郭強亮,王開鋒,李 輝,付文剛,閆曉宇,李春鐸

(1.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； 2.國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心,北京 100081)

引言

靖神鐵路北起于包西鐵路神木西站起雞哈浪線路所，南與浩吉鐵路靖邊北站相接，是國家“公轉鐵”“鐵路貨運增量三年行動方案”重點推進項目，對完善礦區(qū)交通基礎設施、促進榆林地區(qū)能源開發(fā)、優(yōu)化北煤南運通道、保障國家能源運輸安全具有重要意義[1-3]。新建靖神鐵路采用LTE(Long Term Evolution Mobile Communication System，長期演進移動通信系統(tǒng))無線寬帶技術作為通信網絡承載，并構建實現了鐵路多媒體調度通信，為貨運增量提供了可靠的通信保障[4-5]。

隨著鐵路移動通信技術的不斷發(fā)展[6-10]，迫切需要相適應的調度通信技術作為支撐。目前，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)發(fā)布的MCX(MCPTT、MCData和MCVideo的統(tǒng)稱)關鍵業(yè)務通信系列標準，已成為實現鐵路下一代移動通信系統(tǒng)中調度通信的解決方案[11-15]。

在靖神鐵路調度通信系統(tǒng)中，無線側采用MCX技術實現多媒體調度通信服務。靖神鐵路是我國首次采用自主研發(fā)的MCX技術實現多媒體調度通信的重載鐵路，具有重要的示范和引領作用，為鐵路下一代調度通信研究和落地應用提供有力支撐[16-18]。

1 調度通信業(yè)務需求分析

既有靖神鐵路調度通信采用傳統(tǒng)450 MHz列車無線調度通信系統(tǒng)實現，該系統(tǒng)僅提供基本的語音調度通信和部分數據傳輸功能，技術較為落后，且功能單一，不能提供多樣化的調度通信服務，無法滿足重載鐵路貨運增量的發(fā)展需求。

隨著通信技術的飛速發(fā)展，以及貨運鐵路的發(fā)展需要，重載鐵路對調度通信提出了全新的需求[15]。

(1)多媒體調度通信

支持基于語音、視頻、數據業(yè)務的多媒體調度通信，能夠提供更加直觀、豐富的調度通信交互方式，極大地滿足了智能貨運鐵路的發(fā)展需要，有助于推動智能運維、智能調度、遠程指揮、應急通信的發(fā)展[19-20]。

(2)遠程視頻查看

當發(fā)生緊急情況時，指揮人員能夠快速查看遠程現場視頻，第一時間掌握現場情況，并制定應對策略，進而實現遠程指揮，如圖1所示。

圖1 遠程指揮示意

(3)多樣化調度通信方式

既有450 MHz僅支持語音調度，而多媒體調度通信能夠提供語音呼叫、視頻呼叫、緊急組呼、車站組呼等調度通信方式。此外，針對重載鐵路實際需求，迫切地需要支持重聯組呼、臨時組呼等靈活的、可自定義的集群調度通信方式。

2 MCX多媒體調度通信系統(tǒng)架構

靖神鐵路調度通信系統(tǒng)架構如圖2所示，主要由移動終端設備、移動通信網絡、MCX關鍵業(yè)務系統(tǒng)和有線多媒體數調系統(tǒng)四個部分組成。

圖2 靖神鐵路MCX多媒體調度通信系統(tǒng)架構

(1)移動終端設備。移動終端設備包括多媒體機車綜合無線通信設備(CIR)，以及各類多媒體手持終端，通過無線方式接入移動通信網絡，為用戶提供調度通信服務。在終端設備上運行MCX客戶端程序，用于實現多媒體通信服務。

(2)移動通信網絡。靖神鐵路新建LTE網絡作為無線通信的基礎平臺，為調度通信系統(tǒng)提供無線數據傳輸鏈路和服務。

(3)MCX關鍵業(yè)務系統(tǒng)。即地面MCX集群服務器，該系統(tǒng)是多媒體調度通信實現的核心，負責整個無線側，以及無線側與有線側互通時的會話控制和管理。在架構設計方面，該系統(tǒng)基于IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng))架構，并遵循3GPP關鍵業(yè)務相關規(guī)范進行設計。

