5G-R和GSM-R網絡列車調度通信業務平滑過渡方案研究

張馨丹,李 輝,郭強亮

(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)

1 概述

鐵路列車調度通信作為鐵路行車指揮的重要組成部分，在維護列車運行秩序、提高運輸能力、降低安全風險等方面具有重要作用。目前，我國鐵路采用GSM for Railway(GSM-R)作為車地無線通信網絡[1]，GSM-R屬于窄帶數字移動通信技術，通信容量和傳輸速率小，隨著鐵路業務拓展，現有通信網絡已無法滿足鐵路調度通信需求[2]。國鐵集團采用5G for Railway(5G-R)作為鐵路新一代移動通信系統展開了系統研究、測試、試驗等工作。5G具有大帶寬、高密度、高可靠低時延等特性，這為構建“智慧”鐵路提供了更多可能[3-4]。

在新一代鐵路移動通信系統建設過程中，5G-R與GSM-R網絡共存將持續較長時間。目前，國內外研究機構和組織的理論研究集中在關鍵語音業務(MCPTT)、關鍵數據業務(MCData)、關鍵視頻業務(MCVideo)、寬帶集群通信(B-TrunC)等新技術在新一代鐵路移動通信系統中的應用，對于雙網絡共存階段不同網絡間業務的互聯互通研究不足。網絡互聯互通存在以下困難：①GSM-R屬于在用設備，可改動空間很小；②GSM-R網絡和5G-R網絡基站位置及小區劃分不同；③GSM-R基于電路域和5G-R基于分組域的業務流程和具體信令不同。因此，解決5G-R和GSM-R在應用層面的互聯互通和平滑過渡問題十分迫切。

基于5G-R與GSM-R網絡并存時期調度通信業務互聯互通的需求，提出了調度通信業務系統架構，并針對語音個呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址等關鍵業務研究制定了通信流程，進而提出調度通信平滑過渡技術方案及建議。

2 雙網絡共存時期場景分析及調度通信系統架構

2.1 雙網絡共存時期場景分析

在鐵路新一代移動通信系統建設的不同階段，5G-R和GSM-R網絡共存場景不同，從而鐵路調度通信業務互聯互通的需求不同。隨著建設進程推進，主要包括以下3種場景。

(1)同一線路雙網絡覆蓋

在5G-R系統建設起步階段，存在同一線路雙網絡短期共存的場景，即同一線路既有5G-R覆蓋又有GSM-R覆蓋。當5G-R網絡運行穩定，具備開通條件后，終端優先連接5G-R網絡，GSM-R再退出服務。

(2)線路雙網絡交替覆蓋

在5G-R系統規模建設階段，將形成5G-R網絡和GSM-R網絡在不同線路交替覆蓋的場景，該場景持續時間較長。該場景下，移動終端在不同線路連接不同網絡。

(3)5G-R網絡連續覆蓋

在5G-R系統建設完成后，全路實現5G-R網絡連續覆蓋，屆時GSM-R網絡完全退出鐵路通信網，鐵路通信系統完成更新換代。

綜上所述，針對鐵路通信系統升級階段雙網絡共存的不同場景[5]，為實現調度通信平滑過渡，需要網絡支持以下兩種需求：①移動終端支持雙模，且具備自動或手動選擇不同網絡的功能；②5G-R網絡與GSM-R網絡的調度通信業務互聯互通。此外，由于既有GSM-R網絡系統設備標準和功能已經固化，且屬于在用設備，在考慮雙網絡互聯互通時，應盡量以新設備適配老設備、減少改動既有設備為原則進行方案設計。

2.2 5G-R下調度通信系統架構

現有鐵路無線調度通信業務由GSM-R系統承載。移動交換中心(MSC)負責處理或疏通無線用戶之間、無線用戶與有線用戶之間的業務[6]，用于建立業務信道和交換信令信息；固定用戶接入交換機(FAS)負責有線用戶調度通信業務，具備電路交換功能[7]；智能網系統(GSM-SCP)進行智能業務處理，全網統一部署[8-9]。

