基于關鍵業務通信機制的鐵路智能調度通信技術研究

郭強亮,李 輝,閆曉宇,李春鐸,王開鋒

(1.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； 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081)

1 概述

鐵路通信網絡是保障鐵路運輸安全生產的重要手段，在經濟社會發展中發揮著巨大的作用。其中，調度通信作為鐵路通信網中最為重要的專用通信系統和最能突顯鐵路通信特色的技術，一直是該領域的研究與應用熱點。

目前，國內外高速鐵路主要采用GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway，鐵路專用數字移動通信系統)作為車地無線通信網絡，通過GSM-R和FAS(Fixed user Access System，固定用戶接入交換系統)相結合的方式，實現一種基于電路域的語音業務調度通信，為鐵路安全運營做出了重要的貢獻。

然而，隨著移動通信技術的快速發展和產業的更新換代，GSM-R系統在未來將面臨失去設備維護和技術支持的難題；此外，由于高速鐵路的迅速發展和構建“智慧”鐵路的需要，對鐵路通信提出了全新的需求，是GSM-R系統所無法滿足的。因此，探索鐵路下一代移動通信技術已迫在眉睫[1]。國內外研究機構和組織在理論研究以及實際應用方面做出了大量引人注目的工作[2-8]。概括而言，主要研究LTE(Long Term Evolution Mobile Communication System，長期演進移動通信系統)、5G(5th-Generation Mobile Communication System，第五代移動通信系統)、IoT(The Internet of Things，物聯網)等新技術在未來鐵路通信中的應用。

寬帶化、IP化、智能化成為未來鐵路移動通信技術的必然趨勢，既有基于電路域的調度通信技術將不再適用，迫切地需要研究相適應的調度通信技術。

2 鐵路下一代智能調度通信需求分析和技術對比

2.1 需求分析

隨著通信技術在富媒體化、智能化等方面的飛速發展，智能鐵路對鐵路調度通信提出了全新的需求，包括以下幾個方面。

(1)智能調度通信：實現支持語音、視頻及數據的多媒體調度通信，將極大滿足智能鐵路的全新需求，促進鐵路信息化多領域、多場景的全面發展。

(2)智能養護維修：支持調度指揮人員、現場養護維修人員、車站管理人員之間的多媒體通信，實現遠程養護維修，及時解決問題。

(3)列車組智能通信：實現列車長、乘警、機械師、列車員之間的多媒體通信，提升溝通效率。

(4)應急智能通信：實現應急現場移動終端與值班臺之間的語音、數據、視頻等多媒體通信，及時有效獲取應急現場情況，提升應急指揮效率。

(5)多媒體融合調度：實現調度員可以實時調看司機監控視頻，司機調看車站視頻等功能，提供更豐富的信息交互，為調度指揮提供更全面的支撐。

2.2 技術對比

在基于IP的通信技術發展方面，VoIP(Voice over Internet Protocol，基于IP的語音傳輸)、VoLTE(Voice over LTE，基于LTE的語音傳輸)、VoWiFi(Voice over WiFi，基于WiFi的語音傳輸)已經在公網領域實現大規模商用，實現了端到端的基于分組域的語音和視頻通信業務。但對比鐵路調度通信的具體需求，這些技術不提供組呼、搶占、強插強拆以及多優先級等鐵路調度通信的必要功能。

在集群通信技術發展方面，B-TrunC(Broadband Trunking Communication，寬帶集群通信)是一種基于TD-LTE的“LTE數字傳輸+集群語音通信”專網寬帶集群系統標準，由中國通信標準化協會發起。目前，B-TrunC在我國地鐵等領域集群通信方面有所應用。2016年3月起，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)陸續推出基于關鍵業務通信機制的系列標準：MCPTT(Mission Critical Push To Talk，關鍵語音業務)、MCData(Mission Critical Data，關鍵數據業務)和MCVideo(Mission Critical Video，關鍵視頻業務)。MCX(MCPTT、MCData和MCVideo的統稱)使用了基于IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統)架構的實現方案，綜合了大帶寬、低延遲、易于大規模建網等眾多優點，涵蓋了組管理、位置管理、組通信，以及數據和視頻通信功能等需求，適用于執行關鍵業務的場景，成為未來集群呼叫的主要發展方向[9-11]。

與B-TrunC相比，MCX在業務與承載分離、支持多種通信制式、支持多播技術、對GSM-R的支持能力等方面具有顯著優勢；此外，3GPP是全球移動通信標準組織，所以，MCX具有更好的互通性和接口開放性[12-18]。基于以上優勢，MCX技術更適合作為實現鐵路下一代移動通信系統中調度通信的解決方案。