(4)有線多媒體數調系統(tǒng)。多媒體數調系統(tǒng)是調度員、值班員等固定用戶所使用的調度通信系統(tǒng)，以有線的方式接入整個調度通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于IMS的軟交換技術設計，為有線側用戶提供多媒體調度通信服務。

3 關鍵技術

3.1 基于MCX的鐵路調度通信技術

2016年至今，3GPP陸續(xù)推出了MCX關鍵業(yè)務通信機制的系列標準：MCPTT(Mission Critical Push To Talk，關鍵語音業(yè)務)、MCData(Mission Critical Data，關鍵數據業(yè)務)和MCVideo(Mission Critical Video，關鍵視頻業(yè)務)。MCX基于IMS架構進行設計，具有大帶寬、低延遲、易于大規(guī)模建網等優(yōu)點，具備組管理、位置管理、組通信，以及數據和視頻通信等功能。由于MCX在業(yè)務與承載解耦、支持多種通信制式、支持多播技術、對GSM-R的支持能力、標準國際性等方面具有顯著優(yōu)勢，因此，MCX技術已成為實現鐵路下一代移動通信系統(tǒng)中的調度通信的解決方案[11-15]。

靖神鐵路調度通信系統(tǒng)采用MCX技術，實現了基于語音、視頻、數據的多媒體調度通信服務，是我國首個自主研發(fā)的基于MCX多媒體調度通信的工程應用，為未來鐵路下一代調度通信技術的應用提供了指導。此外，MCX調度通信系統(tǒng)能夠極大地降低未來系統(tǒng)再升級的成本。

3.2 互聯互通接口技術

如圖2所示，在靖神鐵路調度通信系統(tǒng)中，無線側關鍵業(yè)務系統(tǒng)采用基于3GPP MCX的規(guī)范設計實現，支持標準的MCX相關接口和協(xié)議；而有線側多媒體數調系統(tǒng)是一種基于IMS架構的軟交換技術實現，并不支持3GPP MCX相關規(guī)范和接口協(xié)議。因此，兩系統(tǒng)間的互聯互通接口技術是實現無線調度與有線調度互聯互通的關鍵。

針對該問題，在MCX關鍵業(yè)務系統(tǒng)中設計研發(fā)了相應的接口網關單元，用于實現會話控制協(xié)議的轉換。通過SIP-R協(xié)議，實現了與有線側多媒體數調系統(tǒng)的互聯互通，保障了無線側與有線側的多媒體調度通信服務。

3.3 重載鐵路特色調度通信技術

既有鐵路群組通信大都基于位置范圍設定，即在特定位置才能進行組呼。根據需求分析，以靖神鐵路為代表的重載鐵路，除了常見的調度通信功能需求外，還迫切地需要支持重聯組呼和臨時組呼等便于用戶自定義的組呼功能，這些組呼不受地域位置限制。

重聯組呼主要用于解決多機牽引時，各列車之間的通信問題，即重聯列車中的所有列車都可加入同一個重聯組中，在網絡覆蓋范圍內均可進行組呼通信，不受地域位置限制。

臨時組呼主要用于解決用戶臨時群組通信問題，如當執(zhí)行同一個任務的多個用戶需要群組通信時，則可通過臨時組呼來實現。臨時組呼支持用戶創(chuàng)建、刪除、加入、退出、查詢等操作，便于用戶靈活使用。

4 試驗驗證

為了驗證靖神鐵路MCX多媒體調度通信系統(tǒng)的性能，2020年9月初在靖神鐵路線孟家灣車站(K66+460)至黃蒿界車站(K214+410)進行了動態(tài)測試，并對測試結果數據進行了統(tǒng)計和分析。動態(tài)測試內容主要包括：語音呼叫(移動終端呼固定終端、移動終端呼移動終端)、車站基站區(qū)組呼(移動終端發(fā)起)、緊急呼叫(移動終端發(fā)起)、視頻呼叫(移動終端呼固定終端、移動終端呼移動終端)。

動態(tài)測試采用鐵路通信FESAMES檢測系統(tǒng)進行測試，系統(tǒng)架構如圖3所示。由FESAMES系統(tǒng)控制車載臺CIR發(fā)起各類測試呼叫，并采集統(tǒng)計測試結果。

圖3 動態(tài)測試系統(tǒng)架構

4.1 性能指標

為了驗證調度通信系統(tǒng)的性能，主要統(tǒng)計和分析的關鍵指標包括呼叫建立時間和呼叫建立失敗概率[21]。

(1)呼叫建立時間

呼叫建立時間是指從呼叫發(fā)起到呼叫建立成功之間的時間間隔，是調度通信業(yè)務的重要指標，計算方法如下

Ts=tstart-tsucc

(1)

