楊 銳

鐵路專用移動通信系統(tǒng)是保障鐵路運輸安全的關鍵基礎設施,調度通信、列車控制是涉及鐵路行車安全的重要業(yè)務。目前,鐵路數字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）承載的調度通信和列車控制業(yè)務均基于電路域技術實現(xiàn)。隨著5G技術不斷的成熟、公網大規(guī)模商用,鐵路專網也將采用5G技術。5G網絡承載與應用分離、全IP化組網,不再支持電路域業(yè)務。3GPP國際標準組織定義了MC（關鍵任務）集群通信技術體系,滿足行業(yè)專網、公共安全等領域對傳統(tǒng)電信業(yè)務的需求。為此,本文對鐵路5G專網集群通信技術應用方案進行研究。

1 鐵路業(yè)務

1.1 鐵路調度通信

鐵路調度通信業(yè)務包括:列車調度、貨運調度、機務調度、動車調度、客運調度、供電調度、電務調度、工務調度等。業(yè)務應用涉及移動終端、移動與固定終端（調度臺）之間的個呼及組呼［1］。以列車調度通信為例,“車機聯(lián)控”是調度通信的術語,指車務、機務等行車有關人員使用鐵路專用移動通信設備,按規(guī)定進行語音聯(lián)絡,提示行車安全信息,確認行車要求。鐵路調度通信從無線列車調度系統(tǒng)發(fā)展至GSM-R系統(tǒng),“車機聯(lián)控”應用模式一直延續(xù)。GSM-R網絡根據調度通信業(yè)務的呼叫場景、用戶使用習慣,通過智能網設備為調度通信業(yè)務提供了接入矩陣、位置尋址、功能尋址、基于位置呼叫限制等功能［2］。

1.2 鐵路列車控制

2009年武廣高鐵開通運營,基于GSM-R網絡的CTCS-3級列控系統(tǒng)在我國高速鐵路開始運用。GSM-R網絡采用電路交換數據（CSD）業(yè)務通道承載列車控制系統(tǒng)的安全數據,與調度通信一樣均是電路域業(yè)務。電路域是電路交換技術,不同用戶獨占各自分配的時隙,特點是數據量小、時延低。GSM-R網絡的電路域技術很好地滿足了鐵路調度通信和列車控制業(yè)務的需求。5G網絡基于分組域架構,分組域采用包交換方式,其特點是業(yè)務數據可以共享通道資源。面對網絡承載技術的重大變化,鐵路調度通信、列車控制業(yè)務需要在技術上進行演進,才能適應5G網絡。

2 VoLTE技術

IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）最初由3GPP第5版定義,能夠滿足多樣化的多媒體業(yè)務應用需求,在分組承載網絡的基礎上綜合實現(xiàn)語音、視頻、數據業(yè)務,并支持與既有電路域網絡的互聯(lián)互通。IMS是一種開放的網絡架構,使用會話初始協(xié)議（SIP）實現(xiàn)對多媒體業(yè)務的交換控制。移動通信技術發(fā)展到第4代（LTE）后網絡完全分組化,運營商移動通信網絡的語音業(yè)務回落到2G/3G的電路域實現(xiàn),隨后3GPP提出了基于LTE的語音業(yè)務（VoLTE）技術,在語音業(yè)務通話的基礎上增加了視頻通話業(yè)務,而且通話接通時間更短,VoLTE接通時間約為0.5～2 s,2G/3G約為5～8 s。VoLTE由4G和IMS網絡組成,其網絡架構見圖1。

圖1 VoLTE網絡架構圖

IMS網絡主要包括:代理會話控制（PCSCF）、服務/查詢呼叫會話控制（S-CSCF/ICSCF）、VoLTE應用服務（VoLTE-AS）、歸屬用戶服務（HSS）、會話邊界控制（SBC）等功能［3］。P-CSCF是VoLTE業(yè)務的接入節(jié)點,負責SIP（會話初始協(xié)議）信令的代理。S-CSCF/I-CSCF負責VoLTE業(yè)務的注冊服務和會話控制。VoLTE-AS提供業(yè)務邏輯,負責在語音通信的過程中控制媒體資源,并支持VoLTE語音、視頻業(yè)務及電信補充業(yè)務。HSS負責存儲VoLTE用戶相關位置及業(yè)務信息。SBC位于IMS網絡的邊界,負責將終端用戶接入到IMS網絡。

4G網絡主要包括:移動性管理實體（MME）、服務網關（SGW）、應用網絡網關（PGW）、策略與計費功能（PCRF）、無線接入網（RAN）、信令路由代理節(jié)點（DRA）等網元［3］。

