鐵路5G專網集群通信技術方案設計

林基鋒

(中國電信股份有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516000)

0 引言

在鐵路運輸過程中，應用專用移動通信系統可以增強鐵路運輸的安全性與穩定性。在5G技術不斷完善的背景下，將5G技術應用在鐵路專網中，為移動通信提供支持。

1 鐵路中的關鍵業務

1.1 鐵路調度通信業務

鐵路調度通信業務包括諸多內容，例如列車調度、動車調度、客運調度、貨運調度等。業務應用涉及了很多終端，如移動終端與固定終端之間的組呼、移動終端等[1]。在進行列車調度通信時，相關人員需要利用專用的通信設備進行語音聯系并進行行車等方面的信息提示。列車調度通信的專業術語是“車機聯控”，且這一術語被應用在了無線列車調度系統、GSM-R系統等諸多系統當中，為列車調度通信提供了便利。GSM-R系統具有多種功能，常用功能為位置尋址、矩陣接入等，可以根據鐵路調度通信業務的場景以及需求提升服務質量，保障鐵路調度通信的科學性。

1.2 鐵路列車控制業務

在鐵路運行過程中，工作人員需要對鐵路列車進行控制。幾年前，高速鐵路開始應用以GSM-R系統為基礎的CTCS-3級列控系統。GSM-R系統應用了電路交換數據業務通道，可以為列車控制系統提供大量的數據。與列車調度通信業務相同，列車控制業務也屬于電路域業務。電路域采用了電路交換技術，具有低時延、小數據量等優勢。以GSM-R系統為基礎的電路域技術基本符合鐵路業務的需求，可以為列車調度通信業務、列車控制業務提供助力。5G網絡是以分組域架構為基礎的網絡技術，而分組域架構中應用了包交換方式，可以促進業務數據的共享[2]。在5G技術不斷發展的過程中，鐵路企業應意識到只有不斷優化業務技術才能符合5G技術的要求。

2 集群通信技術

2.1 MC技術

MC技術即關鍵業務技術，又被稱為關鍵業務一鍵通技術，是在分組無線網絡基礎上形成的語音集群通信技術。從特定行業的角度來看，MC技術可以根據行業需求進行調度指揮，是專用的無線通信技術。相比于其他集群通信技術，MC技術具有快速建立語音、快速搶占語音、利用少量無線信道為大量用戶提供服務等特點。MC技術是在IMS技術的基礎上發展而來的，對IMS技術的網絡結構進行了優化，所以具備低時延、建網難度小等優勢。在鐵路移動通信中，應用MC技術可以提升位置上報質量、增強發言權的控制性、對呼叫進行優先級劃分。此外，MC技術可以為多種應用場景提供支持，例如關鍵數據業務場景、關鍵語音業務場景以及關鍵視頻業務場景。所以，相關組織將MC技術融入4G標準體系，并完善了4G技術的數據業務與視頻業務，之后又將MC技術融入5G網絡架構。

2.2 VoLTE技術

IMS系統即IP多媒體子系統，指的是能夠滿足多樣化業務應用需求的系統。IMS系統可以在分組承載網絡的情況下開展數據業務、語音業務以及視頻業務，也可以與現有的電路域網絡相連接[3]。VoLTE技術指的是以IMS為基礎的語音業務技術。在4G網絡中，應用VoLTE技術不僅可以提高數據業務質量，也可以為人們提供高質量的音視頻通話。在VoLTE技術當中，IMS系統包括諸多功能，例如VoLTE應用服務功能、代理會話控制功能、會話邊界控制功能等。首先，VoLTE技術中的P-CSCF是最關鍵的接入節點，具有代理會話初始協議的功能。其次，VoLTE技術中的S-CSCF與I-CSCF可以為業務注冊提供服務，也可以控制會話。最后，VoLTE-AS中含有大量的業務邏輯，可以為語音通信提供大量的媒體資源，也可以為語音業務以及視頻業務提供支持。此外，HSS具有信息存儲等功能，可以存儲用戶、業務等信息。同時，IMS系統的邊界中也含有SBC，可以實現用戶與系統的連接。

當前，常用的4G網絡中含有諸多網元，例如無線接入網、應用網絡網關等。但5G網絡技術只能為數據業務提供支持，無法為語音業務提供支持。在5G網絡技術中開展語音業務需要利用VoLTE技術，該技術屬于4G網絡中的技術，所以以5G網絡技術為基礎的語音業務被稱之為VoNR[4]。

3 鐵路5G專網集群通信系統構建

鐵路企業技術人員需要根據相關標準分析網絡集群通信技術，并構建鐵路5G專網集群通信系統(見圖1)。以5G網絡與MC技術為基礎的鐵路集群通信系統包括無線網絡系統、5G核心網絡系統、MC移動終端以及MC集群通信系統等子系統。其中，MC集群通信系統包括諸多模塊，例如公共管理模塊、MC業務模塊等，可以完善整個系統的功能。MC集群通信系統內部主要利用超文本傳輸協議等協議與5G網絡進行交互。在鐵路5G專網集群通信系統中，MC集群通信系統與鐵路多媒體調度系統之間是相互連接的，可以為固定用戶與移動用戶之間的通信提供支持。同時，鐵路多媒體調度系統具有較強的兼容性，可以容納MC集群通信系統的協議以及接口。

