張馨丹,李 輝,郭強(qiáng)亮

(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)

1 概述

鐵路列車調(diào)度通信作為鐵路行車指揮的重要組成部分，在維護(hù)列車運(yùn)行秩序、提高運(yùn)輸能力、降低安全風(fēng)險(xiǎn)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?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)[1]，GSM-R屬于窄帶數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，通信容量和傳輸速率小，隨著鐵路業(yè)務(wù)拓展，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)已無法滿足鐵路調(diào)度通信需求[2]。國鐵集團(tuán)采用5G for Railway(5G-R)作為鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)展開了系統(tǒng)研究、測(cè)試、試驗(yàn)等工作。5G具有大帶寬、高密度、高可靠低時(shí)延等特性，這為構(gòu)建“智慧”鐵路提供了更多可能[3-4]。

在新一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)過程中，5G-R與GSM-R網(wǎng)絡(luò)共存將持續(xù)較長時(shí)間。目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和組織的理論研究集中在關(guān)鍵語音業(yè)務(wù)(MCPTT)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(MCData)、關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)(MCVideo)、寬帶集群通信(B-TrunC)等新技術(shù)在新一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于雙網(wǎng)絡(luò)共存階段不同網(wǎng)絡(luò)間業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通研究不足。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通存在以下困難：①GSM-R屬于在用設(shè)備，可改動(dòng)空間很小；②GSM-R網(wǎng)絡(luò)和5G-R網(wǎng)絡(luò)基站位置及小區(qū)劃分不同；③GSM-R基于電路域和5G-R基于分組域的業(yè)務(wù)流程和具體信令不同。因此，解決5G-R和GSM-R在應(yīng)用層面的互聯(lián)互通和平滑過渡問題十分迫切。

基于5G-R與GSM-R網(wǎng)絡(luò)并存時(shí)期調(diào)度通信業(yè)務(wù)互聯(lián)互通的需求，提出了調(diào)度通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，并針對(duì)語音個(gè)呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址等關(guān)鍵業(yè)務(wù)研究制定了通信流程，進(jìn)而提出調(diào)度通信平滑過渡技術(shù)方案及建議。

2 雙網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)期場(chǎng)景分析及調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 雙網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)期場(chǎng)景分析

在鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)的不同階段，5G-R和GSM-R網(wǎng)絡(luò)共存場(chǎng)景不同，從而鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)互聯(lián)互通的需求不同。隨著建設(shè)進(jìn)程推進(jìn)，主要包括以下3種場(chǎng)景。

(1)同一線路雙網(wǎng)絡(luò)覆蓋

在5G-R系統(tǒng)建設(shè)起步階段，存在同一線路雙網(wǎng)絡(luò)短期共存的場(chǎng)景，即同一線路既有5G-R覆蓋又有GSM-R覆蓋。當(dāng)5G-R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，具備開通條件后，終端優(yōu)先連接5G-R網(wǎng)絡(luò)，GSM-R再退出服務(wù)。

(2)線路雙網(wǎng)絡(luò)交替覆蓋

在5G-R系統(tǒng)規(guī)模建設(shè)階段，將形成5G-R網(wǎng)絡(luò)和GSM-R網(wǎng)絡(luò)在不同線路交替覆蓋的場(chǎng)景，該場(chǎng)景持續(xù)時(shí)間較長。該場(chǎng)景下，移動(dòng)終端在不同線路連接不同網(wǎng)絡(luò)。

(3)5G-R網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋

在5G-R系統(tǒng)建設(shè)完成后，全路實(shí)現(xiàn)5G-R網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋，屆時(shí)GSM-R網(wǎng)絡(luò)完全退出鐵路通信網(wǎng)，鐵路通信系統(tǒng)完成更新?lián)Q代。

