姜 博，李春鐸

0 引言

國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)的《關(guān)于粵港澳大灣區(qū)城際鐵路建設(shè)規(guī)劃的批復(fù)》(發(fā)改基礎(chǔ)〔2020〕1238 號)中提出，計劃近期到2025 年大灣區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)運營及在建里程達到4 700 km，全面覆蓋大灣區(qū)中心城市、節(jié)點城市和廣州、深圳等重點都市圈；遠(yuǎn)期到2035 年，大灣區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)運營及在建里程達到5 700 km，覆蓋100%縣級以上城市[1]。

繼2019 年被再次賦予建設(shè)中國特色社會主義先行示范區(qū)新使命后，深圳作為粵港澳大灣區(qū)的核心引擎城市之一，將繼續(xù)輻射帶動整個灣區(qū)發(fā)展，并在都市圈發(fā)展中起到先行示范作用。作為深圳對外聯(lián)系的重要通道，城際鐵路對于擴大有效投資、促進經(jīng)濟穩(wěn)定增長具有重要影響，對于粵港澳大灣區(qū)的交通互聯(lián)互通，以及深莞惠都市圈的交通一體化發(fā)展具有十分重要的意義。

調(diào)度通信系統(tǒng)是城際鐵路發(fā)展建設(shè)和運行指揮中不可或缺的關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，是城際鐵路運輸指揮和安全生產(chǎn)的重要保障。深圳都市圈城際鐵路擬采用3GPP關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信技術(shù)(MCX)實現(xiàn)城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)網(wǎng)絡(luò)下的調(diào)度通信業(yè)務(wù)。MCX 服務(wù)器通過與LTE-M 核心網(wǎng)連接，實現(xiàn)運輸指揮人員和生產(chǎn)人員之間的語音、視頻、數(shù)據(jù)通信。

1 深圳都市圈城際鐵路業(yè)務(wù)需求

城際鐵路無線通信業(yè)務(wù)可分為行車指揮及控制、行車信息數(shù)據(jù)、公共安全和旅客信息三大類，其中調(diào)度通信屬于行車指揮及控制類別中的重要業(yè)務(wù)，指運輸指揮人員與相關(guān)運輸生產(chǎn)人員之間的多媒體通信，業(yè)務(wù)特點包括可靠性要求高、語音調(diào)度通信帶寬需求小/視頻調(diào)度通信帶寬需求較大、時延低、業(yè)務(wù)優(yōu)先級高、具有潛在的與國家鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)互聯(lián)互通需求，調(diào)度通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)如表1 所示。根據(jù)客流預(yù)測結(jié)果、小區(qū)覆蓋范圍和列車運行間隔情況，可按照同小區(qū)內(nèi)4 路調(diào)度語音業(yè)務(wù)、2 路調(diào)度視頻業(yè)務(wù)同時觸發(fā)計算調(diào)度通信業(yè)務(wù)需求[2-4]。

表1 調(diào)度通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)Tab.1 Dispatching communication application QoS index

深圳城際鐵路擬采用LTE-M 通信制式承載包括調(diào)度通信在內(nèi)的行車指揮及控制類業(yè)務(wù)，LTE-M頻譜效率與LTE基本一致，是針對城市軌道交通設(shè)計的TD-LTE 系統(tǒng)。根據(jù)既有LTE 試驗，在頻率資源2×5 MHz，列車運行速度小于等于200 km/h的條件下，小區(qū)下行平均吞吐量為16.8 Mbps，小區(qū)上行平均吞吐量為10.93 Mbps，端到端傳輸時延和丟包率均滿足調(diào)度通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求。

2 調(diào)度通信服務(wù)器及系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 MCX服務(wù)器架構(gòu)

MCX技術(shù)是國際化標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP提出的新一代寬帶集群通信技術(shù)，能夠為用戶提供多媒體集群通信服務(wù)，具有用戶認(rèn)證和服務(wù)授權(quán)、個呼、組呼、短數(shù)據(jù)及文件分發(fā)、緊急呼叫等功能。MCX 系統(tǒng)采用IP 多媒體子系統(tǒng)(IP Multimedia Subsystem，IMS)架構(gòu)，包含服務(wù)器端和客戶端，采用會話發(fā)起協(xié)議(SIP協(xié)議)進行呼叫控制[5-6]。

