鐵路5G專網與GSM-R語音業務過渡方案研究

孫魯泉，單洪政，趙軍，李明春

隨著國家5G戰略的實施,國鐵集團在2020年明確了鐵路5G專網建設（以下簡稱“5G-R”）的發展方向。但5G-R網絡的建設不會一蹴而就,預計在2030年逐步實現成熟規模應用。這期間及之后一段時間,5G-R網絡與GSM-R網絡將會共存。在共存過渡階段,由于5G-R網絡尚未實現完全覆蓋,為了保證移動終端業務的連續可用性,相對切實可行的方案是要求移動終端采用5G-R/GSM-R雙模雙待設計,能夠同時支持5G-R和GSM-R網絡業務。

語音業務是通信系統的核心業務,但在2G和5G技術體制方面具有較大的差別。GSM-R網絡的移動交換設備MSC本身就支持語音業務,而5G-R核心網則完全采用全IP設計思路,IP多媒體子系統IMS通過IP層實現語音、視頻等多媒體業務,即VoNR（Voice over NR）。為了保證鐵路雙模終端的語音業務連續,需要解決5G-R與GSM-R系統間的網絡互通問題,確定雙模終端在移動過程中的網絡選擇策略。

本文介紹了5G-R語音等媒體業務的參考架構,提出5G-R/GSM-R雙模雙網絡的過渡技術方案；通過分析雙網絡覆蓋場景,提出雙模終端在各種場景下的網絡駐留策略。在確定語音呼叫路由方案后,詳細給出在5G-R/GSM-R雙網絡中實現5G-R網絡設備與GSM-R系統間語音、視頻、數據業務的互聯互通、以及與智能網設備間的互聯互通方案,旨在通過一套切實可行的5G-R/GSM-R雙模雙網絡共存過渡方案,解決5G-R建設中語音業務的向下兼容問題。

1 5G-R移動多媒體業務參考架構

結合近年來LTE-R相關研究成果［1］,以及鐵路調度通信的研究成果［2］,同時結合3GPP最新技術規范［3］,未來5G-R網絡中的語音、視頻和即時消息等移動多媒體通信可由關鍵業務設備（Mis?sion Critical PTT/Video/Data,MCx）［4］提供,其系統參考架構及接口見圖1。

圖1 MCx系統架構及接口

1.1 系統層面

在5G-R網絡中,關鍵業務設備MCx負責提供移動多媒體通信業務,而5G網絡只是作為關鍵業務設備的IP承載系統。關鍵業務設備遵循3GPP標準規范,包含簡化的IP多媒體子系統IMS核心網網元SIP core、以及MCPTT/MCVideo/MCData等應用服務網元,具備語音單呼、組呼、視頻單呼、視頻組呼、短消息、文件傳送等業務能力。SIP core等同于IMS核心網的呼叫會話控制功能CSCF等網元,實現終端接入認證、呼叫信令路由等功能；應用服務網元等同于IMS的AS層,實現業務流程控制、媒體轉碼/轉發等功能。

1.2 網絡接口層面

N6為5G網絡接口,對應的是5G核心網網元中的用戶平面功能UPF和數據網DN之間的接口協議。N6網絡接口實現5G無線側數據包與互聯網數據包的轉發和路由控制。N5為5G-R專用承載控制接口［5］,實現應用對承載業務QoS的控制。

1.3 語音業務接口層面

MCx設備通過接口網關的E接口實現與GSM-R網絡中移動交換設備MSC間的個呼、組呼等業務的互聯互通。E接口是保證5G-R與GSM-R間語音業務連續性的關鍵,它一側是基于全IP的下一代無線語音VoNR業務,一側是既有的MSC語音業務,實現了5G到2G的語音業務對接。另外,MCx設備通過接口網關的L接口實現與智能網設備SCP間的功能號操作、功能尋址、位置尋址等業務的互聯互通。

