鐵路5G專網集群通信技術方案研究

楊 銳

鐵路專用移動通信系統是保障鐵路運輸安全的關鍵基礎設施,調度通信、列車控制是涉及鐵路行車安全的重要業務。目前,鐵路數字移動通信系統（GSM-R）承載的調度通信和列車控制業務均基于電路域技術實現。隨著5G技術不斷的成熟、公網大規模商用,鐵路專網也將采用5G技術。5G網絡承載與應用分離、全IP化組網,不再支持電路域業務。3GPP國際標準組織定義了MC（關鍵任務）集群通信技術體系,滿足行業專網、公共安全等領域對傳統電信業務的需求。為此,本文對鐵路5G專網集群通信技術應用方案進行研究。

1 鐵路業務

1.1 鐵路調度通信

鐵路調度通信業務包括:列車調度、貨運調度、機務調度、動車調度、客運調度、供電調度、電務調度、工務調度等。業務應用涉及移動終端、移動與固定終端（調度臺）之間的個呼及組呼［1］。以列車調度通信為例,“車機聯控”是調度通信的術語,指車務、機務等行車有關人員使用鐵路專用移動通信設備,按規定進行語音聯絡,提示行車安全信息,確認行車要求。鐵路調度通信從無線列車調度系統發展至GSM-R系統,“車機聯控”應用模式一直延續。GSM-R網絡根據調度通信業務的呼叫場景、用戶使用習慣,通過智能網設備為調度通信業務提供了接入矩陣、位置尋址、功能尋址、基于位置呼叫限制等功能［2］。

1.2 鐵路列車控制

2009年武廣高鐵開通運營,基于GSM-R網絡的CTCS-3級列控系統在我國高速鐵路開始運用。GSM-R網絡采用電路交換數據（CSD）業務通道承載列車控制系統的安全數據,與調度通信一樣均是電路域業務。電路域是電路交換技術,不同用戶獨占各自分配的時隙,特點是數據量小、時延低。GSM-R網絡的電路域技術很好地滿足了鐵路調度通信和列車控制業務的需求。5G網絡基于分組域架構,分組域采用包交換方式,其特點是業務數據可以共享通道資源。面對網絡承載技術的重大變化,鐵路調度通信、列車控制業務需要在技術上進行演進,才能適應5G網絡。

2 VoLTE技術

IP多媒體子系統（IMS）最初由3GPP第5版定義,能夠滿足多樣化的多媒體業務應用需求,在分組承載網絡的基礎上綜合實現語音、視頻、數據業務,并支持與既有電路域網絡的互聯互通。IMS是一種開放的網絡架構,使用會話初始協議（SIP）實現對多媒體業務的交換控制。移動通信技術發展到第4代（LTE）后網絡完全分組化,運營商移動通信網絡的語音業務回落到2G/3G的電路域實現,隨后3GPP提出了基于LTE的語音業務（VoLTE）技術,在語音業務通話的基礎上增加了視頻通話業務,而且通話接通時間更短,VoLTE接通時間約為0.5～2 s,2G/3G約為5～8 s。VoLTE由4G和IMS網絡組成,其網絡架構見圖1。

圖1 VoLTE網絡架構圖

IMS網絡主要包括:代理會話控制（PCSCF）、服務/查詢呼叫會話控制（S-CSCF/ICSCF）、VoLTE應用服務（VoLTE-AS）、歸屬用戶服務（HSS）、會話邊界控制（SBC）等功能［3］。P-CSCF是VoLTE業務的接入節點,負責SIP（會話初始協議）信令的代理。S-CSCF/I-CSCF負責VoLTE業務的注冊服務和會話控制。VoLTE-AS提供業務邏輯,負責在語音通信的過程中控制媒體資源,并支持VoLTE語音、視頻業務及電信補充業務。HSS負責存儲VoLTE用戶相關位置及業務信息。SBC位于IMS網絡的邊界,負責將終端用戶接入到IMS網絡。