式中，Ts為呼叫建立時間；tstart為呼叫發(fā)起時刻；tsucc為呼叫建立成功時刻。

按照標準，一般主要統(tǒng)計95%和99%情況下的呼叫建立時間和百分比。呼叫建立時間百分比計算方法如下

(2)

式中，Pt

(2)呼叫建立失敗概率

呼叫建立失敗概率是不成功的呼叫建立次數與呼叫嘗試總次數的比值，計算公式如下

(3)

式中，Pf為呼叫建立失敗概率；Nf為呼叫建立失敗的次數；Na為總呼叫次數。

4.2 試驗結果與分析

通過對動態(tài)測試數據的統(tǒng)計、處理和分析，靖神鐵路調度通信系統(tǒng)性能測試結果如下，其中，標準值為現行GSM-R系統(tǒng)規(guī)定的指標要求。

(1)車載臺CIR語音呼叫FAS臺

如表1所示，車載臺CIR語音呼叫FAS臺收集樣本數為711個，呼叫建立時間平均值為994 ms，95%統(tǒng)計值為1 756 ms，99%統(tǒng)計值為2 367 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標準值要求。

表1 移動終端語音呼叫固定終端結果對比

(2)車載臺CIR語音呼叫手持臺

如表2所示，車載臺CIR語音呼叫手持臺收集樣本數為418個，呼叫建立時間平均值為388 ms，95%統(tǒng)計值為530 ms，99%統(tǒng)計值為737 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標準值要求。

表2 移動終端語音呼叫移動終端結果對比

(3)車站基站區(qū)組呼

如表3所示，車載臺CIR發(fā)起的車站基站區(qū)210組呼收集樣本數為124個，呼叫建立時間平均值為340 ms，95%統(tǒng)計值為458 ms，99%統(tǒng)計值為552 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標準值要求。

表3 車站基站區(qū)組呼結果對比

(4)緊急呼叫

如表4所示，車載臺CIR發(fā)起的緊急呼叫299組呼收集樣本數為546個，呼叫建立時間平均值為444 ms，95%統(tǒng)計值為734 ms，99%統(tǒng)計值為914 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標準值要求。

表4 緊急呼叫結果對比

(5)車載臺CIR視頻呼叫FAS臺

如表5所示，車載臺CIR視頻呼叫FAS臺收集樣本數為1 055個，呼叫建立時間平均值為393 ms，95%統(tǒng)計值為937 ms，99%統(tǒng)計值為2 322 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標準值要求。

表5 移動終端視頻呼叫固定終端結果對比

(6)車載臺CIR視頻呼叫手持臺

如表6所示，車載臺CIR視頻呼叫手持臺收集樣本數為698個，呼叫建立時間平均值為409 ms，95%統(tǒng)計值為654 ms，99%統(tǒng)計值為1 061 ms，呼叫建立失敗概率為0，優(yōu)于標準值要求。

表6 移動終端視頻呼叫移動終端結果對比

根據以上數據分析，MCX調度通信系統(tǒng)不僅能夠提供語音、視頻、數據等多媒體調度通信功能，而且在呼叫建立時間和呼叫建立失敗概率等關鍵指標方面均優(yōu)于既有標準值。此外，以上動態(tài)測試均在默認承載下進行，且車載臺CIR均使用便攜式棒狀天線，如果使用車頂天線，測試數據結果更優(yōu)。

5 結語

針對MCX多媒體調度通信技術在重載鐵路的應用進行研究，以靖神鐵路為例，分析了重載鐵路對調度通信業(yè)務的全新需求；闡釋了MCX多媒體調度通信系統(tǒng)架構及關鍵技術；開展了現場動態(tài)測試，結果表明，該調度通信系統(tǒng)不僅能夠實現各項多媒體調度功能，而且在呼叫建立時間和呼叫建立失敗概率等關鍵指標方面均優(yōu)于既有標準值。

靖神鐵路MCX多媒體調度通信系統(tǒng)的工程實施，標志著我國鐵路自主研發(fā)的基于MCX技術實現調度通信的首次落地應用，為鐵路下一代調度通信技術的發(fā)展積累了豐富的經驗。