2 5G-R與GSM-R雙模雙網方案

移動運營商的多網絡融合實踐,可為鐵路5G-R/GSM-R雙網絡共存過渡方案提供一些借鑒。運營商在LTE網絡部署過程中,在不同階段針對LTE語音業務的解決方案見表1。

表1 LTE語音業務解決方案

1）CSFB方案,要求GSM網絡覆蓋全域,作為語音通信的最后保障。鐵路移動網絡采用以線路為單位的建設模式。通常情況下,一條線路只會實現一種網絡的覆蓋。只有在2G網絡升級的過程中,才會出現單條運營線路5G-R/GSM-R雙網絡同時覆蓋的情況。這種建設方式也造成了每條線路的移動網絡可能都不同。因此,CSFB方案顯然不適用于鐵路,大部分新建線路,未來根本就沒有GSM-R網絡覆蓋。

2）SRVCC方案,要求2G網絡做適應性改造升級。目前既有GSM-R設備改造困難,GSM-R設備廠商僅保留了少量維護人員,幾乎沒有新增開發的可能性,很難實現網絡升級。5G規范R16版本尚未支持SRVCC,因此階段2的方案也不適用于鐵路。

3）VoLTE方案（5G中為VoNR）方案,要求全路部署IMS多媒體子系統。經過近年來4G建設的經驗積累,運營商已經逐步建立了完善的IMS系統,終端也逐步開通了VoLTE業務,基本可以從VoLTE業務平滑地升級到VoNR業務。但鐵路目前仍處于2G時代,沒有IMS基礎,5G語音業務尚需要從頭開始,所以鐵路5G專網語音業務需要全新考量。

從以上分析來看,未來5G-R語音業務將勢必采用與運營商不同的技術方案,本文提出一種雙模雙網的語音業務解決方案:①終端采用雙模設計,既可以接入5G-R網絡,也可以接入GSM-R網絡；②終端接入2個網絡時,分別采用不同的編號計劃,GSM-R沿用既有的編號計劃,5G-R終端建立新的MCx編號方案；③1個終端可同時注冊2個網絡的號碼；④終端原則上應當優選5G-R網絡（MCx語音）開展業務,次選接入GSM-R網絡（MSC語音）,當存在調度轄區關系時,按照調度轄區選擇駐留網絡；⑥主叫用戶呼叫被叫用戶時,默認只需要撥打對方的5G-R號碼（MCx ID）,方便用戶操作。

5G-R/GSM-R雙模雙網絡并存過渡組網方案見圖2。

圖2 5G-R/GSM-R雙網絡并存過渡組網方案

如圖2所示,MCx設備與MSC設備共用智能網設備SCP。MCx設備通過與HLR（歸屬位置寄存器）互通,實時掌握雙模終端當前所處的網絡和位置。雙模終端呼出時,原則上優選5G-R網絡。其他用戶呼叫雙模終端時,同樣遵循5G-R優先原則,撥打MCx號碼發起呼叫,由MCx系統負責完成被叫終端的網絡選擇與呼叫路由策略。

3 終端5G-R/GSM-R雙網絡駐留策略

3.1 同一線路雙網覆蓋場景

在GSM-R網絡向5G-R網絡升級過程中,會出現一條線路全線覆蓋2個網絡的場景,見圖3。該場景下,雙模終端始終采取優選5G-R的網絡策略,只有當5G-R網絡不可用時,才會切換到GSM-R網絡。

圖3 同一線路雙網覆蓋

3.2 相鄰并行線路雙網覆蓋場景

相鄰并行線路距離較近形成的雙網覆蓋場景見圖4。

圖4 相鄰并行線路雙網覆蓋

圖4 中線路B采用GSM-R覆蓋,對應的調度臺為線路B調度臺。當線路B上的列車行駛到與線路A并行區段時,進入5G-R與GSM-R雙網覆蓋區域。車載雙模終端應能夠根據所處地理位置（如GPS坐標）確定優選網絡,此時應該按照默認的調度管轄區,選擇接入GSM-R。