4G網絡主要包括:移動性管理實體（MME）、服務網關（SGW）、應用網絡網關（PGW）、策略與計費功能（PCRF）、無線接入網（RAN）、信令路由代理節點（DRA）等網元［3］。

目前公眾移動通信5G網絡僅支持數據業務,語音呼叫業務仍然要使用4G網絡的VoLTE技術,基于5G的語音業務稱為VoNR（Voice Over NR）,其技術標準正在研究。

3 MC技術

MC（關鍵業務）技術,早期稱為“關鍵業務一鍵通”（MCPTT）,是一種基于分組無線網絡的語音集群通信技術,面向特定行業的調度指揮應用,屬于專用無線通信技術。MC技術的特點是大量用戶共享少量無線信道,具備快速的語音建立和搶占能力。MCPTT基于IMS技術,簡化了IMS復雜的網絡結構,具有大帶寬、低時延、互聯互通、易于規模建網等優點,支持鑒權、組管理、個呼、組呼、呼叫優先級、發言權控制、位置上報等功能［4］。

2016年3GPP第15版將MCPTT技術納入4G標準體系,并增加了視頻和數據業務。關鍵語音業務（MCPTT）、關鍵視頻業務（MCVideo）、關鍵數據業務（MCData）3種應用場景的統稱為MCx［5］。3GPP第16版增加了基于5G網絡MC技術架構的概述,具體的技術實現方案仍在研究中。

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4 系統架構

參考3GPP標準的表述,對鐵路5G專網MC集群通信進行研究,其系統架構見圖2。

圖2 鐵路5G專網MC集群通信系統架構

基于鐵路5G專網的MC集群通信系統架構主要包括:5G核心網（5GC）、無線網（RAN）、MC集群通信系統（簡稱MC系統）、MC移動終端。MC系統與鐵路多媒體調度系統互聯,實現調度固定用戶與5G移動用戶之間的多媒體通信,鐵路多媒體調度系統兼容MC系統的接口和協議。MC系統主要包括:會話初始協議（SIP core）、MC業務（MC service）、公共管理（Common service core）、用戶數據庫（SIP database、MC user database）等功能模塊［5］。MC系統內部及與5GC之間主要采用會話初始協議（SIP）及超文本傳輸協議（HTTP）實現信令交互。MC系統配置媒體網關（MGW）,實現與其他系統之間業務數據流的互通。

4.1 會話初始協議模塊

SIP core是MC系統控制面的核心,負責信令控制面的注冊、業務選擇和信令消息處理,負責管理與SIP core功能相關的應用業務數據、服務注冊標識、鑒權信息等。SIP core與公共管理、用戶數據庫、MC業務等功能模塊中的SIP應用（SIPAS）共同實現MC系統中SIP協議的控制及處理［5］。

根據外部系統所采用的協議,SIP core配置對應的協議處理功能。MC系統與5GC控制面的策略控制功能（PCF）之間采用基于SBI架構的HTTP/TCP協議［6］,與GSM-R系統的MSC設備之間采用No.7信令用戶部分（ISUP）、移動應用部分 （MAP） 協議［7］。

4.2 公共管理模塊

公共管理模塊是MCPTT、MCVideo、MC?Data業務的公共邏輯功能實體,包括MC業務配置、身份、密鑰、組、遷移、位置等管理功能。公共管理模塊的各管理功能采用C/S（客戶端/服務器）方式實現［5］。

1）配置管理,用于配置MC相關的業務信息。

2）組管理,用于管理用戶的群組,為終端提供媒體面策略、呼叫控制信息,實現媒體控制及組呼控制功能。

3）身份管理,用于管理MC業務用戶的身份,包括MC用戶標識（MC ID）、MC業務標識（MC service ID）、MC業務組標識（MC service group ID）。MC ID是MC業務用戶在身份驗證過程中的標識,MC service ID是MC業務中的全局唯一標識,MC service group ID表示一組MC業務用戶,MC ID和MC service ID可以相同。