MCX 服務(wù)器負(fù)責(zé)整個調(diào)度通信系統(tǒng)的會話控制和管理。MCX 服務(wù)器內(nèi)部架構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括SIP 核心(SIP core)、調(diào)度通信應(yīng)用和接口網(wǎng)關(guān)3部分。

圖1 MCX服務(wù)器內(nèi)部架構(gòu)示意圖Fig.1 Interior structure of MCX server

SIP 核心實現(xiàn)信令面SIP 消息的注冊、服務(wù)選擇和路由［7］。

調(diào)度通信應(yīng)用包含公共管理(CSC)、用戶數(shù)據(jù)庫、調(diào)度通信業(yè)務(wù)應(yīng)用、智能網(wǎng)等功能單元。公共管理單元具有組管理、配置管理、密鑰管理、身份管理、位置管理、漫游管理等功能；用戶數(shù)據(jù)庫單元用于存儲和查詢SIP 用戶數(shù)據(jù)及調(diào)度通信用戶數(shù)據(jù)，SIP 用戶數(shù)據(jù)包括用戶的認(rèn)證鑒權(quán)信息，調(diào)度通信用戶數(shù)據(jù)包括用戶配置文件、密鑰信息、組呼信息等；調(diào)度通信業(yè)務(wù)應(yīng)用單元包括關(guān)鍵語音業(yè)務(wù)(MCPTT)、關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)(MCVideo)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(MCData)，主要實現(xiàn)語音及視頻個呼、語音及視頻組呼的控制功能和參與功能，數(shù)據(jù)、文件分發(fā)的控制功能和參與功能［8］；智能網(wǎng)單元主要實現(xiàn)深圳都市圈城際鐵路內(nèi)部的功能尋址和基于位置尋址業(yè)務(wù)。

接口網(wǎng)關(guān)用于和國家鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)的互聯(lián)互通。

客戶端系統(tǒng)實體運行于手持臺、車載臺等終端設(shè)備中。與服務(wù)器端相對應(yīng)，客戶端系統(tǒng)包含了多個調(diào)度通信服務(wù)的應(yīng)用功能客戶端，以及語音、圖像、視頻的采集和播放模塊。

2.2 調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)

深圳都市圈城際鐵路采用LTE-M 網(wǎng)絡(luò)承載MCX 系統(tǒng)，LTE-M 網(wǎng)絡(luò)下的調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)主要包括用戶設(shè)備、LTE-M 基站、LTE-M 核心網(wǎng)、MCX 集群通信系統(tǒng)、多媒體有線調(diào)度通信系統(tǒng)(MDS)以及其他系統(tǒng)組成。

圖2 LTE-M網(wǎng)絡(luò)下的調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Dispatching communication system structure in LTE-M

城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的用戶設(shè)備主要包括車載臺和手持臺等，設(shè)備通過內(nèi)置USIM卡接入LTEM網(wǎng)絡(luò)，通過安裝MCX客戶端軟件與MCX服務(wù)器進行調(diào)度通信業(yè)務(wù)。

LTE-M 基站包括基帶控制單元(BBU)和射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)2種基本功能模塊，二者通過光纖實現(xiàn)互連。基站通過Uu接口與UE通信，通過X2接口與其他基站通信，通過S1接口與LTE-M核心網(wǎng)通信［9］。

LTE-M 核心網(wǎng)由移動性管理實體(MME)、業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW)、PDN 網(wǎng)關(guān)(PGW)、策略和計費規(guī)則功能(PCRF)、歸屬用戶服務(wù)器(HSS)等網(wǎng)元構(gòu)成。其中，MME為控制面設(shè)備，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信令傳輸；SGW 和PGW 為用戶面設(shè)備，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)包的過濾、路由、轉(zhuǎn)發(fā)；PCRF 負(fù)責(zé)制定策略規(guī)則，為不同承載業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)質(zhì)量；HSS 存儲LTE-M 網(wǎng)絡(luò)中用戶所有與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。