此時不能優選5G-R網絡的原因是:若根據5G-R網絡優先原則,此時如果列車發起位置尋址（如1200）,會錯誤地呼叫到線路A調度臺（如圖4箭頭所示）；此時如果發起動態/緊急組呼業務,也會錯誤地呼叫到線路A的用戶。

3.3 線路交界點雙網覆蓋場景

發生在2條線路交界點的5G-R/GSM-R雙網絡覆蓋場景見圖5。

圖5 交界點雙網覆蓋

由于2段線路分屬不同的調度員（調度臺）管轄,因此車載終端需要在2條線路的交界點實現業務的切換,否則可能無法與正確的歸屬調度臺建立聯絡,同時也會影響動態/緊急組呼業務。因此,車載終端需要根據所處地理位置（如GPS坐標）準確選擇網絡,當越過分界點時,進行網絡切換。

4 MCx系統的5G-R/GSM-R雙網絡業務處理策略

4.1 個呼業務

按照5G-R網絡優先原則,對終端個呼業務路由策略的分析見表2。

表2 個呼業務路由策略

由表2可以看出,主叫只需要撥打MCx號碼呼叫被叫雙模終端,由MCx根據被叫雙模終端當前所處的網絡進行呼叫路由,就能夠在各種情況下完成呼叫接續。

4.2 功能尋址

雙模終端進行功能號注冊時,根據5G-R網絡優先原則,使用的用戶號碼為MCx號碼。因此當其他用戶向雙模終端發起功能尋址時,SCP始終返回的是MCx號碼,從而實現雙模終端功能尋址以5G-R網絡優先。

4.3 位置尋址

雙模終端的位置尋址與雙模終端所處的網絡,以及當前位置都有關系。由于SCP同時具有5G-R和GSM-R網絡的位置配置,因此無論雙模終端處于5G-R還是GSM-R網絡覆蓋下,SCP都能夠正確完成對位置尋址的處理。

4.4 動態/緊急組呼

雙模終端的動態/緊急組呼與雙模終端所處的網絡,以及當前位置都有關系。由于MCx與GSM-R實現了動態/緊急組呼的互通,因此雙模終端無論處于5G-R還是GSM-R覆蓋下,都能夠進行動態/緊急組呼業務。

4.5 5G-R/GSM-R雙網絡共存過渡策略總結

通過以上分析可以看出,雙模終端是影響5G-R/GSM-R雙網絡共存過渡方案的主要因素。按照5G-R網絡優先原則,對雙模終端的5G-R/GSMR雙網絡共存過渡策略總結如下。

