李春鐸,李 輝,藺 偉

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081; 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所,北京 100081)

作為交通強(qiáng)國的先行者，鐵路對(duì)促進(jìn)我國交通行業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。隨著我國高鐵技術(shù)不斷取得突破，GSM-R作為窄帶通信系統(tǒng)已逐漸不能滿足未來鐵路多樣化業(yè)務(wù)的需求。2015年，中國鐵路總公司科技管理部和運(yùn)輸局成立中國鐵路下一代移動(dòng)通信技術(shù)研究工作組，全面開展LTE-R技術(shù)研究[1]。LTE-R在LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入了適用于鐵路應(yīng)用場(chǎng)景的新特性并適用于高速場(chǎng)景。調(diào)度語音通信作為鐵路通信中最關(guān)鍵的業(yè)務(wù)之一，勢(shì)必要引入更先進(jìn)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。MCPTT是3GPP組織針對(duì)公共安全和鐵路運(yùn)輸提供的全新語音功能，關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于基于LTE架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵任務(wù)的即按即通。

1 現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)的鐵路調(diào)度通信

1.1 現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度語音通信

目前我國鐵路所使用的調(diào)度語音通信系統(tǒng)為GSM-R+FAS(固定用戶接入交換機(jī))無線+有線系統(tǒng)混合組網(wǎng)[2]。車站臺(tái)和調(diào)度臺(tái)通過FAS連接到GSM-R的移動(dòng)交換中心(MSC)，以實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)與有線通信系統(tǒng)間的互聯(lián)。具體組網(wǎng)如圖1所示[3]。這種組網(wǎng)方式可以滿足移動(dòng)臺(tái)和固定終端間的調(diào)度語音業(yè)務(wù)。

圖1 GSM-R+FAS方式組網(wǎng)

組呼作為鐵路通信中一種調(diào)度語音呼叫，在提升列車運(yùn)行效率、確保運(yùn)輸安全方面起著重要作用[4]。組呼是典型的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信方式，有多個(gè)成員參與(移動(dòng)臺(tái)或固定終端)，同一時(shí)刻只有一人可以講話，其余成員聆聽。簽約了同一組ID的所有成員可以接收組呼業(yè)務(wù)，如果用戶想要講話，需按下PTT鍵，便可以以主叫身份講話[5]。組呼打破了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫的限制，可以快速地建立如列車調(diào)度員、車站值班員、機(jī)車司機(jī)間的多方通信。

1.2 現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度語音通信的局限性

(1)GSM-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比于LTE-R，采用了非扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜(如包含基站控制器)，這使通信的語音、數(shù)據(jù)時(shí)延更大。

(2)GSM-R系統(tǒng)在進(jìn)行組呼時(shí)，組內(nèi)想要發(fā)言的成員必須發(fā)送信號(hào)申請(qǐng)發(fā)言權(quán)。成為講話成員的權(quán)利以先到先得的方式分配，不設(shè)置排隊(duì)機(jī)制，且不限制用戶講話的時(shí)間，這樣就不能保證組內(nèi)其他同優(yōu)先級(jí)的成員及時(shí)的獲得話權(quán)[6]。