3 系統架構與設計

3.1 基本架構

基于關鍵業務通信機制的鐵路智能調度通信系統架構如圖1所示，主要由用戶設備、承載網絡、關鍵業務系統和有線調度通信系統4個部分組成。

圖1 基于MCX的鐵路智能調度通信系統架構

(1)用戶設備。用戶設備包括機車綜合無線通信設備(CIR)，以及通用手持終端(GPH)、作業手持終端(OPH)等終端設備，以無線方式接入移動通信網絡，為用戶提供調度通信服務。作為MCX客戶端，用戶設備需要運行專門的客戶端應用程序，用于實現關鍵業務服務。

(2)承載網絡。承載網絡作為無線通信的基礎平臺，是一種基于IP的通信網絡，提供無線數據傳輸鏈路和服務，如5G、LTE、WiFi、IoT等。只要是基于IP的數據域系統，均可作為關鍵業務實現的承載網絡，這使得所設計的關鍵業務系統具有很強的兼容性和擴展性。

(3)關鍵業務系統。關鍵業務系統負責整個調度系統的會話控制和管理，是調度通信實現的核心。在架構設計方面，該系統基于IMS架構，并遵循3GPP關鍵業務相關規范進行設計。關鍵業務系統作為應用業務實體存在于承載網絡的應用業務側。

(4)有線調度通信系統。有線調度通信系統是指調度員、值班員等固定用戶所使用的調度通信系統，以有線的方式接入整個調度通信系統。該系統是一種基于IP的調度通信系統，與關鍵業務系統之間通過MCX-1接口進行交互，提供全IP的調度通信服務。

3.2 關鍵業務系統設計

關鍵業務系統是整個鐵路調度通信系統實現的核心。如圖2所示，按照層次劃分，關鍵業務系統包括SIP核心(SIP core)和關鍵業務服務器(MCX AS)兩部分。關鍵業務系統架構設計以關鍵通信機制和IMS架構為基礎，并按照功能劃分、信令面和數據面分離、易于并行開發和后續擴展為原則，規劃設計各子系統模塊，且各接口統一標準，保障系統具備良好的擴展性、可靠性和兼容性。

圖2 關鍵業務系統架構

SIP core用于實現信令面SIP消息的注冊、服務選擇和路由，包含呼叫會話控制功能(CSCF)、SIP數據庫(SIP database)等部分。SIP數據庫包含SIP訂閱、SIP core所需的認證和鑒權，以及應用服務選擇等信息。

MCX AS用于關鍵語音、數據、視頻的管理和控制。MCX AS主要包括：MCX 服務器(MCX server)、公共服務核心(CSC)和MCX用戶數據庫(MCX user database等)。該系統涉及多種先進通信協議，主要包括：SIP、HTTP、Diameter、RTP、RTCP等。

其中，MCX server可細分為MCPTT server、MCData server、MCVideo server，分別完成基于語音、數據、視頻調度業務的控制和處理。CSC實現關鍵業務的配置、群組、身份、密鑰、位置、功能號、遷移等管理。MCX user database用于存儲關鍵業務用戶配置文件等數據。

3.3 優越性分析

(1)提供多媒體調度通信服務

較既有純語音調度通信而言，鐵路下一代智能調度通信系統能夠提供基于語音、視頻、數據的多媒體調度通信服務，將極大地滿足智能鐵路的發展需要，特別是智能運維、智能調度、遠程指揮、應急通信等場景。此外，鐵路下一代智能調度通信系統支持自定義調度通信業務，有利于針對不同用戶角色提供多樣化的通信服務。

(2)兼容多種通信制式

既有GSM-R網絡下的調度通信是一種基于電路域的語音調度通信，調度業務與GSM-R承載網絡耦合關系過于緊密。基于MCX的調度通信系統架構，是一種基于分組域的實現方式，且有效實現了業務和承載解耦，使得調度業務的實現能夠獨立于承載網絡，進而能夠兼容5G、LTE、WiFi、IoT等制式的全IP的通信網絡，如圖3所示。在與不同制式網絡的核心網進行通信時，可通過相應的通信接口完成交互。

圖3 智能調度通信系統對承載網絡兼容性

(3)支持通信系統平滑升級

通信系統的平滑升級是系統投入實際應用的關鍵問題。在3GPP的Release 14和15規范中，已經考慮了MCPTT對GSM-R的支持能力[12]。MCX調度通信系統自身基于分組域，當接入既有GSM-R等電路域通信系統時，可通過設計相應的網關單元，實現新舊通信協議的轉換，進而保障整個通信系統的平滑升級。

(4)降低再次換代升級成本

當未來鐵路通信系統向下下一代網絡演進時，調度通信系統的換代升級成本將是重點考慮的方面。由于MCX技術具備多通信制式的兼容性，以及業務與承載解耦等特性，且符合未來通信技術的發展趨勢，當未來鐵路通信系統再升級時，基于MCX的調度通信系統僅需要關注與承載網絡的通信接口等內容，而不涉及調度通信系統本身的結構，進而能夠大大降低未來再升級的成本。