目前公眾移動通信5G網絡僅支持數據業(yè)務,語音呼叫業(yè)務仍然要使用4G網絡的VoLTE技術,基于5G的語音業(yè)務稱為VoNR（Voice Over NR）,其技術標準正在研究。

3 MC技術

MC（關鍵業(yè)務）技術,早期稱為“關鍵業(yè)務一鍵通”（MCPTT）,是一種基于分組無線網絡的語音集群通信技術,面向特定行業(yè)的調度指揮應用,屬于專用無線通信技術。MC技術的特點是大量用戶共享少量無線信道,具備快速的語音建立和搶占能力。MCPTT基于IMS技術,簡化了IMS復雜的網絡結構,具有大帶寬、低時延、互聯(lián)互通、易于規(guī)模建網等優(yōu)點,支持鑒權、組管理、個呼、組呼、呼叫優(yōu)先級、發(fā)言權控制、位置上報等功能［4］。

2016年3GPP第15版將MCPTT技術納入4G標準體系,并增加了視頻和數據業(yè)務。關鍵語音業(yè)務（MCPTT）、關鍵視頻業(yè)務（MCVideo）、關鍵數據業(yè)務（MCData）3種應用場景的統(tǒng)稱為MCx［5］。3GPP第16版增加了基于5G網絡MC技術架構的概述,具體的技術實現(xiàn)方案仍在研究中。

“在后期處理中，我使用雙曲線法（dodging and burning）讓他從畫面中凸顯出來，并且對畫面進行了適當的調色，好讓整體顯得更加有型?！?/p>

4 系統(tǒng)架構

參考3GPP標準的表述,對鐵路5G專網MC集群通信進行研究,其系統(tǒng)架構見圖2。

圖2 鐵路5G專網MC集群通信系統(tǒng)架構

基于鐵路5G專網的MC集群通信系統(tǒng)架構主要包括:5G核心網（5GC）、無線網（RAN）、MC集群通信系統(tǒng)（簡稱MC系統(tǒng)）、MC移動終端。MC系統(tǒng)與鐵路多媒體調度系統(tǒng)互聯(lián),實現(xiàn)調度固定用戶與5G移動用戶之間的多媒體通信,鐵路多媒體調度系統(tǒng)兼容MC系統(tǒng)的接口和協(xié)議。MC系統(tǒng)主要包括:會話初始協(xié)議（SIP core）、MC業(yè)務（MC service）、公共管理（Common service core）、用戶數據庫（SIP database、MC user database）等功能模塊［5］。MC系統(tǒng)內部及與5GC之間主要采用會話初始協(xié)議（SIP）及超文本傳輸協(xié)議（HTTP）實現(xiàn)信令交互。MC系統(tǒng)配置媒體網關（MGW）,實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間業(yè)務數據流的互通。

4.1 會話初始協(xié)議模塊

SIP core是MC系統(tǒng)控制面的核心,負責信令控制面的注冊、業(yè)務選擇和信令消息處理,負責管理與SIP core功能相關的應用業(yè)務數據、服務注冊標識、鑒權信息等。SIP core與公共管理、用戶數據庫、MC業(yè)務等功能模塊中的SIP應用（SIPAS）共同實現(xiàn)MC系統(tǒng)中SIP協(xié)議的控制及處理［5］。

根據外部系統(tǒng)所采用的協(xié)議,SIP core配置對應的協(xié)議處理功能。MC系統(tǒng)與5GC控制面的策略控制功能（PCF）之間采用基于SBI架構的HTTP/TCP協(xié)議［6］,與GSM-R系統(tǒng)的MSC設備之間采用No.7信令用戶部分（ISUP）、移動應用部分 （MAP） 協(xié)議［7］。

4.2 公共管理模塊

公共管理模塊是MCPTT、MCVideo、MC?Data業(yè)務的公共邏輯功能實體,包括MC業(yè)務配置、身份、密鑰、組、遷移、位置等管理功能。公共管理模塊的各管理功能采用C/S（客戶端/服務器）方式實現(xiàn)［5］。

1）配置管理,用于配置MC相關的業(yè)務信息。

2）組管理,用于管理用戶的群組,為終端提供媒體面策略、呼叫控制信息,實現(xiàn)媒體控制及組呼控制功能。

3）身份管理,用于管理MC業(yè)務用戶的身份,包括MC用戶標識（MC ID）、MC業(yè)務標識（MC service ID）、MC業(yè)務組標識（MC service group ID）。MC ID是MC業(yè)務用戶在身份驗證過程中的標識,MC service ID是MC業(yè)務中的全局唯一標識,MC service group ID表示一組MC業(yè)務用戶,MC ID和MC service ID可以相同。