綜上所述，針對(duì)鐵路通信系統(tǒng)升級(jí)階段雙網(wǎng)絡(luò)共存的不同場(chǎng)景[5]，為實(shí)現(xiàn)調(diào)度通信平滑過渡，需要網(wǎng)絡(luò)支持以下兩種需求：①移動(dòng)終端支持雙模，且具備自動(dòng)或手動(dòng)選擇不同網(wǎng)絡(luò)的功能；②5G-R網(wǎng)絡(luò)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度通信業(yè)務(wù)互聯(lián)互通。此外，由于既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和功能已經(jīng)固化，且屬于在用設(shè)備，在考慮雙網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通時(shí)，應(yīng)盡量以新設(shè)備適配老設(shè)備、減少改動(dòng)既有設(shè)備為原則進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

2.2 5G-R下調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有鐵路無線調(diào)度通信業(yè)務(wù)由GSM-R系統(tǒng)承載。移動(dòng)交換中心(MSC)負(fù)責(zé)處理或疏通無線用戶之間、無線用戶與有線用戶之間的業(yè)務(wù)[6]，用于建立業(yè)務(wù)信道和交換信令信息；固定用戶接入交換機(jī)(FAS)負(fù)責(zé)有線用戶調(diào)度通信業(yè)務(wù)，具備電路交換功能[7]；智能網(wǎng)系統(tǒng)(GSM-SCP)進(jìn)行智能業(yè)務(wù)處理，全網(wǎng)統(tǒng)一部署[8-9]。

鐵路新一代智能調(diào)度通信業(yè)務(wù)由5G-R系統(tǒng)承載，主要通過寬帶集群通信設(shè)備(MCX)實(shí)現(xiàn)。MCX由SIP核心(SIP Core)和MC應(yīng)用服務(wù)(MCX AS)組成，主要負(fù)責(zé)信令面消息的注冊(cè)、路由等以及語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的管理與控制；有線多媒體調(diào)度系統(tǒng)(MDS)負(fù)責(zé)有線調(diào)度用戶[10-12]；5G智能網(wǎng)(5G-SCP)全路統(tǒng)一部署，承擔(dān)智能網(wǎng)業(yè)務(wù)。在5G-R和GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)并存時(shí)期，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示[13]。5G-R網(wǎng)絡(luò)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通接口總結(jié)如下。

(1)MCX/MDS系統(tǒng)設(shè)置Time Division Multiplexing(TDM)接口網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)分組域與電路域信令轉(zhuǎn)換。

(2)MCX/MDS與MSC之間通過E接口互聯(lián)，采用ISUP協(xié)議，負(fù)責(zé)處理跨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

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

(4)MCX/MDS與FAS通過PRI接口互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與有線調(diào)度系統(tǒng)的信令交互和業(yè)務(wù)互通。

圖1 調(diào)度通信互聯(lián)互通系統(tǒng)架構(gòu)

3 雙網(wǎng)絡(luò)調(diào)度通信互聯(lián)互通方案設(shè)計(jì)

3.1 語音個(gè)呼業(yè)務(wù)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(fā)起語音個(gè)呼，被叫為GSM-R/FAS用戶，消息中包含被叫用戶MSISDN/ISDN號(hào)碼；

②MCX根據(jù)被叫號(hào)碼，判別用戶所處網(wǎng)絡(luò)和提供服務(wù)的服務(wù)器信息，若被叫用戶為GSM-R或FAS用戶，MCX通過TDM網(wǎng)關(guān)，將呼叫信令發(fā)送至相應(yīng)的MSC服務(wù)器或FAS服務(wù)器；

③MSC/FAS服務(wù)器收到來呼信令后，按照相應(yīng)流程處理后續(xù)呼叫，并反饋給MCX系統(tǒng)[14]。

(2)實(shí)現(xiàn)條件

①M(fèi)CX系統(tǒng)需預(yù)配置GSM-R用戶和FAS用戶號(hào)段信息，MCX系統(tǒng)能夠根據(jù)被叫號(hào)碼，判別用戶所處的網(wǎng)絡(luò)和提供服務(wù)的服務(wù)器信息。

