eCALL 技術(shù)原理及信令流程探討

［關(guān)丹竹 杜春生］

1 引言

eCALL（Emergency-CALL，緊急呼叫)是一種車輛事故緊急呼叫系統(tǒng)，使用移動(dòng)通信和衛(wèi)星定位功能，在發(fā)生交通事故后，與最近的救援中心的統(tǒng)一號(hào)碼（如歐盟的112）建立電話連接，除語音通話之外，車載eCALL 系統(tǒng)還上報(bào)事故位置和車輛等信息。eCALL 基本理念是縮短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，減少傷亡等事故。從20 世紀(jì)90 年代開始，汽車?yán)镪懤m(xù)裝備了基于2G、3G 和4G 的移動(dòng)通信設(shè)備和eCALL 車載系統(tǒng)，在車輛發(fā)生事故時(shí)，eCALL 車載系統(tǒng)可自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警或者乘員選擇手動(dòng)報(bào)警，在建立語音通話的同時(shí)，將車輛位置、行駛方向、車架號(hào)和車型、乘員數(shù)量等信息發(fā)送給救援中心，使得救援中心能夠快速定位事故車輛并組織救援。

2018 年4 月1 日起，在歐盟銷售的所有新車都被強(qiáng)制要求配備eCALL 設(shè)備，日本也在2019 年將eCALL 納入J-NCAP(日本的專業(yè)汽車安全測(cè)試機(jī)構(gòu))評(píng)價(jià)，其他地區(qū)如中東、俄羅斯也相繼提出類似要求。我國(guó)還沒有強(qiáng)制執(zhí)行緊急救援的計(jì)劃，2018 年1 月工信部網(wǎng)站首次公開征集對(duì)《車載事故緊急呼叫系統(tǒng)》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目的意見；2020 年發(fā)布了相關(guān)eCALL 標(biāo)準(zhǔn)系列如《基于公眾電信網(wǎng)的車載報(bào)警系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)要求》、《基于公眾電信網(wǎng)的車載緊急報(bào)警系統(tǒng) 基于IMS 的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)要求》等；2022 年3 月，工信部發(fā)布2022 年汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)，啟動(dòng)車載事故緊急呼叫系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)研制立項(xiàng)。在不久的將來，我們將迎來自己的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。[1～3]

2 eCALL 的系統(tǒng)構(gòu)成及簡(jiǎn)要流程

如圖1 所示，eCALL 系統(tǒng)單元通常由車載系統(tǒng)IVS、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、救援派遣平臺(tái)三部分組成。事故發(fā)生時(shí)，eCALL 的觸發(fā)方式有兩種：其一是車輛發(fā)生碰撞致使安全氣囊彈出時(shí)自動(dòng)觸發(fā)；另外是手動(dòng)觸發(fā)，通過車內(nèi)eCALL 按鈕觸發(fā)或語音呼叫觸發(fā)。

圖1 eCALL 系統(tǒng)構(gòu)成

IVS（The in-vehicle system，車載系統(tǒng)），包括了傳感器、檢測(cè)到事故后的自動(dòng)觸發(fā)或者手動(dòng)按SOS 按鍵觸發(fā)緊急呼叫進(jìn)行報(bào)警。

MNO（Mobile network operators,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商）支持電路域語音業(yè)務(wù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可通過緊急呼叫建立消息中攜帶的“eCALL flag”標(biāo)志識(shí)別eCALL 呼叫，并將呼叫路由到最合適的救援平臺(tái)。

PSAP（Public safety answering point，公共安全應(yīng)答點(diǎn)），是專門處理eCALL 的節(jié)點(diǎn)（救援平臺(tái)），PSAP 通過帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器和IVS連接，接收與事故相關(guān)的MSD（Minimum set of data，最小數(shù)據(jù)集）數(shù)據(jù)。[4]