4 關鍵技術

4.1 呼叫控制與媒體傳輸

(1)呼叫控制

呼叫控制主要包括呼叫會話業務的建立和釋放過程。語音和視頻等呼叫類業務均通過SIP協議實現呼叫控制流程[16-18]，簡化流程示意如圖4所示。

圖4 語音和視頻呼叫控制流程

呼叫建立主要通過SIP INVITE和200OK等消息實現會話信息傳遞和媒體協商；交互SIP ACK消息后，會話引導完成，媒體會話建立，開始媒體數據傳輸過程；呼叫釋放主要通過SIP BYE消息實現。

(2)語音話權控制

在鐵路調度通信業務中，特別是語音組呼，除調度員角色之外的其他組內成員通過話權搶占的方式獲取發言權限。如圖5所示，采用RTCP協議實現話權協商與控制[19]。

圖5 語音話權控制

概括而言，話權申請根據“先到先得”的原則進行處理。實際中，當話權處于被占用狀態時，有其它一個或多個用戶請求話權時，則需要根據先后順序進行排隊，由服務器負責維護排隊信息；有用戶撤銷請求時，則將該用戶從排隊中刪除；當占用者釋放話權后，由服務器仲裁，授予處于排隊首部用戶獲得話權。

(3)視頻傳輸控制

在鐵路調度通信業務中，視頻業務較語音和數據業務而言，占用網絡資源多，特別是當存在大量多媒體調度并發時，容易造成網絡阻塞，進而影響數據傳輸的實時性。因此，為了保障調度業務穩定性和資源分配合理性，需要對視頻業務的傳輸進行管理和控制。

視頻組呼建立完成后，各組內成員默認暫不向服務器發送本地視頻，也不接收遠端其他組內成員發來的視頻，需要通過相應的發送視頻和接收視頻等請求，由服務器統一控制和管理視頻流媒體的傳輸開關和方向[20]，如圖6所示，采用RTCP協議實現話權協商與控制。

圖6 視頻傳輸控制

(4)數據傳輸控制

數據業務主要包括短消息傳輸和文件傳輸，均可分為點對點和點對多點傳輸方式，主要通過SIP和HTTP協議實現傳輸與控制[21]。短消息一般用于傳輸即時消息數據，文件傳輸一般用于傳輸圖片、文件等數據。在鐵路調度通信業務中，數據業務可用于實現即時通信、行車計劃收發、工單發布等功能。

4.2 鐵路特定業務相關技術

(1)群組管理

鐵路調度通信大多是基于群組的通信方式，因此，群組管理是鐵路調度通信實現集群通信的必需環節，主要包括組附屬和去附屬、組訂閱和通知。

①組附屬和去附屬

當用戶終端需要附屬到某些組或者去附屬某個組或某些組時，需要發起相應的請求，由服務器中的組管理服務器完成該用戶與該組標識的綁定和解綁。

②組訂閱和通知

組訂閱和通知主要用于動態維護和通知組的狀態。當組呼建立后，終端主動訂閱該組的信息，組狀態發生變化時，服務器將組狀態信息通知給訂閱者。

(2)功能號管理

功能尋址是一種基于用戶角色的呼叫，屬于鐵路特定呼叫業務。相關的功能號管理環節主要涉及功能號注冊、注銷和查詢。

①功能號注冊與注銷

當用戶終端需要注冊或注銷某功能號時，在請求消息體中攜帶用戶的MC標識和所要注冊或注銷的功能號碼，由服務器實現將功能號碼與MC標識的綁定或解綁。

②功能號查詢

當用戶終端需要查詢已注冊的功能號時，發送功能號查詢請求，并在消息體中攜帶其MC標識，MCX服務器檢索該MC標識已注冊的功能號，并返回給終端。

(3)位置管理

位置尋址是一種重要的鐵路特定呼叫業務。相關的位置管理環節主要包括位置配置、位置上報和位置查詢。

①位置配置

在用戶完成登錄后，MCX服務器主動下發位置配置消息，用于規定用戶位置上報觸發的條件和周期，以及需要上報的內容等信息。

②位置上報

終端根據位置配置的要求，當滿足觸發上報條件或上報周期時，主動上報自身的位置信息，由MCX服務器接收并更新該終端的位置信息。

③位置查詢

MCX服務器可以隨時請求查詢用戶位置信息，用戶收到查詢請求后隨時上報自身的位置信息。

5 結語

針對鐵路下一代移動通信的調度通信問題，研究3GPP關鍵業務通信機制，提出了一種與承載網絡無關的鐵路智能調度通信系統架構，并針對該系統的核心部分，給出了關鍵業務系統的設計方案；在此基礎上，探究了呼叫控制、媒體傳輸與控制、群組管理、功能號管理以及位置管理等關鍵技術的實現方法。

綜上所述，基于關鍵業務通信機制的鐵路智能調度通信系統解決方案，具有可行性和前瞻性，能夠為鐵路下一代移動通信技術的發展提供有力支撐，將推動我國鐵路在信息化、智能化等方面的發展。