鐵路新一代智能調度通信業務由5G-R系統承載，主要通過寬帶集群通信設備(MCX)實現。MCX由SIP核心(SIP Core)和MC應用服務(MCX AS)組成，主要負責信令面消息的注冊、路由等以及語音、視頻和數據業務的管理與控制；有線多媒體調度系統(MDS)負責有線調度用戶[10-12]；5G智能網(5G-SCP)全路統一部署，承擔智能網業務。在5G-R和GSM-R雙網絡并存時期，系統整體架構如圖1所示[13]。5G-R網絡與GSM-R網絡互聯互通接口總結如下。

(1)MCX/MDS系統設置Time Division Multiplexing(TDM)接口網關，負責分組域與電路域信令轉換。

(2)MCX/MDS與MSC之間通過E接口互聯，采用ISUP協議，負責處理跨網絡業務。

(3)MCX與GSM-SCP通過L接口互聯，用于MCX二次查詢GSM-R智能網。

(4)MCX/MDS與FAS通過PRI接口互聯，實現與有線調度系統的信令交互和業務互通。

圖1 調度通信互聯互通系統架構

3 雙網絡調度通信互聯互通方案設計

3.1 語音個呼業務3.1.1 5G-R用戶呼叫GSM-R/FAS用戶

(1)呼叫流程

呼叫流程如圖2所示。

圖2 5G-R用戶呼叫GSM-R用戶流程

①5G-R用戶向MCX發起語音個呼，被叫為GSM-R/FAS用戶，消息中包含被叫用戶MSISDN/ISDN號碼；

②MCX根據被叫號碼，判別用戶所處網絡和提供服務的服務器信息，若被叫用戶為GSM-R或FAS用戶，MCX通過TDM網關，將呼叫信令發送至相應的MSC服務器或FAS服務器；

③MSC/FAS服務器收到來呼信令后，按照相應流程處理后續呼叫，并反饋給MCX系統[14]。

(2)實現條件

①MCX系統需預配置GSM-R用戶和FAS用戶號段信息，MCX系統能夠根據被叫號碼，判別用戶所處的網絡和提供服務的服務器信息。

②MCX系統設置TDM網關，能夠與MSC和FAS系統通過相應的協議進行互聯互通。

③MSC/FAS系統收到來自TDM網關的呼叫信令后，能夠按照相應流程處理后續呼叫。

3.1.2 GSM-R用戶呼叫5G-R/MDS用戶

(1)呼叫流程

與5G-R用戶呼叫過程類似，呼叫流程如圖3所示。

圖3 GSM-R用戶呼叫5G-R用戶流程

(2)實現條件

與5G-R發起個呼類似，但GSM-R網絡需預配置5G-R用戶和MDS用戶號段信息，并能夠將呼叫發送至被叫用戶所在服務器。

3.2 語音組呼業務

由于5G-R下基于MCX的集群通信能夠支持多樣化語音組呼類型，如預定義組呼、自定義組呼等，而目前既有GSM-R網絡實現的是一種基于區域的預定義組呼，因此，僅對基于區域的預定義組呼互聯互通進行分析[15-16]。

3.2.1 5G-R用戶發起有GSM-R用戶參與的語音組呼

(1)語音組呼建立流程

語音組呼建立流程如圖4所示。

圖4 語音組呼建立流程

①移動終端向MCX發起語音組呼，消息中包含組ID[17]；

②MCX根據組ID和主叫位置信息，查詢組管理服務器GMS得到組呼屬性，組織組呼所涉及的系統內成員，如組呼涉及外部系統，則繼續將組呼請求發送至外部系統；

③當該組呼涉及GSM-R系統時，MCX通過TDM網關，將組呼請求發送至相應的MSC；

④MSC收到組呼請求后，查詢組呼寄存器GCR并按照相應流程處理后續語音組呼。

(2)語音組呼話權搶占流程

語音組呼話權搶占流程如圖5所示。

圖5 語音組呼話權搶占流程

5G-R網絡MCX系統的話權搶占協議與GSM-R網絡不同，如實現由主控統一處理話權搶占，則需兩種話權搶占協議實現互通；如各自系統負責內部話權控制，話權搶占協議可不互通，但存在兩個系統分別都有一個移動終端都搶到話權的情況。