當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)，eCALL 車載系統(tǒng)上電并初始化，IVS完成網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)。事故發(fā)生后，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)eCALL 發(fā)起緊急呼叫。運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)通過終端發(fā)起的呼叫建立消息中攜帶的“eCALL flag”識(shí)別為eCALL 類型的緊急呼叫，移動(dòng)網(wǎng)將此呼叫路由到eCALL 對(duì)應(yīng)的PSAP，建立IVS 和PSAP 的連接。隨后IVS 觸發(fā)eCALL MSD 傳輸，目前采用的是In-band Modem 帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)傳送MSD，使用帶內(nèi)調(diào)制技術(shù)將最小數(shù)據(jù)集（MSD）時(shí)分復(fù)用和調(diào)制到數(shù)字語音通帶，然后通過2G/3G 話音通道傳送到PSAP，傳遞的信息中含重要的信息，包括車輛類型、車輛位置、觸發(fā)時(shí)間等等。MSD 消息傳送完畢或傳送失敗超時(shí)后，自動(dòng)切換到通話模式，PSAP 救護(hù)員可以和呼救人建立語音通話。[5]

3 eCALL 技術(shù)原理及信令流程

前文論述eCALL 的簡(jiǎn)要流程，接下來分別介紹為實(shí)現(xiàn)eCALL 功能的重要技術(shù)步驟，包括呼叫建立過程、呼叫建立完成后傳送MSD 的帶內(nèi)傳輸技術(shù)、MSD 傳輸和通話voice 的協(xié)同技術(shù)，以及更深層次解讀IVS 和PSAP 之間鏈路層和應(yīng)用層信令交互。

3.1 eCALL 呼叫建立流程

eCALL 的呼叫建立流程包括兩個(gè)部分，其一是移動(dòng)網(wǎng)通用流程，另一是移動(dòng)網(wǎng)呼叫控制流程。通用流程即鑒權(quán)、位置更新后連接管理、安全加密等，如圖2 所示，車載系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)后，IVS 向基站BSS 發(fā)送連管理服務(wù)請(qǐng)求，BSS 將請(qǐng)求發(fā)送到MSC,MSC 向VLR 發(fā)送接入請(qǐng)求，VLR 判斷用戶權(quán)限等操作后向VLR 進(jìn)行用戶的鑒權(quán)，網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)及用戶的鑒權(quán)成功后進(jìn)行安全加密。

圖2 eCALL 呼叫建立流程

通用流程完成后，是呼叫控制流程的建立過程，作為緊急呼叫，IVS 發(fā)起Emergency setup 請(qǐng)求，其中攜帶eCALL flag 標(biāo)志；VMSC 確認(rèn)允許緊急呼叫接續(xù)后指示BSS 向IVS 分配無線信道資源；分配成功后，VMSC 根據(jù)flag 識(shí)別為eCALL 呼叫，通過交換網(wǎng)將話務(wù)路由至支持eCALL 的 PSAP。話路建立完成后，才會(huì)開始MSD 的交互和傳輸。

3.2 eCALL MSD 傳輸技術(shù)

3.2.1 eCALL 帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)技術(shù)

呼叫建立完成，開始MSD 最小數(shù)據(jù)集的傳輸，在eCALL 緊急呼叫中，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，話路中傳送的的是“話音”，為實(shí)現(xiàn)在話音的話路中傳輸MSD 最小數(shù)據(jù)集，傳輸采用的是帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)的技術(shù)。

如圖3 所示，eCALL 的帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器是由IVS 和PSAP 的發(fā)射器和接收器組成的全雙工Modem 對(duì)。IVS 的結(jié)構(gòu)上包含了Radio Modem 和Speech Codec 語音編碼器，話路建立完成之后，傳送系統(tǒng)連接到IVS 的 無線Modem上，并串接Speech Codec 語音編碼器，語音編碼器均開關(guān)可選擇連通IVS Data Modem 或者是麥克風(fēng)通話，這兩種輸入對(duì)于語音信道而言是同樣處理的，由IVS 控制話路中的傳送內(nèi)容是MSD 數(shù)據(jù)還是語音。

圖3 eCALL 帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)技術(shù)

