到端的QoS控制，保證語(yǔ)音業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量。

UE側(cè)需利用5G終端芯片提供的網(wǎng)絡(luò)能力，對(duì)會(huì)話(huà)業(yè)務(wù)的QoS控制流程進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，并在IP層之上實(shí)現(xiàn)MCPTT協(xié)議定義的相關(guān)呼叫和管理流程，在媒體面實(shí)現(xiàn)AMR-WB的語(yǔ)音編解碼功能，同時(shí)考慮基于各類(lèi)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口相關(guān)功能。

3.4 MCPTT語(yǔ)音呼叫性能要求

影響MCPTT通話(huà)質(zhì)量的因素有很多，如協(xié)議選擇、最小化消息傳遞、承載技術(shù)選擇、合適的網(wǎng)絡(luò)部署等?？紤]這些因素，3GPP定義了MCPTT語(yǔ)音呼叫性能要求。

MCPTT接入時(shí)間(KPI1)不包括用戶(hù)加入組的時(shí)間，定義為從MCPTT用戶(hù)通過(guò)按終端上的PTT請(qǐng)求說(shuō)話(huà)，到該用戶(hù)獲得網(wǎng)絡(luò)的話(huà)權(quán)指示之間的時(shí)間，此時(shí)間不包括被叫用戶(hù)的確認(rèn)。

端到端MCPTT接入時(shí)間（KPI2）定義為從MCPTT用戶(hù)通過(guò)按終端上的PTT請(qǐng)求說(shuō)話(huà)，到該用戶(hù)獲得網(wǎng)絡(luò)的話(huà)權(quán)指示之間的時(shí)間，此時(shí)間包括被叫用戶(hù)的呼叫建立和確認(rèn)時(shí)間。

口-耳延遲（KPI3）定義為發(fā)送用戶(hù)發(fā)出的語(yǔ)音與接收用戶(hù)揚(yáng)聲器回放該語(yǔ)音之間的時(shí)間。MCPTT時(shí)延指標(biāo)如圖4所示。

圖4 MCPTT時(shí)延指標(biāo)KPI1/KPI2/KPI3Fig.4 MCPTT delay indexes KPI1/KPI2/KPI3

遲后進(jìn)入時(shí)間（KPI4）用于組呼中用戶(hù)遲后進(jìn)入的場(chǎng)景，即用戶(hù)加入組通話(huà)時(shí)，已有正在進(jìn)行的語(yǔ)音傳輸。KPI4定義為用戶(hù)決定監(jiān)控正在進(jìn)行的MCPTT組呼，到用戶(hù)揚(yáng)聲器回放該語(yǔ)音的時(shí)間。MCPTT時(shí)延性能指標(biāo)如圖5所示。

圖5 MCPTT時(shí)延性能指標(biāo)KPI4Fig.5 MCPTT delay index KPI4

3GPP對(duì)行業(yè)用戶(hù)進(jìn)行調(diào)研分析后，最終提出行業(yè)關(guān)鍵任務(wù)通信中MCPTT語(yǔ)音業(yè)務(wù)的性能要求，具體如表2所示。

表2 MCPTT語(yǔ)音呼叫性能要求Tab.2 MCPTT voice call performance requirements

4 總結(jié)

鐵路行業(yè)是3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)中重點(diǎn)關(guān)注的行業(yè)之一，隨著鐵路行業(yè)與通信的不斷融合發(fā)展，5G-R標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)加速完善，以逐步替代GSM-R系統(tǒng)，滿(mǎn)足鐵路行業(yè)信息發(fā)展需要。5G-R語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)通過(guò)采用5G和MCPTT等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)端到端的全I(xiàn)P移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的解耦，將靈活適配未來(lái)鐵路豐富的調(diào)度管理需要。