(3)實現條件

①在雙網絡交界區域，對同時涉及5G-R用戶和GSM-R用戶的組呼，在兩網絡中設置相同或均能處理的預配置組信息。

②MCX與MSC之間的交互信息和流程類似于兩個MSC之間或FAS與MSC之間的交互。

③MCX和MSC分別負責各自系統內的組呼成員組織，在系統間進行交互。

④完整的話權控制，需要兩個網絡話權控制協議實現互通。

3.2.2 GSM-R用戶發起有5G-R用戶參與的語音組呼

(1)語音組呼建立流程

與5G-R用戶發起組呼流程類似，其中，MSC判定該組呼涉及外部MCX系統，需將組呼請求進一步發送至MCX系統處理。

(2)語音組呼話權搶占流程

與5G-R用戶發起的組呼通話流程類似，話權搶占由主控統一處理或各自系統分別負責。

(3)實現條件

與5G-R用戶發起組呼的實現條件類似。為盡量減少對于既定GSM-R系統的變動，MSC與MCX之間的交互信息和流程與兩個MSC之間或MSC和FAS之間的交互類似。

3.3 功能尋址業務

在GSM-R網絡中，由共用智能網GSM-SCP提供功能號操作及功能尋址服務[18]；由于5G網絡是基于IP的分組域網絡，既有電路域的相關信令和協議已經不再適用，因此，在5G-R系統中獨立設置5G-SCP智能網，負責5G下的功能號操作及功能尋址服務。

3.3.1 MDS用戶功能尋址呼叫GSM-R/FAS用戶

(1)呼叫流程

MDS用戶向MCX服務器發送功能尋址呼叫請求，MCX依次通過5G-SCP、GSM-SCP進行功能尋址查詢；GSM-SCP查詢到該被叫功能號對應的用戶MSISDN/ISDN號碼后，通過VLR和MSC查詢被叫用戶所處小區位置，進行基于位置的呼叫限制校驗，確認被叫用戶號碼后反饋至MCX服務器，MCX根據跨網用戶語音個呼流程繼續后續呼叫。呼叫流程如圖6所示。

圖6 MDS用戶發起功能尋址流程

(2)實現條件

①MCX與5G-SCP和GSM-SCP均互聯，MCX具備二次查詢功能，即優先向5G-SCP查詢，查詢不到功能號時，再次向GSM-SCP查詢功能號。

②由于有線調度終端發起的功能尋址需校驗基于位置的呼叫限制，因此，GSM-SCP需預配置MDS用戶管轄的GSM-R小區范圍，用于判別主叫MDS用戶和被叫GSM-R用戶位置呼叫限制關系。

(3)其他方案

上述方案通過MCX進行二次查詢，除此之外，可以考慮通過MCX查詢失敗后由MSC進行查詢實現功能尋址業務互聯互通，即MCX通過5G-SCP功能尋址查詢失敗后，MCX將功能尋址呼叫發送至MSC，由MSC接續呼叫并在GSM-SCP進行查詢，通過基于位置的呼叫限制確認被叫用戶號碼后，MSC繼續后續呼叫。此方案不需MCX與GSM-SCP直接互聯，只需MCX在查詢5G-SCP失敗后將功能尋址呼叫轉發給MSC，并且MSC收到功能尋址呼叫信令后能夠按照相應流程繼續呼叫。

3.3.2 FAS用戶功能尋址呼叫5G-R/MDS用戶

(1)呼叫流程

MSC依次通過GSM-SCP、5G-SCP進行功能尋址查詢；5G-SCP對有線調度終端發起的功能尋址呼叫進行基于位置的呼叫限制校驗，確認被叫用戶號碼后反饋至MSC服務器，MSC繼續后續呼叫。呼叫流程如圖7所示。