4）密鑰管理,用于存儲和向密鑰管理客戶端、組管理服務器和MC業務服務器提供安全相關的密鑰信息,實現對媒體和信令加密以及完整性保護。

5）遷移管理,用于MC系統之間配置信息的交互；終端的配置信息通常在歸屬MC中,終端在拜訪地MC系統中實現相關業務時,需要通過遷移管理功能在MC系統之間傳遞用戶配置信息。

6）位置管理,用于接收和存儲用戶位置信息,并向MC業務服務器提供用戶位置信息；位置管理功能還可以獲取5G網絡的用戶位置信息。位置信息通常包括終端的衛星定位經緯度信息、終端在5G網絡中所處的基站/小區信息,對于鐵路而言,線路號、公里標也是位置信息。

4.3 MC業務模塊

MC業務模塊實現MC系統的業務應用,用于語音、視頻、數據媒體面的處理和話權控制,主要包含MC業務客戶端、MC業務服務器、多播業務等功能實體［5］。

1）MC業務客戶端是MC應用的用戶部分,通常在終端側,能夠報告終端當前的位置信息。

2）MC業務服務器是實現MC業務的功能實體。屬于同一個組的MC客戶端應使用同一個MC服務器。如果MC客戶端屬于多個不同的組,可以關聯相關的多個MC業務服務器。MC組管理應用（GCSAS）用于控制組通信的多播和單播功能。

3）多播業務功能（MBMS）負責配合無線通信系統,實現業務數據流的廣播功能。3GPP標準詳細定義了基于LTE的MBMS功能,5G網絡的多播功能仍在標準制定過程中［8］。

4.4 用戶數據庫

用戶數據庫主要包括SIP用戶數據庫（SIP database） 和MC用戶 （MC service user database）數據庫［5］。

1）SIP用戶數據庫,用于存儲用戶SIP協議相關的信息,并向SIP core提供SIP訂閱、標識、鑒權、應用服務選擇等信息,配合SIP core完成用戶的注冊、鑒權、呼叫控制、會話管理、移動性管理等功能。

2）MC用戶數據庫,用于存儲MC業務用戶的業務功能簽約配置文件,該配置文件關聯用戶的MC業務ID。

3）用戶數據庫的設置方式。3GPP定義了3種用戶數據庫設置方式:方式一,MC、SIP、UDM獨立設置用戶數據庫；方式二,MC與SIP合設用戶數據庫；方式三,UDM與SIP合設用戶數據庫［8］,見圖3。對于鐵路MC集群通信系統,可按照5G承載網絡與MC系統分層管理,采用方式二。

圖3 用戶數據庫設置方式

5 技術方案

5.1 基于服務功能的網絡架構

5G的網絡架構較4G產生了很大變化,采用了基于服務化（SBI）的架構,以網絡功能虛擬化（NFV）為載體。傳統的網元演變為網絡功能,根據業務流程選擇所需網絡功能,完成控制面的信令交互［9］。控制面流程完成后,由終端（UE）、無線接入網（RAN）、用戶面功能（UPF）、業務系統（DN）直接建立用戶面IP通道,減少了用戶面數據處理的網元,降低了數據傳輸時延。5G網絡演變的更加靈活,但控制面的網絡架構更為復雜。基于服務化的5G網絡架構［10］見圖4。MC系統的控制面為AF（應用功能）,MC系統的用戶面為DN（業務網絡）。

圖4 基于服務功能的5G網絡架構

5.2 調度通信業務實現方案

公眾移動通信網絡在3G、4G、5G的部署過程中,投入了相當的代價來實現不同制式系統之間業務的互通。鐵路專網與公眾網絡不同,沒有龐大的用戶數量和產業鏈的支撐,所以鐵路部署5G專網后,考慮采用多模終端轉換網絡制式的方式,以降低網絡的復雜性和建設成本。對于鐵路調度通信業務,既有GSM-R網絡中的移動終端、有線調度系統（FAS）的固定終端,應能與5G專網MC系統的移動終端、多媒體調度系統的固定終端實現語音業務互通,系統間的互聯組網見圖5。