1）雙模終端注冊功能號時,優選5G-R網絡發起注冊（對于車載終端,還需要根據線路具體情況確定優選策略）。

2）雙模終端呼出時,優選5G-R網絡（對于車載終端,還需要根據線路具體情況確定優選策略）。

3）主叫用戶優先撥打MCx號碼呼叫被叫雙模終端。

4）系統優先使用5G-R網絡接通雙模終端。

5）主叫可分別或同時撥打雙模終端的兩個號碼,實現緊急情況下（如某個網絡出現故障時）的呼叫。

綜合采取以上策略,能夠最大程度上保障雙模終端在5G-R/GSM-R雙網絡共存過渡環境下的業務可用性,同時盡可能地簡化終端操作,改善用戶體驗。

5 5G-R與GSM-R語音等媒體業務的流程及接口

5.1 MCx設備與既有GSM-R系統間的語音個呼業務

MCx設備與既有GSM-R系統間的語音個呼業務互通流程見圖6。

圖6 MCx設備與既有GSM-R系統間的語音個呼互通流程

MCx設備與GSM-R系統間語音個呼業務互通時,能夠支持既有GSM-R的呼叫優先級、緊急呼叫等特性,同時能夠攜帶功能號等信息。

5.2 MCx設備與既有GSM-R系統間的語音組呼

MCx系統間發起跨系統語音組呼的控制邏輯［6］見圖7。其中,控制方負責組呼話權控制,參與方不進行組呼話權控制,只轉發組呼話權控制信息。

圖7 MCx系統間語音組呼控制邏輯

MCx系統組呼按照使用方式,可以分為2種主要類型:預定義組呼（靜態組呼）和動態/緊急組呼。

1）預定義組呼。當MCx系統發起預定義組呼時,考慮到盡量不改變GSM-R配置,可以采用如圖8所示的方案。

圖8 MCPTT與GSM-R預定義組呼互通方案

該方案中,MCx系統采用個呼（也稱單呼）方式呼叫GSM-R用戶,并且GSM-R用戶在組呼中采用全雙工通話方式。其優點是無需對既有GSM-R設備進行任何配置更改,MCPTT-server可以根據需要靈活配置預定義組呼,但存在GSM-R空口信道占用較多的問題。

2）動態/緊急組呼。MCx與GSM-R系統間的動態/緊急組呼互通發生在5G-R/GSM-R雙網絡同時覆蓋的情況下,此時組呼成員為組呼區域內的所有注冊用戶,包含MCx用戶和GSM-R用戶。MCPTT與GSM-R系統間的動態/緊急組呼互通方案見圖9。

圖9 MCPTT與GSM-R動態/緊急組呼互通方案

MCPTT-server首先通過與位置服務器交互獲取當前組呼位置區,將該位置區的MCPTT注冊用戶加入組呼,然后向MSC發起組呼,由MSC負責呼叫位于該位置區的GSM-R注冊用戶［7］。MCPTT-server與MSC各 自 進 行 本 系 統用戶的組呼話權控制,MCPTT-server與MSC系統之間采用全雙工通話方式,不傳遞組呼話權控制信息。

5.3 MCx與既有GSM-R系統間的視頻個呼及組呼

MCx系統與GSM-R系統之間不支持視頻業務互通。但如果在MCVideo組呼［8］中需要呼叫GSM-R用戶,可以采用語音方式互通,具體方式可以參考“MCx與既有GSM-R系統間的語音組呼”流程。

5.4 MCx與既有GSM-R系統間的關鍵數據業務互通

MCx用戶可以通過MCData短數據業務［9］向GSM-R用戶發送點到點短消息（SMS）。如果所發送的MCData短數據長度超過SMS業務所支持的消息長度（140字節）,MCData-server需要將短數據自動拆分成多條SMS消息發送。MCx用戶與GSM-R用戶之間不支持文件傳送。

GSM-R用戶可以向MCData用戶發送點到點短消息,或者向MCData群組發送群組短消息。

5.5 MCx與智能網設備（SCP）的互聯互通

MCx系統與智能網設備的互聯互通主要實現功能號注冊、注銷、查詢,以及功能尋址、位置尋址、基于位置呼叫限制等功能。由于SCP需要處理5G-R用戶的功能尋址、位置尋址、基于位置呼叫限制等業務,因此需要增加與5G-R相關的呼叫權限、位置區等配置。

參考《TB/T 3362—2015鐵路數字移動通信系統（GSM-R）智能網技術條件》［10］,MCx系統與智能網設備的互通流程見圖10。

圖10 MCx系統與智能網設備的互通流程

6 結語

鐵路5G專網與既有鐵路GSM-R系統在兩個層面實現業務連續性,一是網絡層面:通過雙模終端,結合鐵路線不同網絡覆蓋的場景,采用5G-R優先的網絡駐留選擇策略,實現雙網雙待；二是語音等媒體業務互通層面:通過MCx設備與既有HLR設備互通、共用智能網設備、利用MCx系統的接口網關功能,可以在兼容既有MSC以及SCP設備的基礎上,實現5G-R與GSM-R網絡間個呼、組呼、功能尋址、位置尋址、短消息等業務的互聯互通。移動終端5G-R/GSM-R雙模雙網絡方案是在維持現有投資、GSM-R設備不改造、同時建設5G-R網絡背景下提出的解決方案,可以滿足多媒體業務的需求,并能夠較好地降低用戶使用復雜度。