圖7 FAS用戶發起功能尋址流程

(2)實現條件

①MSC與5G-SCP和GSM-SCP均互聯，MSC具備二次查詢功能，即優先向GSM-SCP查詢，查詢不到功能號時，再次向5G-SCP查詢功能號。

②5G-SCP需預配置FAS用戶管轄的5G-R區域信息，用于基于位置呼叫限制校驗。

(3)其他方案

除此之外，可以考慮通過MSC查詢失敗后由MCX進行查詢實現業務互聯互通，即MSC通過GSM-SCP功能尋址查詢失敗后，MSC將功能尋址呼叫轉移至MCX，MCX在5G-SCP進行查詢。此方案不需MSC與5G-SCP直接互聯，只需MSC在查詢GSM-SCP失敗后將功能尋址呼叫轉發給MCX，并且MCX收到功能尋址呼叫信令后能夠按照相應流程繼續呼叫。

第二種方案簡化了互聯互通的網絡架構，降低了跨網用戶功能尋址的實現難度。但兩種方案均需對GSM-R設備進行大規模調整，考慮到在用設備可改變空間較小，FAS用戶功能尋址呼叫5G-R/MDS用戶實現難度較大。

3.4 基于位置尋址業務

基于位置尋址主要用于移動用戶呼叫固定用戶[19]。GSM-R網絡中位置尋址主要由GSM-SCP提供服務；在5G-R網絡建設中，為降低共用設備所帶來的集中風險，需減少共用設備數量或承擔的業務功能，而基于位置的尋址業務僅發生在相應的局部位置區域，因此，5G-R網絡中位置尋址業務可由MCX提供服務?；诖?，GSM-SCP預配置MDS用戶信息，MCX預配置FAS用戶信息；MSC和MCX服務器依據真實用戶號碼識別被叫用戶所處網絡并發起呼叫。

3.5 其他業務

(1)數據業務

5G-R網絡中MCX系統支持MCData數據業務，該數據業務屬于調度通信業務范疇；GSM-R數據業務由GPRS、短消息業務中心(SMS-SC)等網元承擔，GSM-R系統沒有調度通信數據業務。因此，GSM-R和5G-R之間不支持調度通信數據業務互聯互通。但在5G-R網絡中考慮設置獨立的短消息服務中心[20]，用于提供5G用戶的短消息服務，可考慮兩類短消息中心互聯，實現5G-R和GSM-R的短消息業務互通。

(2)視頻業務

由于GSM-R不支持視頻業務，因此，GSM-R和5G-R之間不支持視頻業務的互聯互通[21]。

4 平滑過渡方案及建議

綜上所述，5G-R和GSM-R網絡的互聯互通主要集中在調度通信業務上，給出以下調度通信平滑過渡方案及建議，詳細方案見表1。該方案根據鐵路調度通信呼叫類型和呼叫發起方向進行劃分，詳細分析了跨網用戶之間語音個呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址等業務的可行性和實現條件。

表1 5G-R與GSM-R網絡調度通信平滑過渡方案及建議

5 結語

本文對于鐵路新一代移動通信系統建設時期調度通信場景和業務需求進行了分析，基于5G-R和GSM-R網絡架構及調度通信業務需求提出了一種雙網絡并存階段調度通信系統架構；并在此基礎上，給出了語音個呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址業務跨網互聯互通的實現方法和信令流程，并闡明了視頻業務和數據業務無法互通的原因；最后，總結出一種調度通信平滑過渡方案并給出建議，該方案在盡可能減少對于既定系統變動的前提上，給出跨網用戶之間語音個呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址等業務的實現方案及建議。綜上所述，在5G-R和GSM-R網絡共存階段，調度通信平滑過渡方案對實現兩種制式網絡之間業務互聯互通、保障調度通信安全具有重要意義。