圖1 鐵路5G專網集群通信系統

3.1 MC業務模塊

MC業務模塊主要是由多播業務、MC業務服務器以及MC業務客戶端共同構成的，其關鍵作用是業務應用，可以對語音業務、數據業務以及視頻業務進行控制。(1)多播業務可以為無線通信系統的運行提供支持，從而通過廣播等形式展現業務數據流。相關標準中對以LTE為基礎的多播業務進行了明確規定，但以5G網絡為基礎的多播業務還沒有統一的標準。(2)MC業務服務器可以促進MC業務的實現。在相同組的MC客戶端應用的是相同的MC業務服務器，在不同組的MC客戶端可以應用不同的MC業務服務器。在MC業務服務器當中，可以將MC組管理應用在控制組通信的多播功能以及單播功能中。(3)MC業務客戶端處于終端側，可以為系統提供終端設備的具體位置。

3.2 公共管理模塊

公共管理模塊屬于公共邏輯功能實體，包含了諸多業務，例如MC-Data業務等。公共管理模塊的功能較為完善，可以對MC業務進行配置，也可以對業務進行位置管理、密鑰管理。在設計過程中，技術人員需要利用C/S架構完善公共管理模塊，從而完善該模塊的各項功能。(1)MC業務配置管理功能。工作人員可以利用公共管理模塊的這一功能對MC業務信息進行優化配置。(2)組管理功能。工作人員可以利用該功能管理系統用戶群組，為終端用戶提供各種策略與信息，例如呼叫控制信息等，以便終端用戶進行呼叫控制。(3)密鑰管理功能。工作人員可以利用這一功能存儲密鑰并為用戶提供密鑰信息，以便用戶利用密鑰維持信令的完整性[5]。(4)位置管理功能。位置管理功能的作用相對較多，可以接收用戶的位置信息，也可以存儲用戶的位置信息、為服務器提供用戶的位置信息。同時，該功能也可以通過5G網絡直接獲取用戶的位置信息。用戶的位置信息包括諸多內容，例如用戶的具體位置、終端設備的經緯度等。在鐵路系統中，工作人員可以利用位置管理功能獲取列車的線路信息、公里標信息。

3.3 會話初始協議模塊

會話初始協議模塊是MC集群通信系統的關鍵，可以為業務注冊、業務選擇等工作提供支持。同時，會話初始協議模塊也可以對相關數據、信息、注冊標識進行嚴格管理。會話初始協議模塊與公共管理模塊、MC業務模塊以及用戶數據庫模塊都應用了會話初始協議，可以對相關協議進行控制。技術人員需要根據外部系統中的協議為會話初始協議模塊配置相應的處理功能。同時，也需要利用HTTP/TCP協議實現MC系統與5G網絡的連接，完善二者的策略控制功能。利用移動應用部分協議與信令用戶部分協議實現MC系統與GSM-R系統的連接。

4 鐵路5G專網集群通信技術方案

4.1 在功能服務的基礎上完善網絡架構

相比于4G網絡架構，5G網絡架構出現了一定的變化，例如其載體是網絡功能虛擬化、其架構是服務化架構。同時，5G網絡的網元發展為了網絡功能，技術人員可以根據實際業務流程選擇所需功能，從而進行信令交互。在完成控制面流程后，技術人員可以利用業務系統、終端系統等構建用戶面IP通道，從而減少數據處理過程中的網元，增強網絡的低時延性。5G網絡控制面的架構較為復雜，技術人員需要通過有效方式完善網絡架構。

4.2 優化鐵路調度通信業務實現方案

近年來，我國不斷研究網絡技術，將3G技術轉變為了4G技術，又將4G技術發展為5G技術，為用戶通信提供了支持。相比于公共網絡，鐵路專網當中的用戶以及產業鏈相對較少，所以鐵路企業在應用5G網絡時需要利用多模終端轉換網絡制式這種方式，從而降低網絡應用的難度。同時，鐵路調度通信業務當中應用了GSM-R系統的用戶終端，也應用了有線調度系統的固定終端，技術人員需要將這些終端與5G專網MC系統當中的終端結合起來，從而落實語音業務。5G專網的MC系統中無論是語音業務還是數據業務、視頻業務的本質都是數據資源，但是數據內容不同。技術人員需要利用有效措施實現GSM-R系統與5G專網的連接。第一，技術人員需通過有效措施實現GSM-R系統移動用戶與5G專網移動用戶的語音業務連接。在這一過程中，技術人員應將兩個網絡系統中的交換中心設備連接起來，并提升MC系統的兼容性，也需要在兩個網絡系統中應用不同號段的用戶號碼，從而簡化用戶通信流程[7]。第二，技術人員需通過有效措施實現鐵路調度通信系統固定用戶與5G專網固定用戶的語音業務連接。在鐵路調度通信過程中，可以利用通信業務呼叫調度人員、列車司機等人員。技術人員可以在多媒體調度系統與有線調度系統中應用不同的ISDN 號段，從而區分兩個系統的用戶。

在實際通信過程中，調度人員可以通過車次功能號的方式呼叫列車，但是這種方式無法根據號段對網絡進行準確區分。因此，本文將對這一情況進行分析。首先，利用多媒體調度臺發起呼叫。如果多媒體調度系統無法判斷用戶所處的網絡狀態便不能根據號段分析用戶是利用5G網絡注冊的還是利用GSM-R網絡注冊的。技術人員可以利用雙發這種方式同時為5G網絡與GSM-R網絡發送車次功能號，并利用智能網設備分析車次功能號的情況。其次，利用有線調度臺發起呼叫。在構建5G網絡系統時，技術人員需同步構建有線調度系統，避免出現利用有線調度臺呼叫5G用戶的情況。

5 結語

技術人員需要根據鐵路業務的特點與需求應用集群通信技術，構建完善的鐵路5G專網集群通信系統架構，確保系統架構中含有MC業務、公共管理、會話初始協議、用戶數據庫等模塊。技術人員需要根據系統架構優化鐵路調度通信業務實現方案，提高鐵路移動通信的質量。