基于IPv6的鐵路多媒體調度通信系統方案研究

李瑋琪，楊家田，孫 強

(1.北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；2.中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段，合肥 230011）

隨著鐵路行業高速發展、現代通信及信息技術不斷提高，鐵路調度通信系統作為列車安全、準時、高效運行的保障，正朝著數字化、智能化的趨勢發展[1]，面臨著更高的要求。鐵路調度通信系統是鐵路運輸的核心，承載著列車、貨運、客運、供電等調度的統籌管理任務[2]，行車相關調度人員可以通過鐵路調度通信系統實現語音溝通和業務下發。國內高鐵運行速率和發車班次的大幅提升，為鐵路調度通信系統帶來了大量調度任務，推動著鐵路調度通信系統的升級，鐵路多媒體調度通信系統應運而生。

1 鐵路調度通信系統現狀

鐵路調度通信系統是鐵路運輸指揮的重要基礎設施，是中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）、鐵路局、鐵路車站和站段指揮運輸生產聯絡用的專用通信系統[3]。鐵路有線調度通信系統作為既有的鐵路調度通信系統，由計劃調度、列車運行調度、貨運調度、客運調度、供電調度、機車調度、安全監控調度等11個子系統構成[4]。系統組網如圖1所示[5]。

圖1 鐵路有線調度通信系統組網示意Fig.1 Schematic diagram of railway wired dispatching communication system networking

鐵路有線調度通信系統自上而下分為3級：第一級為一級調度中心，位于國鐵集團，包括數調主系統、調度臺、調度分機和網管終端，用于指揮各鐵路局和專業運輸公司完成運輸生產經營任務；第二級為二級調度中心，位于鐵路局調度所，包括數調主系統、調度臺、調度分機和網管終端，用于指揮鐵路局管內運輸生產單位完成運輸生產經營任務；第三級為車站（段）內調度中心，包括調度分系統、調度分機和值班臺，用于指揮本站區作業人員完成運輸生產經營任務。

隨著通信技術、視頻業務的發展，單純的語音、數據通信已不能滿足鐵路的調度作業需求，鐵路調度對于可視化的需求越來越大，對于安全性、可靠性的要求也在不斷增多。作為鐵路有線調度通信系統的升級，鐵路多媒體調度通信系統具備語音通信、視頻通信、數據通信、可視化位置服務、多媒體會議、圖像及語音識別、與其他業務應用系統互聯互通等功能，滿足時代發展的需求。

2 鐵路多媒體調度通信系統介紹

鐵路數據通信網是鐵路多媒體調度通信系統的承載網，當前其設備使用的IPv4協議，存在IP地址資源不足、服務質量控制不足的問題，正在逐步向IPv6過渡。順應承載網的發展，鐵路多媒體調度通信系統直接使用IPv6協議，給后續的發展提供足夠的空間，大大提升了業務承載能力。

2.1 鐵路多媒體調度通信系統架構

鐵路多媒體調度通信系統部署為國鐵集團、鐵路局集團公司兩級。系統架構如圖2所示。

圖2 鐵路多媒體調度通信系統架構Fig.2 Architecture of railway multimedia dispatching communication system

國鐵集團多媒體調度通信系統主要由中心設備、安全設備、網管及終端組成，實現干線多媒體調度臺，國鐵集團多媒體話機、IP話機等終端的多媒體業務功能。

各鐵路局集團公司多媒體調度通信系統主要由中心設備、安全設備、本地功能單元、遠端接入模塊、網管和終端組成，實現鐵路局集團公司管內多媒體調度臺、多媒體話機、IP話機、模擬話機等終端的多媒體業務功能。

鐵路多媒體調度通信系統與GSM-R[6]、鐵路5G專網、鐵路有線調度通信、鐵路地理信息、綜合視頻監控等通信系統及相關專業業務應用系統互聯，可以實現鐵路多媒體業務應用的轉發與通信。

2.2 鐵路多媒體調度通信系統的IPv6地址劃分方案

鐵路多媒體調度通信系統使用IPv6協議，IPv6地址長128位，分為網絡前綴、子網ID和主機ID 3段，如圖3所示。網絡前綴共32位，為固定值FD00::/32。子網ID共32位，分為4個級別的標識。主機ID共64位。

圖3 鐵路多媒體調度系統IPv6地址劃分Fig.3 IPv6 address division of railway multimedia dispatching system