MCX 集群通信系統(tǒng)主要包括MCX服務(wù)器，MCX服務(wù)器用于實現(xiàn)集群調(diào)度通信功能，能夠完成基于語音、數(shù)據(jù)、視頻調(diào)度業(yè)務(wù)的控制和處理。MCX 服務(wù)器通過SGi 接口與PGW 連接，用于調(diào)度通信媒體數(shù)據(jù)的傳輸；通過Rx 接口與PCRF 連接，用于向LTE-M 網(wǎng)絡(luò)申請建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ贸休d，保障業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

MDS 是指調(diào)度員、車站值班員等固定用戶使用的有線調(diào)度通信系統(tǒng)，包含調(diào)度中心設(shè)備、多媒體調(diào)度臺和多媒體車站值班臺，通過MCX-3 接口與MCX 服務(wù)器連接，實現(xiàn)無線用戶和有線用戶的多媒體通信。

其他系統(tǒng)包括共用智能網(wǎng)設(shè)備(IN)、其他都市圈的MCX 服務(wù)器和國家鐵路GSM-R 系統(tǒng)。IN 設(shè)備中存儲城際鐵路全部用戶的功能號和MSISDN號碼的對應(yīng)關(guān)系，MCX服務(wù)器通過與IN 設(shè)備連接，實現(xiàn)跨都市圈的功能尋址業(yè)務(wù)。MCX 服務(wù)器通過與其他都市圈的MCX服務(wù)器連接，實現(xiàn)跨都市圈的語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。MCX 服務(wù)器通過與國家鐵路GSM-R 系統(tǒng)連接，實現(xiàn)城際鐵路調(diào)度通信用戶與國家鐵路調(diào)度通信用戶之間的通信。

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信功能主要包括：個呼(城際鐵路調(diào)度員、車站值班員、機車司機之間的點對點呼叫)、位置尋址(移動用戶(如司機)呼叫與所處位置相關(guān)的固定用戶的語音或視頻通話)、功能尋址、組呼(包括緊急呼叫)、多優(yōu)先級業(yè)務(wù)處理等。

3.1 個呼業(yè)務(wù)

個呼業(yè)務(wù)用于實現(xiàn)城際鐵路調(diào)度員、車站值班員、機車司機之間的點對點呼叫，主要包含語音個呼和視頻個呼，個呼業(yè)務(wù)流程示意圖如圖3所示。

圖3 個呼業(yè)務(wù)流程示意圖Fig.3 Private call flow

有線用戶(調(diào)度員/車站值班員)呼叫無線用戶(機車司機)時，由MDS 和MCX 服務(wù)器共同參與實現(xiàn)呼叫的控制。有線用戶通過撥打移動用戶識別號碼(MSISDN)發(fā)起呼叫，MDS 經(jīng)過號碼解析后，識別出該呼叫為個呼業(yè)務(wù)且被叫號碼為無線用戶，通過MCX-3 接口將呼叫路由至MCX 服務(wù)器，由MCX服務(wù)器向被叫用戶發(fā)起呼叫。

3.2 位置尋址業(yè)務(wù)

位置尋址業(yè)務(wù)是深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的特色智能業(yè)務(wù)，主要用于實現(xiàn)移動用戶(如司機)呼叫與所處位置相關(guān)的固定用戶的語音或視頻通話業(yè)務(wù)。主叫用戶通過短號碼撥號來觸發(fā)基于位置的尋址業(yè)務(wù)。MCX 服務(wù)器中存儲短號碼、用戶位置信息和多媒體有線用戶ISDN 號碼的對應(yīng)關(guān)系。

位置尋址業(yè)務(wù)流程示意圖如圖4 所示。司機通過撥打4位的短號碼發(fā)起呼叫，MCX服務(wù)器進行號碼解析，判斷該呼叫為短號碼呼叫后，根據(jù)短號碼、司機的位置信息查詢調(diào)度員/車站值班員的ISDN號碼，將呼叫路由至MDS，MDS負(fù)責(zé)對被叫用戶發(fā)起呼叫。

圖4 位置尋址業(yè)務(wù)流程示意圖Fig.4 Location dependent addressing flow

3.3 功能尋址業(yè)務(wù)

