鐵路LTE-R網絡MCPTT的應用研究

李春鐸,李 輝,藺 偉

(1.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081; 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

作為交通強國的先行者，鐵路對促進我國交通行業的發展起著至關重要的作用。隨著我國高鐵技術不斷取得突破，GSM-R作為窄帶通信系統已逐漸不能滿足未來鐵路多樣化業務的需求。2015年，中國鐵路總公司科技管理部和運輸局成立中國鐵路下一代移動通信技術研究工作組，全面開展LTE-R技術研究[1]。LTE-R在LTE網絡的基礎上加入了適用于鐵路應用場景的新特性并適用于高速場景。調度語音通信作為鐵路通信中最關鍵的業務之一，勢必要引入更先進的技術來實現。MCPTT是3GPP組織針對公共安全和鐵路運輸提供的全新語音功能，關鍵優勢在于基于LTE架構，實現關鍵任務的即按即通。

1 現網系統的鐵路調度通信

1.1 現網系統的調度語音通信

目前我國鐵路所使用的調度語音通信系統為GSM-R+FAS(固定用戶接入交換機)無線+有線系統混合組網[2]。車站臺和調度臺通過FAS連接到GSM-R的移動交換中心(MSC)，以實現無線通信系統與有線通信系統間的互聯。具體組網如圖1所示[3]。這種組網方式可以滿足移動臺和固定終端間的調度語音業務。

圖1 GSM-R+FAS方式組網

組呼作為鐵路通信中一種調度語音呼叫，在提升列車運行效率、確保運輸安全方面起著重要作用[4]。組呼是典型的點對多點通信方式，有多個成員參與(移動臺或固定終端)，同一時刻只有一人可以講話，其余成員聆聽。簽約了同一組ID的所有成員可以接收組呼業務，如果用戶想要講話，需按下PTT鍵，便可以以主叫身份講話[5]。組呼打破了點對點呼叫的限制，可以快速地建立如列車調度員、車站值班員、機車司機間的多方通信。

1.2 現網系統調度語音通信的局限性

(1)GSM-R網絡架構相比于LTE-R，采用了非扁平化的網絡結構，網絡結構更加復雜(如包含基站控制器)，這使通信的語音、數據時延更大。

(2)GSM-R系統在進行組呼時，組內想要發言的成員必須發送信號申請發言權。成為講話成員的權利以先到先得的方式分配，不設置排隊機制，且不限制用戶講話的時間，這樣就不能保證組內其他同優先級的成員及時的獲得話權[6]。

2 LTE-R網絡的MCPTT調度語音通信

MCPTT為3GPP在R13版本中提出的一種支持多用戶通信(如個呼、組呼)的服務，是未來公網對講發展的主要方向之一。每個用戶都可以以一種仲裁的方式獲得講話許可[7]。當發生多個連接請求時，根據用戶優先級特征來決定接受哪個用戶的請求、拒絕哪個用戶的請求或安排用戶排隊等待。 MCPTT服務可以讓具有較高優先級的用戶(例如MCPTT緊急會話)覆蓋當前講話者的通信。除此之外，MCPTT服務還支持一種限制用戶談話時間的機制，從而允許相同或較低優先級的用戶獲得發言權。圖2為MCPTT系統架構圖。

圖2 MCPTT系統架構

系統由LTE接入網、LTE核心網、MCPTT客戶端、MCPTT服務器組成。接入網包括用戶終端設備UE和分布式基站(BBU+RRU)[8]。LTE核心網絡包括MME(移動性管理實體)、S-GW(服務網關)和P-GW(PDN網關)、HSS(歸屬用戶服務器)、PCRF(策略和計費規則功能)、MCE(多小區/組播協調實體)、MBMS-GW(多媒體廣播組播服務網關)、BM-SC(廣播組播業務中心)。在用戶數據面進行多播業務時，MCE負責為eMBMS業務協調時頻資源并配置MCS等無線參數。MBMS-GW通過M1接口向所有eNodeB同步廣播用戶數據，并通過MME向eNodeB發送會話控制信令。BM-SC提供eMBMS業務，同時使用SYNC同步協議以保證MBMS-GW廣播給所有eNodeB的數據同步[9]。在進行單播業務時， MCPTT服務器通過Rx接口向PCRF申請業務資源，PCRF可根據業務類型為其建立專有承載，保證業務的傳輸速率。在信令控制面，MCPTT服務器和MCPTT客戶端使用會話發起協議(SIP)，通過SIP core來傳輸SIP消息。SIP core定義了SIP實體的特定類別[10]。

