IMS技術(shù)在鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信方面應(yīng)用的研究

李曉艷

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

目前，鐵路公務(wù)通信主要有語音通信、視頻通信、數(shù)據(jù)通信3 大業(yè)務(wù)類型，不同類型業(yè)務(wù)通過不同網(wǎng)絡(luò)承載，如鐵路公務(wù)通信固定電話網(wǎng)、會議電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等，多網(wǎng)并行運(yùn)行，存在設(shè)備老舊、維護(hù)成本高、使用效率低等問題，極大地限制了新型業(yè)務(wù)的開展與應(yīng)用[1]。隨著我國鐵路裝備現(xiàn)代化水平的不斷提高和智能鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，對鐵路公務(wù)通信提出更高要求。為實(shí)現(xiàn)鐵路通信業(yè)務(wù)語音與數(shù)據(jù)相結(jié)合、日常辦公與應(yīng)急通信相結(jié)合、固定網(wǎng)絡(luò)與移動網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信模式，有必要采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信。

2 鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信功能

國際鐵路聯(lián)盟(International Union of Railways，UIC)的E-Train 項(xiàng)目調(diào)研鐵路公司與列車運(yùn)營商的需求及現(xiàn)狀，歸納整理了超過200 種業(yè)務(wù)需求[2]。根據(jù)我國鐵路自身現(xiàn)狀，多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信的核心需求主要是融合通信網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一通信終端、提升效率、降低成本，即通過構(gòu)建統(tǒng)一、全覆蓋、可擴(kuò)展的通信網(wǎng)絡(luò)，為鐵路提供靈活、便捷、高效、安全的通信手段。能實(shí)現(xiàn)鐵路語音通信、數(shù)據(jù)通信、視頻通信以及鐵路專用業(yè)務(wù)等功能，為鐵路工作人員提供內(nèi)部與外部的公務(wù)聯(lián)絡(luò)，滿足鐵路運(yùn)營、管理需求的綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)，需要實(shí)現(xiàn)的主要業(yè)務(wù)功能如表1 所示。

表1 鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信功能匯總表Tab.1 Railway multi-service communication function summary

3 IMS

隨著IP 技術(shù)的迅猛發(fā)展、寬帶網(wǎng)絡(luò)的逐步建成和多媒體業(yè)務(wù)需求的逐漸增加，傳統(tǒng)的電路交換和軟交換為主的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求。IMS 是IP 多媒體子系統(tǒng)，是一種全新的多媒體業(yè)務(wù)形式，能夠滿足現(xiàn)在的終端客戶更新穎、更多樣化多媒體業(yè)務(wù)的需求。目前，IMS 被認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，也是解決移動與固網(wǎng)融合，引入語音、數(shù)據(jù)、視頻三重融合等差異化業(yè)務(wù)的重要方式[3]。

IMS 提供了基于IP 承載網(wǎng)、以會話初始化協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）為核心控制協(xié)議、與接入無關(guān)的IP 多媒體業(yè)務(wù)控制能力。基于IMS 的交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了語音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)在IP網(wǎng)絡(luò)上的統(tǒng)一承載，可以使用各種接入終端開展業(yè)務(wù)，在不需要改動網(wǎng)絡(luò)的前提下，可以快速靈活部署新業(yè)務(wù)。IMS 技術(shù)，一方面解決了目前軟交換技術(shù)還無法解決的問題，如用戶移動性支持、標(biāo)準(zhǔn)開放的業(yè)務(wù)接口、靈活的IP 多媒體業(yè)務(wù)提供等；另一方面，由于其接入無關(guān)性，也使得IMS 成為固定和移動網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)的基礎(chǔ)。

4 鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信技術(shù)應(yīng)用方案

4.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用IMS 技術(shù)建設(shè)鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信系統(tǒng)，根據(jù)功能不同分為應(yīng)用業(yè)務(wù)層、核心網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)接入層以及運(yùn)營管理層[4]，其中應(yīng)用業(yè)務(wù)層分為基礎(chǔ)業(yè)務(wù)層和鐵路專用業(yè)務(wù)層。IMS 系統(tǒng)之間通過域間通信的方式直接互通，不再有傳統(tǒng)公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（Public Switched Telephone Network，PSTN）的分級組網(wǎng)概念。架構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 采用IMS技術(shù)的鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖Fig.1 Network architecture of railway multi-service unified communication system adopting IMS technology

1）應(yīng)用業(yè)務(wù)層

部署話音服務(wù)器、視頻服務(wù)器、會議服務(wù)器等業(yè)務(wù)服務(wù)器，為接入用戶提供公務(wù)通信基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，以及各種針對特定業(yè)務(wù)應(yīng)用的鐵路專用通信服務(wù)。

2）核心網(wǎng)絡(luò)層

主要是IMS 相關(guān)核心設(shè)備，包括呼叫會話控制功能（Call Session Control Function，CSCF）設(shè)備，歸屬用戶服務(wù)器(Home Subscriber Server，HSS），多媒體資源處理器(Multimedia Resource Function Processor，MRFP）等。主要完成呼叫控制、業(yè)務(wù)觸發(fā)，用戶鑒權(quán)和路由功能。IMS 核心網(wǎng)通過媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(Media Gateway Control Function，MGCF)設(shè)備和信令網(wǎng)關(guān)與No.7 信令網(wǎng)互通，通過媒體網(wǎng)關(guān)與傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)、固定軟交換、移動軟交換(包括時分同步碼分多址接入（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）/寬帶碼分多址接入（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）移動軟交換、cdma2000 傳統(tǒng)終端域（Legacy Mobile Station Domain，LMSD）移動軟交換)互通[5]。