4）密鑰管理,用于存儲和向密鑰管理客戶端、組管理服務器和MC業(yè)務服務器提供安全相關的密鑰信息,實現(xiàn)對媒體和信令加密以及完整性保護。

5）遷移管理,用于MC系統(tǒng)之間配置信息的交互；終端的配置信息通常在歸屬MC中,終端在拜訪地MC系統(tǒng)中實現(xiàn)相關業(yè)務時,需要通過遷移管理功能在MC系統(tǒng)之間傳遞用戶配置信息。

6）位置管理,用于接收和存儲用戶位置信息,并向MC業(yè)務服務器提供用戶位置信息；位置管理功能還可以獲取5G網絡的用戶位置信息。位置信息通常包括終端的衛(wèi)星定位經緯度信息、終端在5G網絡中所處的基站/小區(qū)信息,對于鐵路而言,線路號、公里標也是位置信息。

4.3 MC業(yè)務模塊

MC業(yè)務模塊實現(xiàn)MC系統(tǒng)的業(yè)務應用,用于語音、視頻、數據媒體面的處理和話權控制,主要包含MC業(yè)務客戶端、MC業(yè)務服務器、多播業(yè)務等功能實體［5］。

1）MC業(yè)務客戶端是MC應用的用戶部分,通常在終端側,能夠報告終端當前的位置信息。

2）MC業(yè)務服務器是實現(xiàn)MC業(yè)務的功能實體。屬于同一個組的MC客戶端應使用同一個MC服務器。如果MC客戶端屬于多個不同的組,可以關聯(lián)相關的多個MC業(yè)務服務器。MC組管理應用（GCSAS）用于控制組通信的多播和單播功能。

3）多播業(yè)務功能（MBMS）負責配合無線通信系統(tǒng),實現(xiàn)業(yè)務數據流的廣播功能。3GPP標準詳細定義了基于LTE的MBMS功能,5G網絡的多播功能仍在標準制定過程中［8］。

4.4 用戶數據庫

用戶數據庫主要包括SIP用戶數據庫（SIP database） 和MC用戶 （MC service user database）數據庫［5］。

1）SIP用戶數據庫,用于存儲用戶SIP協(xié)議相關的信息,并向SIP core提供SIP訂閱、標識、鑒權、應用服務選擇等信息,配合SIP core完成用戶的注冊、鑒權、呼叫控制、會話管理、移動性管理等功能。

2）MC用戶數據庫,用于存儲MC業(yè)務用戶的業(yè)務功能簽約配置文件,該配置文件關聯(lián)用戶的MC業(yè)務ID。

3）用戶數據庫的設置方式。3GPP定義了3種用戶數據庫設置方式:方式一,MC、SIP、UDM獨立設置用戶數據庫；方式二,MC與SIP合設用戶數據庫；方式三,UDM與SIP合設用戶數據庫［8］,見圖3。對于鐵路MC集群通信系統(tǒng),可按照5G承載網絡與MC系統(tǒng)分層管理,采用方式二。

圖3 用戶數據庫設置方式

5 技術方案

5.1 基于服務功能的網絡架構

5G的網絡架構較4G產生了很大變化,采用了基于服務化（SBI）的架構,以網絡功能虛擬化（NFV）為載體。傳統(tǒng)的網元演變?yōu)榫W絡功能,根據業(yè)務流程選擇所需網絡功能,完成控制面的信令交互［9］。控制面流程完成后,由終端（UE）、無線接入網（RAN）、用戶面功能（UPF）、業(yè)務系統(tǒng)（DN）直接建立用戶面IP通道,減少了用戶面數據處理的網元,降低了數據傳輸時延。5G網絡演變的更加靈活,但控制面的網絡架構更為復雜。基于服務化的5G網絡架構［10］見圖4。MC系統(tǒng)的控制面為AF（應用功能）,MC系統(tǒng)的用戶面為DN（業(yè)務網絡）。

圖4 基于服務功能的5G網絡架構

5.2 調度通信業(yè)務實現(xiàn)方案

公眾移動通信網絡在3G、4G、5G的部署過程中,投入了相當的代價來實現(xiàn)不同制式系統(tǒng)之間業(yè)務的互通。鐵路專網與公眾網絡不同,沒有龐大的用戶數量和產業(yè)鏈的支撐,所以鐵路部署5G專網后,考慮采用多模終端轉換網絡制式的方式,以降低網絡的復雜性和建設成本。對于鐵路調度通信業(yè)務,既有GSM-R網絡中的移動終端、有線調度系統(tǒng)（FAS）的固定終端,應能與5G專網MC系統(tǒng)的移動終端、多媒體調度系統(tǒng)的固定終端實現(xiàn)語音業(yè)務互通,系統(tǒng)間的互聯(lián)組網見圖5。