3 MCPTT在鐵路中的應用

LTE-R系統中，調度語音通信業務主要包括：個呼、組呼、緊急呼叫、多方通信服務[11]。接下來對MCPTT中移動終端呼叫固定終端、固定終端呼叫移動終端、MCPTT話權控制等過程進行詳細分析。

3.1 移動終端呼叫固定終端

3.1.1 UE發起MCPTT個呼

UE發起MCPTT個呼流程如圖3所示。MCPTT 移動客戶端 UE 和FAS已向業務提供商注冊了各自的MCPTT業務[12]。

(1)UE呼叫調度臺時，通過SIP core將SIP INVITE消息發送到MCPTT服務器，消息中包含主叫用戶MCPTT ID、被叫用戶MCPTT ID、攜帶簽約的功能號碼的user-to-user和表示本次會話過程中用戶的請求方法和優先級的Resource-Priority頭域[11]。

(2)MCPTT服務器檢查UE是否有權限發起個呼以及FAS是否有權限接受個呼，并向UE發送進展提示，表示請求已經收到，正在處理。權限通過后，向調度臺FAS發送SIP INVITE消息。

(3)FAS收到SIP INVITE消息后，向MCPTT服務器返回180 Ringing振鈴消息，MCPTT 服務器向UE轉發180 Ringing振鈴消息。

(4)FAS回送200 OK消息，表示呼叫流程建立完成。

圖3 UE 發起MCPTT個呼流程

3.1.2 UE發起MCPTT組呼及話權控制

UE發起MCPTT組呼流程如圖4所示。UE和MCPTT客戶端2、MCPTT客戶端3已經注冊MCPTT服務并附屬同一MCPTT組[12]。

(1)組內成員UE使用組ID發起組呼，通過SIP core將SIP INVITE消息發送到MCPTT服務器，消息中包含MCPTT組ID、MCPTT客戶端媒體參數SDP offer。

(2)MCPTT服務器檢查用戶是否具備發起組呼的權限。如果該組ID對應的組呼正在進行，服務器將把UE加到現有的組呼中并通知UE組呼正在進行，否則MCPTT服務器根據組管理服務器的信息分解組ID來決定組的成員和歸屬狀態。

(3)MCPTT服務器通過SIP core向組成員MCPTT客戶端2和MCPTT客戶端3發送組呼請求SIP INVITE消息，用戶會收到組呼來電的通知。

(4)MCPTT客戶端2和MCPTT客戶端3應答組呼，并向MCPTT服務器發送組呼響應200 OK，并攜帶SDP answer。MCPTT服務器給UE發送組呼響應200 OK，其中包含通過信令通道給UE的媒體參數，以告知呼叫建立成功。

(5)UE及MCPTT客戶端2、MCPTT客戶端3成功建立媒體面，并建立話權控制。

(6)此時UE申請講話，將話權請求消息發送到MCPTT服務器，其中包括發言權優先級。服務器根據發言權優先級、競爭者角色類型等決定對話權請求采取什么行動(給予、拒絕或排隊等待)。服務器決定同意A的發言權請求，并配置限制用戶發言的時間(即占話權的時間)[13]。

(7)服務器向UE發送話權授予消息，包括保持話權的最大時長，同時向客戶端2、客戶端3發送話權占用消息，包括拿到話權者的信息。

(8)開始建立語音會話。此時，客戶端3想要講話并發送話權請求。服務器進行話權仲裁，最終決定拒絕客戶端3的話權請求。并通知客戶端3請求被拒絕。

圖4 UE發起MCPTT組呼及話權控制流程

3.2 固定終端呼叫移動終端

3.2.1 尋呼機制分析

固定終端呼叫移動終端一般指FAS向UE發起的呼叫。在鐵路語音呼叫中，由于FAS臺為有線用戶，移動終端呼叫FAS時只需交換機根據數據指向進行相應的呼叫流程，呼叫建立時間較短；但FAS呼叫移動終端時，由于移動終端分布在各個小區，尋呼信令將通過LTE-R網絡在整個TA List內發送[14-15]，呼叫建立延時會大大增加，因此FAS發起呼叫的延時要大于移動終端發起呼叫的延時，接下來對FAS臺的尋呼過程進行分析。