②MCX系統(tǒng)設(shè)置TDM網(wǎng)關(guān)，能夠與MSC和FAS系統(tǒng)通過相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)互通。

③MSC/FAS系統(tǒng)收到來自TDM網(wǎng)關(guān)的呼叫信令后，能夠按照相應(yīng)流程處理后續(xù)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(shí)現(xiàn)條件

與5G-R發(fā)起個(gè)呼類似，但GSM-R網(wǎng)絡(luò)需預(yù)配置5G-R用戶和MDS用戶號(hào)段信息，并能夠?qū)⒑艚邪l(fā)送至被叫用戶所在服務(wù)器。

3.2 語音組呼業(yè)務(wù)

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(yù)定義組呼、自定義組呼等，而目前既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的是一種基于區(qū)域的預(yù)定義組呼，因此，僅對(duì)基于區(qū)域的預(yù)定義組呼互聯(lián)互通進(jìn)行分析[15-16]。

3.2.1 5G-R用戶發(fā)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(dòng)終端向MCX發(fā)起語音組呼，消息中包含組ID[17]；

②MCX根據(jù)組ID和主叫位置信息，查詢組管理服務(wù)器GMS得到組呼屬性，組織組呼所涉及的系統(tǒng)內(nèi)成員，如組呼涉及外部系統(tǒng)，則繼續(xù)將組呼請(qǐng)求發(fā)送至外部系統(tǒng)；

③當(dāng)該組呼涉及GSM-R系統(tǒng)時(shí)，MCX通過TDM網(wǎng)關(guān)，將組呼請(qǐng)求發(fā)送至相應(yīng)的MSC；

④MSC收到組呼請(qǐng)求后，查詢組呼寄存器GCR并按照相應(yīng)流程處理后續(xù)語音組呼。

(2)語音組呼話權(quán)搶占流程

語音組呼話權(quán)搶占流程如圖5所示。

圖5 語音組呼話權(quán)搶占流程

5G-R網(wǎng)絡(luò)MCX系統(tǒng)的話權(quán)搶占協(xié)議與GSM-R網(wǎng)絡(luò)不同，如實(shí)現(xiàn)由主控統(tǒng)一處理話權(quán)搶占，則需兩種話權(quán)搶占協(xié)議實(shí)現(xiàn)互通；如各自系統(tǒng)負(fù)責(zé)內(nèi)部話權(quán)控制，話權(quán)搶占協(xié)議可不互通，但存在兩個(gè)系統(tǒng)分別都有一個(gè)移動(dòng)終端都搶到話權(quán)的情況。

(3)實(shí)現(xiàn)條件

①在雙網(wǎng)絡(luò)交界區(qū)域，對(duì)同時(shí)涉及5G-R用戶和GSM-R用戶的組呼，在兩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置相同或均能處理的預(yù)配置組信息。

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

③MCX和MSC分別負(fù)責(zé)各自系統(tǒng)內(nèi)的組呼成員組織，在系統(tǒng)間進(jìn)行交互。

④完整的話權(quán)控制，需要兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)話權(quán)控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)互通。

3.2.2 GSM-R用戶發(fā)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(fā)起組呼流程類似，其中，MSC判定該組呼涉及外部MCX系統(tǒng)，需將組呼請(qǐng)求進(jìn)一步發(fā)送至MCX系統(tǒng)處理。

(2)語音組呼話權(quán)搶占流程

與5G-R用戶發(fā)起的組呼通話流程類似，話權(quán)搶占由主控統(tǒng)一處理或各自系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)。

(3)實(shí)現(xiàn)條件

與5G-R用戶發(fā)起組呼的實(shí)現(xiàn)條件類似。為盡量減少對(duì)于既定GSM-R系統(tǒng)的變動(dòng)，MSC與MCX之間的交互信息和流程與兩個(gè)MSC之間或MSC和FAS之間的交互類似。

3.3 功能尋址業(yè)務(wù)