在PSAP 端，也有開關(guān)可選擇連通Data Modem 或者是麥克風(fēng),實(shí)現(xiàn)接收MSD 或者和工作人員通話。具體傳送的是MDS 數(shù)據(jù)還是話音，有軟件控制的開關(guān)實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)初始連接是Data Mode。

通常情況下，事故發(fā)生后自動(dòng)或者手動(dòng)發(fā)起eCALL呼叫,IVS 的語音編解碼器連接 Data Modem，觸發(fā)eCALL MSD 傳輸，傳送完成后語音編碼器連接麥克風(fēng)可轉(zhuǎn)為語音通話；在通話期間，如果PSAP 要求額外的MSD 數(shù)據(jù)，可隨時(shí)通過指令通知IVS 傳送最新MSD，傳送結(jié)束后亦可再次轉(zhuǎn)為語音通話。

3.2.2 MSD 傳輸與voice 的協(xié)同

IVS 和PSAP 系統(tǒng)中有Data Modem 及話筒，Modem和話筒之間什么時(shí)候切換，是通過軟件進(jìn)行控制的，是需要協(xié)同的。

MSD 傳輸與voice 的協(xié)同原理如圖4 所示，首先，步驟一至三eCALL 呼叫建立流程前文已經(jīng)詳細(xì)論述。通路建立完成后，第四步是帶內(nèi)Modem 傳輸MSD 數(shù)據(jù)。第五步、PSAP 成功接收到到MSD 后，PSAP 通過帶內(nèi)Modem 發(fā)送AL-ACK 應(yīng)用層確認(rèn)指令到IVS，如果取值為“positive” 則轉(zhuǎn)人工語音通話，如果取值為“cleardown” 則直接掛機(jī)結(jié)束會(huì)話。第六步、若上一步ALACK=positive，則轉(zhuǎn)為人工語音通話，車內(nèi)乘員與PSAP工作人員溝通事故狀況及救援事項(xiàng)等。最后通話結(jié)束，呼叫釋放。

圖4 MSD 傳輸與voice 的協(xié)同

語音通話過程中，IVS Modem 持續(xù)監(jiān)聽信道信號(hào)，PSAP 工作人員可以根據(jù)需要，隨時(shí)指示IVS 發(fā)送最新的MSD，重新啟動(dòng)上述步驟四及步驟五。

3.2.3 eCALL MSD 傳輸信令流程

接下來更詳細(xì)的論述IVS 和PSAP 之間的調(diào)制解調(diào)器之間的交互。包括鏈路層和應(yīng)用層的信息交互。[6]

如圖5 所示，語音通道建立之后，下行方向，PSAP發(fā)送ISUP ANM 應(yīng)答消息后，立即指示Modem 向IVS 發(fā)送NEC tone，IVS 收到該信號(hào)后，將回聲抑制器disable；在鏈路層，發(fā)送完NEC tone 后，上行方向，IVS 收到摘機(jī)應(yīng)答消息后，立即指示modem 向PSAP 發(fā)送initiation同步信號(hào)。

圖5 MSD 鏈路層和應(yīng)用層的信息交互

PSAP 收到initiation，鎖定上行鏈路同步，立即發(fā)送SEND-MSD，指示IVS 發(fā)送MSD 信息；IVS 收到SENDMSD，鎖定下行鏈路同步，立即發(fā)送MSD 數(shù)據(jù)信息；PSAP 對(duì)上行MSD 進(jìn)行同步，解碼并核對(duì)CRC 循環(huán)校驗(yàn)；CRC 校驗(yàn)通過后，PSAP 發(fā)送鏈路層LL-ACK，LL-ACK確認(rèn)物理層正確解碼，表示MSD 信息已正確接收。

IVS 收到LL-ACK，停止MSD 傳輸；PSAP 檢查應(yīng)用層數(shù)據(jù)，如果內(nèi)容格式正確，發(fā)送AL-ACK=positive，并轉(zhuǎn)為人工語音通話；IVS 收到AL-ACK=positive，也轉(zhuǎn)為語音通話。