LTE物理層中引入了非連續接收(DRX)方式，能夠有效節省UE功耗，延長待機時間。處于空閑狀態的終端可以通過DRX模式監聽尋呼消息[16]。尋呼消息在PDSCH(物理下行共享信道)上發送，而物理下行控制信道(PDCCH)用于傳輸尋呼無線網絡臨時標識(P-RNTI)。UE周期性地監聽PDCCH，若在PDCCH中解析出P-RNTI，意味著有尋呼消息，隨后終端解碼相應PDSCH的數據塊以得到尋呼消息。

DRX周期包括默認DRX周期和UE特定DRX周期，取值為32，64，128，256，單位是無線幀。SIB2中廣播默認DRX周期，UE特定DRX周期存儲在UE中。UE在計算尋呼無線幀幀號SFN時，會將兩個周期中較小的值作為尋呼周期。

在LTE物理層協議中，SFN的取值范圍為0～1 023。1個無線幀包含10個子幀，子幀編號取值范圍是0～9，每個子幀1 ms。SFN的值由以下公式確定

SFNmodT=(T/N)×(UE_ID) modN

(1)

公式中參數定義如下：

UE_ID=IMSImod 1024；

T:T為DRX周期，取值為min(默認DRX周期，UE特定DRX周期)；

N：N=min(T，nB)，表示一個DRX周期有多少個無線幀可以承載尋呼消息。nB在網絡的SIB(系統資源塊)中廣播，表征尋呼密度，值為4T、2T、T、T/2、T/4、T/6、T/16、T/32[17-18]。

假設FAS臺在發起呼叫時，T=128，系統消息中廣播nB=T，假定UE_ID=147，由式(1)可知，N=128，SFN=19。因此終端在幀號為19的無線幀上監聽PDCCH。

3.2.2 尋呼時延分析

以單呼為例，建立平均呼叫時延模型。由于尋呼消息到達的時間是隨機的，但服務用戶的時間T是固定的。假設尋呼消息是泊松到達，可以用M/D/1隊列模型描述尋呼過程[19]。服務時間T為

2)

其中，T取值為DRX周期，1/μC為尋呼消息的平均發送時間，記為D。ρ=λT/nB，nB的值代表尋呼組的數量[20]。假定每條尋呼消息能夠容納1個UE_ID，無線幀內的尋呼消息和尋呼區域內的用戶均勻分布。周期T內共到達λ個尋呼消息，每個尋呼組T時間內到達λ/nB個尋呼消息，即每個尋呼組尋呼消息的到達率為λ/nB。則平均尋呼時延為

3)

當T=32，64，128，256時的平均尋呼時延變化如圖5所示，隨著DRX的周期增大，尋呼時延變大。

圖5 尋呼時延與DRX周期關系

4 MCPTT應用結果驗證

在實驗室環境下使用測試手機、機車綜合無線通信設備 (CIR)、eNodeB，MCPTT服務器、FAS系統、調度臺測試個呼/組呼呼叫建立延時及建立成功率并對數據進行統計。測試環境如圖6所示。UE發起呼叫時發送SIP INVITE消息至MCPTT 服務器，當UE收到返回的200 Ok時表示被叫已經接聽。FAS發起的呼叫流程與UE發起的呼叫流程相同[21]。

呼叫建立延時=T200 Ok-TINVITE

(3)

(4)

圖6 個呼、組呼呼叫時延及成功率實驗室測試環境

測試頻段選取450 MHz，參考信號接收功率RSRP=-80 dBm。系統廣播消息中設置T=128，nB=T。經驗證，個呼、組呼呼叫建立時間和成功率統計結果如表1～表4所示。

表1 UE發起個呼呼叫建立延時、建立成功率測試結果 ms

表2 UE發起組呼呼叫建立延時、建立成功率測試結果 ms

表3 FAS發起個呼呼叫建立延時、建立成功率測試結果 ms

表4 FAS發起組呼呼叫建立延時、建立成功率測試結果 ms

5 結語

MCPTT作為3GPP組織公布的基于LTE的標準，應用于鐵路LTE-R網絡，不僅能夠保證鐵路調度語音信號更高質量的傳輸，同時其獨有的話權控制，限制發言時間機制也確保了低優先級用戶獲得平等的發言權，為鐵路運營提供更可靠的保障。