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，由共用智能網(wǎng)GSM-SCP提供功能號(hào)操作及功能尋址服務(wù)[18]；由于5G網(wǎng)絡(luò)是基于IP的分組域網(wǎng)絡(luò)，既有電路域的相關(guān)信令和協(xié)議已經(jīng)不再適用，因此，在5G-R系統(tǒng)中獨(dú)立設(shè)置5G-SCP智能網(wǎng)，負(fù)責(zé)5G下的功能號(hào)操作及功能尋址服務(wù)。

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(wù)器發(fā)送功能尋址呼叫請(qǐng)求，MCX依次通過5G-SCP、GSM-SCP進(jìn)行功能尋址查詢；GSM-SCP查詢到該被叫功能號(hào)對(duì)應(yīng)的用戶MSISDN/ISDN號(hào)碼后，通過VLR和MSC查詢被叫用戶所處小區(qū)位置，進(jìn)行基于位置的呼叫限制校驗(yàn)，確認(rèn)被叫用戶號(hào)碼后反饋至MCX服務(wù)器，MCX根據(jù)跨網(wǎng)用戶語音個(gè)呼流程繼續(xù)后續(xù)呼叫。呼叫流程如圖6所示。

圖6 MDS用戶發(fā)起功能尋址流程

(2)實(shí)現(xiàn)條件

①M(fèi)CX與5G-SCP和GSM-SCP均互聯(lián)，MCX具備二次查詢功能，即優(yōu)先向5G-SCP查詢，查詢不到功能號(hào)時(shí)，再次向GSM-SCP查詢功能號(hào)。

②由于有線調(diào)度終端發(fā)起的功能尋址需校驗(yàn)基于位置的呼叫限制，因此，GSM-SCP需預(yù)配置MDS用戶管轄的GSM-R小區(qū)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(guān)系。

(3)其他方案

上述方案通過MCX進(jìn)行二次查詢，除此之外，可以考慮通過MCX查詢失敗后由MSC進(jìn)行查詢實(shí)現(xiàn)功能尋址業(yè)務(wù)互聯(lián)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(fā)送至MSC，由MSC接續(xù)呼叫并在GSM-SCP進(jìn)行查詢，通過基于位置的呼叫限制確認(rèn)被叫用戶號(hào)碼后，MSC繼續(xù)后續(xù)呼叫。此方案不需MCX與GSM-SCP直接互聯(lián)，只需MCX在查詢5G-SCP失敗后將功能尋址呼叫轉(zhuǎn)發(fā)給MSC，并且MSC收到功能尋址呼叫信令后能夠按照相應(yīng)流程繼續(xù)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(jìn)行功能尋址查詢；5G-SCP對(duì)有線調(diào)度終端發(fā)起的功能尋址呼叫進(jìn)行基于位置的呼叫限制校驗(yàn)，確認(rèn)被叫用戶號(hào)碼后反饋至MSC服務(wù)器，MSC繼續(xù)后續(xù)呼叫。呼叫流程如圖7所示。

圖7 FAS用戶發(fā)起功能尋址流程

(2)實(shí)現(xiàn)條件

①M(fèi)SC與5G-SCP和GSM-SCP均互聯(lián)，MSC具備二次查詢功能，即優(yōu)先向GSM-SCP查詢，查詢不到功能號(hào)時(shí)，再次向5G-SCP查詢功能號(hào)。

②5G-SCP需預(yù)配置FAS用戶管轄的5G-R區(qū)域信息，用于基于位置呼叫限制校驗(yàn)。

(3)其他方案

除此之外，可以考慮通過MSC查詢失敗后由MCX進(jìn)行查詢實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)互聯(lián)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(zhuǎn)移至MCX，MCX在5G-SCP進(jìn)行查詢。此方案不需MSC與5G-SCP直接互聯(lián)，只需MSC在查詢GSM-SCP失敗后將功能尋址呼叫轉(zhuǎn)發(fā)給MCX，并且MCX收到功能尋址呼叫信令后能夠按照相應(yīng)流程繼續(xù)呼叫。