2 LTE-R網(wǎng)絡(luò)的MCPTT調(diào)度語音通信

MCPTT為3GPP在R13版本中提出的一種支持多用戶通信(如個(gè)呼、組呼)的服務(wù)，是未來公網(wǎng)對(duì)講發(fā)展的主要方向之一。每個(gè)用戶都可以以一種仲裁的方式獲得講話許可[7]。當(dāng)發(fā)生多個(gè)連接請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)用戶優(yōu)先級(jí)特征來決定接受哪個(gè)用戶的請(qǐng)求、拒絕哪個(gè)用戶的請(qǐng)求或安排用戶排隊(duì)等待。 MCPTT服務(wù)可以讓具有較高優(yōu)先級(jí)的用戶(例如MCPTT緊急會(huì)話)覆蓋當(dāng)前講話者的通信。除此之外，MCPTT服務(wù)還支持一種限制用戶談話時(shí)間的機(jī)制，從而允許相同或較低優(yōu)先級(jí)的用戶獲得發(fā)言權(quán)。圖2為MCPTT系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖2 MCPTT系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由LTE接入網(wǎng)、LTE核心網(wǎng)、MCPTT客戶端、MCPTT服務(wù)器組成。接入網(wǎng)包括用戶終端設(shè)備UE和分布式基站(BBU+RRU)[8]。LTE核心網(wǎng)絡(luò)包括MME(移動(dòng)性管理實(shí)體)、S-GW(服務(wù)網(wǎng)關(guān))和P-GW(PDN網(wǎng)關(guān))、HSS(歸屬用戶服務(wù)器)、PCRF(策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能)、MCE(多小區(qū)/組播協(xié)調(diào)實(shí)體)、MBMS-GW(多媒體廣播組播服務(wù)網(wǎng)關(guān))、BM-SC(廣播組播業(yè)務(wù)中心)。在用戶數(shù)據(jù)面進(jìn)行多播業(yè)務(wù)時(shí)，MCE負(fù)責(zé)為eMBMS業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)時(shí)頻資源并配置MCS等無線參數(shù)。MBMS-GW通過M1接口向所有eNodeB同步廣播用戶數(shù)據(jù)，并通過MME向eNodeB發(fā)送會(huì)話控制信令。BM-SC提供eMBMS業(yè)務(wù)，同時(shí)使用SYNC同步協(xié)議以保證MBMS-GW廣播給所有eNodeB的數(shù)據(jù)同步[9]。在進(jìn)行單播業(yè)務(wù)時(shí)， MCPTT服務(wù)器通過Rx接口向PCRF申請(qǐng)業(yè)務(wù)資源，PCRF可根據(jù)業(yè)務(wù)類型為其建立專有承載，保證業(yè)務(wù)的傳輸速率。在信令控制面，MCPTT服務(wù)器和MCPTT客戶端使用會(huì)話發(fā)起協(xié)議(SIP)，通過SIP core來傳輸SIP消息。SIP core定義了SIP實(shí)體的特定類別[10]。

3 MCPTT在鐵路中的應(yīng)用

LTE-R系統(tǒng)中，調(diào)度語音通信業(yè)務(wù)主要包括：個(gè)呼、組呼、緊急呼叫、多方通信服務(wù)[11]。接下來對(duì)MCPTT中移動(dòng)終端呼叫固定終端、固定終端呼叫移動(dòng)終端、MCPTT話權(quán)控制等過程進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 移動(dòng)終端呼叫固定終端

3.1.1 UE發(fā)起MCPTT個(gè)呼

UE發(fā)起MCPTT個(gè)呼流程如圖3所示。MCPTT 移動(dòng)客戶端 UE 和FAS已向業(yè)務(wù)提供商注冊(cè)了各自的MCPTT業(yè)務(wù)[12]。

(1)UE呼叫調(diào)度臺(tái)時(shí)，通過SIP core將SIP INVITE消息發(fā)送到MCPTT服務(wù)器，消息中包含主叫用戶MCPTT ID、被叫用戶MCPTT ID、攜帶簽約的功能號(hào)碼的user-to-user和表示本次會(huì)話過程中用戶的請(qǐng)求方法和優(yōu)先級(jí)的Resource-Priority頭域[11]。

(2)MCPTT服務(wù)器檢查UE是否有權(quán)限發(fā)起個(gè)呼以及FAS是否有權(quán)限接受個(gè)呼，并向UE發(fā)送進(jìn)展提示，表示請(qǐng)求已經(jīng)收到，正在處理。權(quán)限通過后，向調(diào)度臺(tái)FAS發(fā)送SIP INVITE消息。

(3)FAS收到SIP INVITE消息后，向MCPTT服務(wù)器返回180 Ringing振鈴消息，MCPTT 服務(wù)器向UE轉(zhuǎn)發(fā)180 Ringing振鈴消息。

(4)FAS回送200 OK消息，表示呼叫流程建立完成。

圖3 UE 發(fā)起MCPTT個(gè)呼流程

3.1.2 UE發(fā)起MCPTT組呼及話權(quán)控制

UE發(fā)起MCPTT組呼流程如圖4所示。UE和MCPTT客戶端2、MCPTT客戶端3已經(jīng)注冊(cè)MCPTT服務(wù)并附屬同一MCPTT組[12]。

(1)組內(nèi)成員UE使用組ID發(fā)起組呼，通過SIP core將SIP INVITE消息發(fā)送到MCPTT服務(wù)器，消息中包含MCPTT組ID、MCPTT客戶端媒體參數(shù)SDP offer。