鐵路多媒體調度通信系統IPv6地址中子網ID和主機ID的劃分方式如下。

1）子網ID中，一級標識區分所屬網絡，鐵路多媒體調度通信系統屬于數據通信網，本級標識為0101（二進制）。

2）子網ID中，二級標識區分所屬區域，如國鐵集團本機標識為00000000（二進制）。

3）子網ID中，三級標識為00010000-00011111（二進制），三級標識的前4位固定，代表鐵路多媒體調度通信系統，后4位用來標識業務類型，如表1所示。

表1 三級標識前兩位Tab.1 The first two digits of level 3 identifier

4）子網ID中，三級標識為000000000000-111111111111（二進制），對于國鐵集團和路局放置的中心設備和多媒體調度設備，該級標識為000000000000（二進制），對于車站的本地功能單元和多媒體調度設備，該級標識為000000000001-11111111111（二進制）。該分配方式可支持每個路局下最多4 095個車站，完全滿足當前需求。

5）主機ID用于標識鐵路多媒體調度通信系統中的設備，采用手工配置靜態地址。

3 鐵路多媒體調度通信系統部署方案

鐵路多媒體調度通信系統是鐵路有線調度通信系統的升級，在系統構建時，制定兩種方案。方案1是改造鐵路有線調度通信系統的設備，保留原有的電路交換功能，增加分組交換功能，并根據業務需要新增多媒體調度臺。方案2是不考慮鐵路有線調度通信系統，新建鐵路多媒體調度通信系統，將鐵路有線調度通信系統作為外部系統接入到鐵路多媒體調度通信系統。

隨著IPv6應用范圍的逐步擴大，鐵路多媒體調度通信系統的外部系統也正在進行從IPv4向IPv6升級，為適應外部系統的發展，制定與外部系統的互通方案。

3.1 方案1：改造鐵路有線調度通信系統

方案1是改造鐵路有線調度通信系統，使主系統同時具有電路交換和分組交換的功能，調度臺具備2 M、以太網雙接口。原有模擬設備采用2M電路進行數據傳輸，通過網關接入以太網交換機。改造順序如下。

1）改造試點路局

選取特定路局作為試點，升級數調主系統兼容電路交換和分組交換功能，升級原有的調度臺具備以太網接口。

2）改造試點車站

選取部分車站作為試點，升級數調分系統兼容電路交換和分組交換功能，升級原有的調度臺具備以太網接口。

3）改造試點路局剩余車站

當試點路局、試點車站通過多媒體調度功能完整性測試后，為試點路局剩余車站升級數調分系統和原有的調度臺。

4）改造國鐵集團系統

當完成試點路局改造之后，升級國鐵集團數調主系統和原有的調度臺。

5）改造剩余路局及其車站

升級剩余路局的數調主系統和原有的調度臺，升級剩余車站的數調分系統和原有的調度臺。

6）改造后的系統結構

改造鐵路有線調度通信系統，需要采用雙平臺系統的方案。雙平臺系統包括電路交換核心和軟交換核心，由網管系統統一管理雙平臺上的業務和終端用戶，跨平臺的專用調度臺在兩個平臺上具有相同的號碼，能自動選擇呼出路由并能在單平臺故障時自動切換。系統支持同時接入5G-R區段和GSM-R區段，同樣支持綜合視頻監控系統、鐵路通信地理信息系統、防災系統等的接入，共同完成視頻調用、列車可視化調度、災害上報等功能。

改造后的鐵路多媒體調度通信系統結構如圖4所示。

圖4 方案1系統結構Fig.4 System structure diagram of scheme 1

3.2 方案2：新建鐵路多媒體調度通信系統

方案2是部署支持IPv6的中心設備、本地功能單元和多媒體調度設備，新建鐵路多媒體調度通信系統，新建順序參考方案1。

由于新建鐵路多媒體調度通信系統將鐵路有線調度通信系統作為外部系統，所以在部署設備時無需考慮鐵路有線調度通信系統，選取支持IP協議的單核心系統。

單核心系統包括核心交換服務器、管理服務器、錄音錄像服務器、調度業務服務器、媒體資源服務器等，支持多媒體調度臺、各類SIP終端和綜合接入網關的直接接入。通過與MCX服務器的連接完成有線、無線一體化，通過中繼網關可以和鐵路有線調度通信系統連接，系統還可支持綜合視頻監控系統、鐵路通信地理信息系統、防災系統等的接入，共同完成視頻調用、列車可視化調度、災害上報等功能。