在這個(gè)交互流程，PSAP 發(fā)送鏈路層LL-ACK，表示正常接收MSD 信息，應(yīng)用層的AL-ACK 則用來指示MDS 的內(nèi)容格式是否正確。[7]

4 eCALL 的演進(jìn)

普通的 eCALL 是針對(duì)2/3G 的電路域緊急呼叫開發(fā)的技術(shù)，隨著4G LTE 網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)得到廣泛部署，未來運(yùn)營(yíng)商可能逐步淘汰電路域網(wǎng)絡(luò)，eCALL 也需要與時(shí)俱進(jìn)，升級(jí)到基于IMS 緊急呼叫的下一代eCALL，即NG-eCALL。

4.1 NG-eCALL 介紹

對(duì)比普通的 eCALL，NG-eCALL 能有效支持IVS 和同一個(gè)PSAP 間語音和分組數(shù)據(jù)的并發(fā)，利用IMS 支持緊急呼叫業(yè)務(wù)的能力，NG-eCALL 可以大大縮短呼叫建立的時(shí)延；并且支持VoLTE 語音和數(shù)據(jù)的并發(fā)，可以在遠(yuǎn)程救援期間獲取現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的圖像和音頻信息。

NG-eCALL 的系統(tǒng)架構(gòu)中，主要網(wǎng)元包括支持基于IMS 緊急呼叫的蜂窩網(wǎng)絡(luò)、支持NG-eCALL 功能的IVS（車載臺(tái)）和支持NG-eCALL 功能的PSAP（公共安全應(yīng)答點(diǎn)，即救援平臺(tái)）。

如圖6 所示，車載系統(tǒng)IVS 通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)起緊急呼叫；拜訪地網(wǎng)絡(luò)通過IMS 建立至PSAP 的路由，其中包含SIP/IP 信令路由和媒體路由，其中媒體路由傳送話音信息；MSD 信息通過SIP 信令消息發(fā)送到PSAP，信令路由和媒體路由相對(duì)獨(dú)立，語音媒體路由不受MSD 傳輸?shù)闹袛嗷蛴绊?。?G/6G 時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也是類似的，只是會(huì)有網(wǎng)元的更替，例如，gNB 取代了eNB，UPF 取代了SGW 等，IMS 核心網(wǎng)絡(luò)不變。

圖6 NG-eCALL 系統(tǒng)構(gòu)成

4.2 NG-eCALL IMS 緊急呼叫流程

如圖7 在NG-eCALL 呼叫流程中，第一步，終端輸入112，發(fā)起NG-eCALL 呼叫；第二步，由于緊急呼叫優(yōu)先級(jí)較高，終端若有正在進(jìn)行的IMS 普通呼叫，則釋放當(dāng)前會(huì)話；第三步，如果終端沒有附著/登記在當(dāng)前4G、5G 網(wǎng)絡(luò)，則發(fā)起緊急附著或者登記；第四步，終端發(fā)起緊急承載請(qǐng)求，為將要進(jìn)行的IMS緊急呼叫建立默認(rèn)承載；第五步，終端從緊急承載建立過程中獲取P-CSCF 地址；第六步，終端發(fā)起IMS 緊急注冊(cè)；第七步，終端發(fā)起后續(xù)IMS 緊急會(huì)話，建立到PSAP 的連接。在此呼叫流程過程中，最后一步才是發(fā)起真正緊急呼叫的請(qǐng)求，建立連接。