(2)MCPTT服務(wù)器檢查用戶是否具備發(fā)起組呼的權(quán)限。如果該組ID對(duì)應(yīng)的組呼正在進(jìn)行，服務(wù)器將把UE加到現(xiàn)有的組呼中并通知UE組呼正在進(jìn)行，否則MCPTT服務(wù)器根據(jù)組管理服務(wù)器的信息分解組ID來決定組的成員和歸屬狀態(tài)。

(3)MCPTT服務(wù)器通過SIP core向組成員MCPTT客戶端2和MCPTT客戶端3發(fā)送組呼請(qǐng)求SIP INVITE消息，用戶會(huì)收到組呼來電的通知。

(4)MCPTT客戶端2和MCPTT客戶端3應(yīng)答組呼，并向MCPTT服務(wù)器發(fā)送組呼響應(yīng)200 OK，并攜帶SDP answer。MCPTT服務(wù)器給UE發(fā)送組呼響應(yīng)200 OK，其中包含通過信令通道給UE的媒體參數(shù)，以告知呼叫建立成功。

(5)UE及MCPTT客戶端2、MCPTT客戶端3成功建立媒體面，并建立話權(quán)控制。

(6)此時(shí)UE申請(qǐng)講話，將話權(quán)請(qǐng)求消息發(fā)送到MCPTT服務(wù)器，其中包括發(fā)言權(quán)優(yōu)先級(jí)。服務(wù)器根據(jù)發(fā)言權(quán)優(yōu)先級(jí)、競(jìng)爭(zhēng)者角色類型等決定對(duì)話權(quán)請(qǐng)求采取什么行動(dòng)(給予、拒絕或排隊(duì)等待)。服務(wù)器決定同意A的發(fā)言權(quán)請(qǐng)求，并配置限制用戶發(fā)言的時(shí)間(即占話權(quán)的時(shí)間)[13]。

(7)服務(wù)器向UE發(fā)送話權(quán)授予消息，包括保持話權(quán)的最大時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)向客戶端2、客戶端3發(fā)送話權(quán)占用消息，包括拿到話權(quán)者的信息。

(8)開始建立語音會(huì)話。此時(shí)，客戶端3想要講話并發(fā)送話權(quán)請(qǐng)求。服務(wù)器進(jìn)行話權(quán)仲裁，最終決定拒絕客戶端3的話權(quán)請(qǐng)求。并通知客戶端3請(qǐng)求被拒絕。

圖4 UE發(fā)起MCPTT組呼及話權(quán)控制流程

3.2 固定終端呼叫移動(dòng)終端

3.2.1 尋呼機(jī)制分析

固定終端呼叫移動(dòng)終端一般指FAS向UE發(fā)起的呼叫。在鐵路語音呼叫中，由于FAS臺(tái)為有線用戶，移動(dòng)終端呼叫FAS時(shí)只需交換機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)指向進(jìn)行相應(yīng)的呼叫流程，呼叫建立時(shí)間較短；但FAS呼叫移動(dòng)終端時(shí)，由于移動(dòng)終端分布在各個(gè)小區(qū)，尋呼信令將通過LTE-R網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)TA List內(nèi)發(fā)送[14-15]，呼叫建立延時(shí)會(huì)大大增加，因此FAS發(fā)起呼叫的延時(shí)要大于移動(dòng)終端發(fā)起呼叫的延時(shí)，接下來對(duì)FAS臺(tái)的尋呼過程進(jìn)行分析。

LTE物理層中引入了非連續(xù)接收(DRX)方式，能夠有效節(jié)省UE功耗，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。處于空閑狀態(tài)的終端可以通過DRX模式監(jiān)聽尋呼消息[16]。尋呼消息在PDSCH(物理下行共享信道)上發(fā)送，而物理下行控制信道(PDCCH)用于傳輸尋呼無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)(P-RNTI)。UE周期性地監(jiān)聽PDCCH，若在PDCCH中解析出P-RNTI，意味著有尋呼消息，隨后終端解碼相應(yīng)PDSCH的數(shù)據(jù)塊以得到尋呼消息。

DRX周期包括默認(rèn)DRX周期和UE特定DRX周期，取值為32，64，128，256，單位是無線幀。SIB2中廣播默認(rèn)DRX周期，UE特定DRX周期存儲(chǔ)在UE中。UE在計(jì)算尋呼無線幀幀號(hào)SFN時(shí)，會(huì)將兩個(gè)周期中較小的值作為尋呼周期。

在LTE物理層協(xié)議中，SFN的取值范圍為0～1 023。1個(gè)無線幀包含10個(gè)子幀，子幀編號(hào)取值范圍是0～9，每個(gè)子幀1 ms。SFN的值由以下公式確定