第二種方案簡化了互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，降低了跨網(wǎng)用戶功能尋址的實(shí)現(xiàn)難度。但兩種方案均需對(duì)GSM-R設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整，考慮到在用設(shè)備可改變空間較小，F(xiàn)AS用戶功能尋址呼叫5G-R/MDS用戶實(shí)現(xiàn)難度較大。

3.4 基于位置尋址業(yè)務(wù)

基于位置尋址主要用于移動(dòng)用戶呼叫固定用戶[19]。GSM-R網(wǎng)絡(luò)中位置尋址主要由GSM-SCP提供服務(wù)；在5G-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，為降低共用設(shè)備所帶來的集中風(fēng)險(xiǎn)，需減少共用設(shè)備數(shù)量或承擔(dān)的業(yè)務(wù)功能，而基于位置的尋址業(yè)務(wù)僅發(fā)生在相應(yīng)的局部位置區(qū)域，因此，5G-R網(wǎng)絡(luò)中位置尋址業(yè)務(wù)可由MCX提供服務(wù)?；诖?，GSM-SCP預(yù)配置MDS用戶信息，MCX預(yù)配置FAS用戶信息；MSC和MCX服務(wù)器依據(jù)真實(shí)用戶號(hào)碼識(shí)別被叫用戶所處網(wǎng)絡(luò)并發(fā)起呼叫。

3.5 其他業(yè)務(wù)

(1)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

5G-R網(wǎng)絡(luò)中MCX系統(tǒng)支持MCData數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)屬于調(diào)度通信業(yè)務(wù)范疇；GSM-R數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由GPRS、短消息業(yè)務(wù)中心(SMS-SC)等網(wǎng)元承擔(dān)，GSM-R系統(tǒng)沒有調(diào)度通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因此，GSM-R和5G-R之間不支持調(diào)度通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互聯(lián)互通。但在5G-R網(wǎng)絡(luò)中考慮設(shè)置獨(dú)立的短消息服務(wù)中心[20]，用于提供5G用戶的短消息服務(wù)，可考慮兩類短消息中心互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)5G-R和GSM-R的短消息業(yè)務(wù)互通。

(2)視頻業(yè)務(wù)

由于GSM-R不支持視頻業(yè)務(wù)，因此，GSM-R和5G-R之間不支持視頻業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通[21]。

4 平滑過渡方案及建議

綜上所述，5G-R和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通主要集中在調(diào)度通信業(yè)務(wù)上，給出以下調(diào)度通信平滑過渡方案及建議，詳細(xì)方案見表1。該方案根據(jù)鐵路調(diào)度通信呼叫類型和呼叫發(fā)起方向進(jìn)行劃分，詳細(xì)分析了跨網(wǎng)用戶之間語音個(gè)呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址等業(yè)務(wù)的可行性和實(shí)現(xiàn)條件。

表1 5G-R與GSM-R網(wǎng)絡(luò)調(diào)度通信平滑過渡方案及建議

5 結(jié)語

本文對(duì)于鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)時(shí)期調(diào)度通信場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了分析，基于5G-R和GSM-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及調(diào)度通信業(yè)務(wù)需求提出了一種雙網(wǎng)絡(luò)并存階段調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)；并在此基礎(chǔ)上，給出了語音個(gè)呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址業(yè)務(wù)跨網(wǎng)互聯(lián)互通的實(shí)現(xiàn)方法和信令流程，并闡明了視頻業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無法互通的原因；最后，總結(jié)出一種調(diào)度通信平滑過渡方案并給出建議，該方案在盡可能減少對(duì)于既定系統(tǒng)變動(dòng)的前提上，給出跨網(wǎng)用戶之間語音個(gè)呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址等業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案及建議。綜上所述，在5G-R和GSM-R網(wǎng)絡(luò)共存階段，調(diào)度通信平滑過渡方案對(duì)實(shí)現(xiàn)兩種制式網(wǎng)絡(luò)之間業(yè)務(wù)互聯(lián)互通、保障調(diào)度通信安全具有重要意義。