圖5 鐵路5G專網與GSM-R業務互通組網示意

對于5G網絡,MC系統中語音、視頻、數據3種業務均是數據,在控制面的信令流程基本相同,區別是用戶面傳輸的數據內容。下面以鐵路5G專網與GSM-R網絡之間語音業務互通流程舉例說明。

5.2.1 5G專網移動用戶與GSM-R移動用戶語音業務互通方案

鐵路5G專網MC系統與GSM-R移動交換中心（MSC）設備［7］互聯,MC系統兼容GSM-R網絡的接口及協議；GSM-R和5G專網移動用戶采用不同號段的用戶號碼（MSISDN）,例如149為GSM-R用戶、148為5G用戶。5G用戶呼叫GSM-R用戶的簡化通信流程如圖6所示,5G終端需要提前完成5G網絡注冊［6］和MC系統的注冊［4］。

圖6 5G移動終端呼叫GSM-R移動終端流程

5.2.2 5G專網移動用戶與調度通信系統固定用戶語音業務互通方案

鐵路調度通信業務的呼叫對象主要是調度員/車站值班員（固定用戶）、機車司機（移動用戶）。機車司機呼叫調度員采用用戶號碼（ISDN）及短號碼的方式。為有線調度系統（FAS）和多媒體調度系統規劃不同的ISDN號段,可以區分FAS和多媒體調度系統的用戶。調度員呼叫機車司機采用車次功能號的方式［7］,而車次功能號無法按號段區分不同的網絡,下面對該呼叫場景進行分析。

1）多媒體調度臺發起呼叫。多媒體調度系統無法掌握被叫移動用戶所處的移動通信網絡時,不能區分被叫車次功能號是被GSM-R還是5G移動用戶注冊。目前采用雙發方式將車次功能號同時送到5G和GSM-R網絡中,移動通信網中的智能網設備（5G IN、GSM-R IN）判斷被叫功能號的注冊情況,正常情況下只有一個網絡返回呼叫接續,如果同時返回呼叫接續則選擇5G網絡。5G網絡返回呼叫接續通信流程見圖7。5G網絡中定義了位置管理功能（LMF）,多媒體調度系統可以采用LMF流程獲取5G移動用戶的位置,有位置信息的被叫用戶是5G用戶、無位置信息的被叫用戶則是GSM-R移動用戶,未來可以研究采用該方式來判斷被叫用戶所屬移動通信網絡的具體流程。

圖7 多媒體調度系統功能號呼叫，5G網絡呼叫接續流程圖

2）FAS調度臺發起呼叫。5G網絡建設時同步建設多媒體調度系統,既有GSM-R網絡覆蓋區段的調度員仍使用FAS調度臺,所以基本不存在FAS調度臺呼叫5G移動用戶的場景。特殊情況有呼叫需求的,需要對既有FAS系統進行功能升級,被叫車次功能號同時發送至多媒體調度系統,多媒體調度系統轉發車次功能號至5G網絡完成呼叫接續。

6 結束語

本文對鐵路調度通信業務運用特點、公眾移動通信網絡VoLTE技術、3GPP標準定義的MC集群通信技術進行了簡要的說明；并對鐵路5G專網承載鐵路調度通信業務技術方案進行了探討；利用MC集群通信技術解決鐵路5G專網調度通信業務；在滿足鐵路調度通信業務應用需求的前提下,綜合考慮5G網絡的建設成本和網絡結構的復雜性,提出了鐵路5G專網MC系統與GSM-R、鐵路調度通信系統的業務互通技術方案。隨著我國鐵路專業技術人員對鐵路5G專網技術的深入研究,鐵路5G專網集群通信技術方案會不斷的完善和優化。