SFNmodT=(T/N)×(UE_ID) modN

(1)

公式中參數(shù)定義如下：

UE_ID=IMSImod 1024；

T:T為DRX周期，取值為min(默認(rèn)DRX周期，UE特定DRX周期)；

N：N=min(T，nB)，表示一個(gè)DRX周期有多少個(gè)無線幀可以承載尋呼消息。nB在網(wǎng)絡(luò)的SIB(系統(tǒng)資源塊)中廣播，表征尋呼密度，值為4T、2T、T、T/2、T/4、T/6、T/16、T/32[17-18]。

假設(shè)FAS臺(tái)在發(fā)起呼叫時(shí)，T=128，系統(tǒng)消息中廣播nB=T，假定UE_ID=147，由式(1)可知，N=128，SFN=19。因此終端在幀號(hào)為19的無線幀上監(jiān)聽PDCCH。

3.2.2 尋呼時(shí)延分析

以單呼為例，建立平均呼叫時(shí)延模型。由于尋呼消息到達(dá)的時(shí)間是隨機(jī)的，但服務(wù)用戶的時(shí)間T是固定的。假設(shè)尋呼消息是泊松到達(dá)，可以用M/D/1隊(duì)列模型描述尋呼過程[19]。服務(wù)時(shí)間T為

2)

其中，T取值為DRX周期，1/μC為尋呼消息的平均發(fā)送時(shí)間，記為D。ρ=λT/nB，nB的值代表尋呼組的數(shù)量[20]。假定每條尋呼消息能夠容納1個(gè)UE_ID，無線幀內(nèi)的尋呼消息和尋呼區(qū)域內(nèi)的用戶均勻分布。周期T內(nèi)共到達(dá)λ個(gè)尋呼消息，每個(gè)尋呼組T時(shí)間內(nèi)到達(dá)λ/nB個(gè)尋呼消息，即每個(gè)尋呼組尋呼消息的到達(dá)率為λ/nB。則平均尋呼時(shí)延為

3)

當(dāng)T=32，64，128，256時(shí)的平均尋呼時(shí)延變化如圖5所示，隨著DRX的周期增大，尋呼時(shí)延變大。

圖5 尋呼時(shí)延與DRX周期關(guān)系

4 MCPTT應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用測(cè)試手機(jī)、機(jī)車綜合無線通信設(shè)備 (CIR)、eNodeB，MCPTT服務(wù)器、FAS系統(tǒng)、調(diào)度臺(tái)測(cè)試個(gè)呼/組呼呼叫建立延時(shí)及建立成功率并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。測(cè)試環(huán)境如圖6所示。UE發(fā)起呼叫時(shí)發(fā)送SIP INVITE消息至MCPTT 服務(wù)器，當(dāng)UE收到返回的200 Ok時(shí)表示被叫已經(jīng)接聽。FAS發(fā)起的呼叫流程與UE發(fā)起的呼叫流程相同[21]。

呼叫建立延時(shí)=T200 Ok-TINVITE

(3)

(4)

圖6 個(gè)呼、組呼呼叫時(shí)延及成功率實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境

測(cè)試頻段選取450 MHz，參考信號(hào)接收功率RSRP=-80 dBm。系統(tǒng)廣播消息中設(shè)置T=128，nB=T。經(jīng)驗(yàn)證，個(gè)呼、組呼呼叫建立時(shí)間和成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1～表4所示。

表1 UE發(fā)起個(gè)呼呼叫建立延時(shí)、建立成功率測(cè)試結(jié)果 ms

表2 UE發(fā)起組呼呼叫建立延時(shí)、建立成功率測(cè)試結(jié)果 ms

表3 FAS發(fā)起個(gè)呼呼叫建立延時(shí)、建立成功率測(cè)試結(jié)果 ms

表4 FAS發(fā)起組呼呼叫建立延時(shí)、建立成功率測(cè)試結(jié)果 ms

5 結(jié)語

MCPTT作為3GPP組織公布的基于LTE的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于鐵路LTE-R網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠保證鐵路調(diào)度語音信號(hào)更高質(zhì)量的傳輸，同時(shí)其獨(dú)有的話權(quán)控制，限制發(fā)言時(shí)間機(jī)制也確保了低優(yōu)先級(jí)用戶獲得平等的發(fā)言權(quán)，為鐵路運(yùn)營(yíng)提供更可靠的保障。