圖5 鐵路5G專網與GSM-R業(yè)務互通組網示意

對于5G網絡,MC系統(tǒng)中語音、視頻、數據3種業(yè)務均是數據,在控制面的信令流程基本相同,區(qū)別是用戶面?zhèn)鬏數臄祿热荨Ｏ旅嬉澡F路5G專網與GSM-R網絡之間語音業(yè)務互通流程舉例說明。

5.2.1 5G專網移動用戶與GSM-R移動用戶語音業(yè)務互通方案

鐵路5G專網MC系統(tǒng)與GSM-R移動交換中心（MSC）設備［7］互聯(lián),MC系統(tǒng)兼容GSM-R網絡的接口及協(xié)議；GSM-R和5G專網移動用戶采用不同號段的用戶號碼（MSISDN）,例如149為GSM-R用戶、148為5G用戶。5G用戶呼叫GSM-R用戶的簡化通信流程如圖6所示,5G終端需要提前完成5G網絡注冊［6］和MC系統(tǒng)的注冊［4］。

圖6 5G移動終端呼叫GSM-R移動終端流程

5.2.2 5G專網移動用戶與調度通信系統(tǒng)固定用戶語音業(yè)務互通方案

鐵路調度通信業(yè)務的呼叫對象主要是調度員/車站值班員（固定用戶）、機車司機（移動用戶）。機車司機呼叫調度員采用用戶號碼（ISDN）及短號碼的方式。為有線調度系統(tǒng)（FAS）和多媒體調度系統(tǒng)規(guī)劃不同的ISDN號段,可以區(qū)分FAS和多媒體調度系統(tǒng)的用戶。調度員呼叫機車司機采用車次功能號的方式［7］,而車次功能號無法按號段區(qū)分不同的網絡,下面對該呼叫場景進行分析。

1）多媒體調度臺發(fā)起呼叫。多媒體調度系統(tǒng)無法掌握被叫移動用戶所處的移動通信網絡時,不能區(qū)分被叫車次功能號是被GSM-R還是5G移動用戶注冊。目前采用雙發(fā)方式將車次功能號同時送到5G和GSM-R網絡中,移動通信網中的智能網設備（5G IN、GSM-R IN）判斷被叫功能號的注冊情況,正常情況下只有一個網絡返回呼叫接續(xù),如果同時返回呼叫接續(xù)則選擇5G網絡。5G網絡返回呼叫接續(xù)通信流程見圖7。5G網絡中定義了位置管理功能（LMF）,多媒體調度系統(tǒng)可以采用LMF流程獲取5G移動用戶的位置,有位置信息的被叫用戶是5G用戶、無位置信息的被叫用戶則是GSM-R移動用戶,未來可以研究采用該方式來判斷被叫用戶所屬移動通信網絡的具體流程。

圖7 多媒體調度系統(tǒng)功能號呼叫，5G網絡呼叫接續(xù)流程圖

2）FAS調度臺發(fā)起呼叫。5G網絡建設時同步建設多媒體調度系統(tǒng),既有GSM-R網絡覆蓋區(qū)段的調度員仍使用FAS調度臺,所以基本不存在FAS調度臺呼叫5G移動用戶的場景。特殊情況有呼叫需求的,需要對既有FAS系統(tǒng)進行功能升級,被叫車次功能號同時發(fā)送至多媒體調度系統(tǒng),多媒體調度系統(tǒng)轉發(fā)車次功能號至5G網絡完成呼叫接續(xù)。

6 結束語

本文對鐵路調度通信業(yè)務運用特點、公眾移動通信網絡VoLTE技術、3GPP標準定義的MC集群通信技術進行了簡要的說明；并對鐵路5G專網承載鐵路調度通信業(yè)務技術方案進行了探討；利用MC集群通信技術解決鐵路5G專網調度通信業(yè)務；在滿足鐵路調度通信業(yè)務應用需求的前提下,綜合考慮5G網絡的建設成本和網絡結構的復雜性,提出了鐵路5G專網MC系統(tǒng)與GSM-R、鐵路調度通信系統(tǒng)的業(yè)務互通技術方案。隨著我國鐵路專業(yè)技術人員對鐵路5G專網技術的深入研究,鐵路5G專網集群通信技術方案會不斷的完善和優(yōu)化。