改造后的路局系統結構如圖5所示。

圖5 方案2系統結構Fig.5 System structure diagram of scheme 2

兩種方案各有優勢，方案1的優勢是改造范圍小、成本相對較低，方案2的優勢是系統是全新構建，后期改造升級更為簡單。綜合考慮方案1和方案2的利弊，為實現節約成本、快速改造的目的，選取方案1。

3.3 外部互通方案

鐵路多媒體調度通信系統作為鐵路各類專業作業的調度通信系統，通過借助外部系統可以更好的完成調度任務。對于采用2M接口的外部系統，如鐵路干線調度通信系統、鐵路有線調度通信系統、GSM-R系統等，使用TDM網關接入到中心設備。對于正在從IPv4向IPv6過渡的外部系統，存在IPv4和IPv6兩種設備，因此需要考慮外部IPv4設備與內部IPv6設備的互通問題。IPv4與IPv6的互通技術主要包括雙棧技術、隧道技術，以及網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）技術。

1）雙棧技術

雙棧技術是使IPv6網絡節點具有一個IPv4棧和一個IPv6棧[7]，同時支持IPv4和IPv6協議。IPv6和IPv4是功能相近的網絡層協議，兩者都應用于相同的物理平臺，并承載相同的傳輸層協議，即TCP或UDP。

2）隧道技術

隧道技術是必要時將IPv6數據包作為數據封裝在IPv4數據包里，使IPv6數據包能在已有的IPv4基礎設施（主要是指IPv4路由器）上傳輸的技術[8]。

3）NAT技術

NAT技術是將IPv4地址和IPv6地址分別看作內部地址和全局地址，或者相反，即在兩種網絡的邊界，如路由器等網絡設備上，進行兩種協議的轉換及翻譯[9]。

相比雙棧技術，采用NAT技術實現IPv4與IPv6互通的優點是不需要進行IPv4、IPv6節點的改造，而隧道技術更適用于多個孤立IPv6網絡互通的場景，因此鐵路多媒體調度通信系統采用NAT技術實現IPv4與IPv6網絡互聯。通過在外部系統接口處部署DNS64和NAT64服務器，完成IPv4與IPv6之間的地址轉換，實現鐵路多媒體調度通信系統與外部系統的互通。

4 鐵路多媒體調度通信系統的安全運維

鐵路多媒體調度通信系統使用IPv6協議，形成IPv6網絡。IPv6網絡運維有以下3個要求：快速解決故障、主動預防問題和網絡日常管理。

可視化IP運維技術是一種自動化的智能運維技術，通過網絡高精地圖，實現全網路況實時可視、網絡擁塞和鏈路狀態可視、網絡時延拓撲可視、網絡性能可視。它的提出可以解決IPv6網絡運維中的難題，滿足IPv6網絡運維的3個要求。將可視化IP運維技術應用在鐵路多媒體調度通信系統中，可以在多媒體調度臺顯示語音、視頻通話質量，實現路由和網絡性能可視，更好的排除故障隱患。

鐵路多媒體調度通信系統的網管具有配置、性能、故障、安全管理的功能，實現對多媒體調度通信系統設備、終端和業務的管理，在系統運維中起到主要作用。安全設備提供多媒體調度通信系統內部、外部網絡的隔離、網絡行為分析與攻擊防范、網絡安全預警報警和審計、系統安全補丁管理、終端安全管控等功能。

多媒體調度臺能夠提供語音、視頻、數據等各類通用多媒體調度通信功能，作為鐵路多媒體調度通信系統的核心終端，為了系統安全，多媒體調度臺具有2M和以太網兩個接口，兩個接口互為備份。多媒體調度臺的2M接口通過遠端接入模塊與本地功能單元和鐵路數據通信網相連，遠端接入模塊作為多媒體調度臺與外界的隔離，是系統的安全保障。

5 總結

本文介紹既有鐵路調度通信系統——鐵路有線調度通信系統，為更好的實現業務調度，結合鐵路數據通信網現狀，制定了基于IPv6的鐵路多媒體調度通信系統的部署方案和互通方案。在系統安全運維方面，選用可視化IP運維策略，并介紹系統用于運維的主要設備。

鐵路多媒體調度通信系統具有易于管理、易于擴容、高清語音視頻等優勢，IPv6具有更大的地址空間、使用更小的路由表[10]、增加了增強的組播支持以及對流的控制，具有更高的安全性，IPv6與鐵路多媒體調度通信系統的結合是鐵路調度通信系統的發展方向。