圖7 NG-eCALL 呼叫流程

4.3 NG-eCALL 通話建立及MSD 數(shù)據(jù)傳輸

如圖8 所示，第一步，首先根據(jù)4/5G 基站廣播支持eCALL 的指示“eCALL supported”，若支持則域選IMS網(wǎng)絡(luò)，終端發(fā)起緊急呼叫，執(zhí)行上述附圖7 呼叫流程的第一到第六步，完成附著/登記、建立默認(rèn)承載、獲取P-CSCF 地址并發(fā)起IMS 緊急注冊(cè)。第二步，終端發(fā)起SIP INVITE 信令建立IMS 緊急會(huì)話，其中request uri 為urn:service:sos.eCALL.automatic 或urn:service:sos.eCALL.manual，標(biāo)識(shí)eCALL 是自動(dòng)觸發(fā)或者手動(dòng)觸發(fā)，并且消息中body 部分?jǐn)y帶初始MSD。第三步，IMS core 根據(jù)request uri 將invite 會(huì)話路由到NG-PSAP，PSAP 返回200 OK，其中body 部分?jǐn)y帶MSD Ack，表示接收到的MSD數(shù)據(jù)正常；若接收到的MSD 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則body 部分?jǐn)y帶MSD Nack。IMS core 將200 OK 消息送回終端，告知終端NG-PSAP 是否正常收到MSD 數(shù)據(jù)。第四步，信令交互完成，MSD 傳送完成，完成緊急會(huì)話建立，在會(huì)話建立過程中，在傳送MSD 的同時(shí)語音媒體路由也成功建立。[8]

圖8 NG-eCALL MSD 數(shù)據(jù)傳輸流程

若基站廣播“eCALL supported”指示為“不支持”，則選擇CS 域建立2/3G eCALL，此時(shí)需要通話建立完成后，才進(jìn)行MSD 的傳送，MSD 傳送完后進(jìn)行通話；NGeCALL 在通話建立的信令中攜帶MSD，通話建立后立刻可以實(shí)現(xiàn)通話，是并行的過程，這是NG-eCALL 和2/3G eCALL 最顯著的區(qū)別。

上述流程我們討論的是拜訪地運(yùn)營(yíng)商是IMS 網(wǎng)絡(luò)，并且PSAP 支持NG-eCALL，若僅是CS-PSAP，不支持SIP 信令，如圖9 所示。4/5G 基站廣播“eCALL supported”，判斷網(wǎng)絡(luò)支持NG-eCALL，通知終端發(fā)起SIP INVITE 信令建立IMS 緊急會(huì)話；由于PSAP 僅支持CS 接入，IMS core 將invite 會(huì)話通過MGCF/MGW 將invite 轉(zhuǎn)換為IAM 信令，將會(huì)話路由到合適的PSAP，此時(shí)IAM 信令無法攜帶MSD 信息。由于終端在之前的INVITE 中沒有攜帶MSD，或者攜帶了MSD，但收不到MSD Ack 確認(rèn)信息，如附圖中的第四步，終端完成了與PSAP VoLTE 緊急呼叫連接，最后再通過帶內(nèi)modem 方式傳送MSD。

圖9 PSAP 不支持IMS 接入的NG-eCALL MSD數(shù)據(jù)傳輸流程

對(duì)于IMS 緊急呼叫，根據(jù)PLMN 網(wǎng)絡(luò)對(duì)eCALL 的支持情況，與PSAP 之間的交互情況，可以通過SIP 信令傳送MSD，或通過帶內(nèi)modem 方式傳送MSD。

6 結(jié)束語

隨著eCALL 技術(shù)不斷完善和普及，eCALL 業(yè)務(wù)在全球得到規(guī)模應(yīng)用，更多人享受其帶來的便利和安全性，產(chǎn)生了積極的影響?，F(xiàn)在，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛部署，許多運(yùn)營(yíng)商也已經(jīng)或計(jì)劃部署VoLTE，并且歐美運(yùn)營(yíng)商在VoLTE 上支持基于IMS 的緊急呼叫。

NG-eCALL 的部署主要依賴于VoLTE 和IMS 緊急呼叫的成功實(shí)施和廣泛覆蓋，可預(yù)計(jì)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，還需In-band Modem eCALL，隨著2/3G CS 網(wǎng)絡(luò)的逐漸淘汰，IVS 逐步遷移到雙模式，網(wǎng)絡(luò)和PSAP 需要支持eCALL和NG-eCALL 兩種模式，以保障前期部署的eCALL IVS能夠繼續(xù)使用緊急救援服務(wù)。