3）業(yè)務(wù)接入層

對于有新業(yè)務(wù)需求的用戶，可配置IP 電話以及裝載專用APP 手機(jī)、電腦，通過鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)或運(yùn)營商的移動虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Dialup Networks，VPDN）接入到多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信系統(tǒng)。對于只有傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)需求的用戶，終端可保持不變。主要完成包括各類SIP 終端SIP 會話的發(fā)起和終結(jié)、完成與傳統(tǒng)PSTN/公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（Public Land Mobile Network，PLMN）間互聯(lián)互通等[7]。

4）運(yùn)營管理層

主要完成業(yè)務(wù)的開銷戶、計(jì)費(fèi)、告警以及性能統(tǒng)計(jì)功能。

4.2 組網(wǎng)方案

1）方案一：各路局建設(shè)IMS

在中國鐵路總公司（簡稱總公司）、18 個鐵路局集團(tuán)公司（簡稱鐵路局）設(shè)置IMS 核心節(jié)點(diǎn)，每個核心節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置2 套核心設(shè)備，形成1+1 異地互備容災(zāi)。核心節(jié)點(diǎn)間利用鐵路骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，承載鐵路系統(tǒng)多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信及管理運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)總公司與鐵路局、鐵路局之間業(yè)務(wù)互通。

根據(jù)辦公需要在總公司、鐵路局機(jī)關(guān)以及各站段、車間、班組設(shè)置固定通信終端，通過局域網(wǎng)和鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接入所在地的鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信系統(tǒng)，對于跨省的鐵路局可以選擇在較大的車站部署MGW 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與公網(wǎng)的直接互通。

開發(fā)基于移動終端的鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信專用軟件（APP），在手機(jī)上下載后，前期通過電信運(yùn)營商提供的VPDN，后期可以通過鐵路LTE-R 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)移動辦公功能。

鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2 所示。

2）方案二：全網(wǎng)建設(shè)2 套IMS

在總公司不同的2 個機(jī)房分別部署1 套IMS 核心設(shè)備，進(jìn)行容災(zāi)備份。各個鐵路局及其車站、站段部署用戶接入設(shè)備。為了減少所有呼叫會話的媒體帶寬占用，解決與運(yùn)營商集中一地互通產(chǎn)生大量長途費(fèi)用，采用將SBC 和MGW 下沉到鐵路局的方式，即在每個鐵路局或者重要地市部署SBC 設(shè)備，媒體就近交換，不需繞至中心節(jié)點(diǎn)。

核心網(wǎng)元設(shè)備工作在主備模式或者負(fù)荷分擔(dān)模式，當(dāng)主用核心設(shè)備故障時，終端將注冊到備用核心設(shè)備，由備用核心設(shè)備為終端用戶提供業(yè)務(wù)。

3）方案三：租借運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)

中國鐵通集團(tuán)有限公司現(xiàn)在是中國移動的下屬子公司，將鐵路自動電話遷移至中國移動的IMS 網(wǎng)絡(luò)，采用租用中國移動IMS 核心網(wǎng)和部分基礎(chǔ)業(yè)務(wù)、鐵路自建部分專用業(yè)務(wù)以及利用鐵路網(wǎng)絡(luò)解決部分用戶接入相結(jié)合的方式，先實(shí)施自動電話遷移再部署開展IMS 業(yè)務(wù)。

統(tǒng)一通信核心網(wǎng)絡(luò)層以及業(yè)務(wù)接入層均由運(yùn)營商建設(shè)，應(yīng)用業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)管理層等核心業(yè)務(wù)模塊由鐵路根據(jù)自身管理特點(diǎn)自建。租用移動方案示意圖如圖3 所示。

圖2 各路局建設(shè)IMS組網(wǎng)示意圖Fig.2 Network schematic diagram of construction of IMS by Railway Administrations

4）方案總結(jié)

經(jīng)綜合分析，方案一的可靠性高，各鐵路局獨(dú)立建網(wǎng)，相互之間不受影響，會話時延小，質(zhì)量好，但建網(wǎng)費(fèi)用高；方案二的建網(wǎng)費(fèi)用低，但是可靠性相對低、通話時延大、各鐵路局部署專有業(yè)務(wù)應(yīng)用不方便；方案三前期投入費(fèi)用較低，但是安全性差，實(shí)施難度、運(yùn)維難度大。

圖3 租用移動方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of rental mobile scheme

5 結(jié)語

到目前為止，中國電信、中國聯(lián)通的固定網(wǎng)絡(luò)端局已基本完成IMS 改造，全部接入到IMS 網(wǎng)絡(luò)，并逐步在做固定移動融合的改造，實(shí)現(xiàn)長期演進(jìn)語音承載（Voice over Long-Term Evolution，VoLTE）功能，最終實(shí)現(xiàn)固定移動一張網(wǎng)。中國電信、中國聯(lián)通由于用戶相對較少，IMS 建設(shè)采用省內(nèi)大區(qū)建設(shè)的模式，多個地市建設(shè)一套IMS 系統(tǒng)。國家電網(wǎng)公司也采用IMS 技術(shù)對全國行政程控交換網(wǎng)進(jìn)行了升級改造。

本文針對鐵路多業(yè)務(wù)通信的業(yè)務(wù)特點(diǎn)與應(yīng)用需求，對采用IMS 技術(shù)的組網(wǎng)方案進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。為使得鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信IMS 業(yè)務(wù)開通系統(tǒng)能夠具有較好的適用性，后續(xù)研究工作中將對各設(shè)備廠家的IMS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試與改進(jìn)，使得系統(tǒng)具有更大的通用性[8]。