城際鐵路調(diào)度指揮通信中，調(diào)度員和被調(diào)度者之間的關(guān)系需要通過實際工作建立。當(dāng)調(diào)度員使用MSISDN呼叫時，必須先知道被呼叫者的身份，才能查詢其使用的MSISDN號碼并進行呼叫，這種方式會大幅降低工作效率［10］。

功能尋址業(yè)務(wù)是深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的特色智能業(yè)務(wù)，指用戶不再通過所使用的終端設(shè)備號碼，而是由被叫者當(dāng)時所擔(dān)當(dāng)?shù)墓δ芙巧粚ぶ泛秃艚?，可以提升城際鐵路運營指揮效率。

（1）功能號操作。為了實現(xiàn)功能尋址業(yè)務(wù)，每列正在運行的列車均需要分配一個功能號，供其列車司機使用。司機需在列車始發(fā)站出發(fā)時通過IN 設(shè)備注冊該功能號，當(dāng)其不使用此功能號時，同樣需要通過IN 設(shè)備進行注銷。同時，用戶應(yīng)能查詢到本機注冊的功能號，以及該功能號對應(yīng)的MSISDN 號碼。功能號操作相關(guān)流程示意圖如圖5所示。

圖5 功能號操作相關(guān)流程示意圖Fig.5 Functional number operation flow

功能號注冊/注銷：司機通過MCX服務(wù)器向IN設(shè)備申請注冊/注銷功能號，MCX 服務(wù)器對用戶進行身份校驗后，向IN 設(shè)備發(fā)起注冊/注銷請求，IN設(shè)備在數(shù)據(jù)庫中建立/刪除司機MSISDN 號碼和功能號之間的對應(yīng)關(guān)系。

功能號查詢：司機通過MCX 服務(wù)器向IN 設(shè)備查詢本機注冊的功能號或查詢功能號對應(yīng)的MSISDN 號碼，MCX 服務(wù)器對用戶進行身份校驗后，向IN 設(shè)備發(fā)起查詢請求，IN 設(shè)備在數(shù)據(jù)庫中查詢后返回查詢結(jié)果。

功能號強制注銷：司機通過MCX 服務(wù)器向IN設(shè)備強制注銷其他用戶的功能號，MCX 服務(wù)器對用戶進行身份校驗、檢查用戶具有強制注銷權(quán)限后，向IN 設(shè)備發(fā)起強制注銷請求，IN 設(shè)備在數(shù)據(jù)庫中刪除功能號和被強制注銷功能號用戶的MSISDN號碼的對應(yīng)關(guān)系。

（2）功能號呼叫。功能號呼叫流程示意圖如圖6所示。調(diào)度員/車站值班員通過功能號向司機發(fā)起呼叫。MDS 進行號碼分析，判斷為移動用戶的功能號，將呼叫路由至MCX服務(wù)器。MCX服務(wù)器進行號碼解析，判斷為功能號呼叫后，向IN 設(shè)備查詢被叫用戶的MSISDN 號碼，根據(jù)IN 設(shè)備返回的查詢結(jié)果向被叫用戶發(fā)起呼叫。

圖6 功能號呼叫流程示意圖Fig.6 Functional number call flow

3.4 組呼業(yè)務(wù)

組呼業(yè)務(wù)主要包含語音組呼和視頻組呼，其組呼呼叫流程示意圖如圖7 所示。城際鐵路的組呼應(yīng)用場景包括緊急組呼(299 組呼)、車站內(nèi)組呼(210 組呼)、三站兩區(qū)間組呼(220 組呼)。由呼叫流程可以看出，城際鐵路組呼區(qū)域內(nèi)的移動用戶是根據(jù)組呼發(fā)起者當(dāng)前所在位置決定的，無法進行預(yù)先配置。

圖7 組呼呼叫流程示意圖Fig.7 Group call flow

緊急組呼的組ID 為299，優(yōu)先級為15，是城際鐵路優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)，主要用于在緊急情況下，呼叫移動終端所在小區(qū)及兩側(cè)相鄰小區(qū)內(nèi)的司機、調(diào)度員和其他組內(nèi)相關(guān)人員[11]。

車站內(nèi)組呼的組ID 為210，優(yōu)先級為11，主要用于解決車站基站區(qū)范圍內(nèi)車站值班員、司機和其他移動終端之間的組呼通話。

三站兩區(qū)間組呼的組ID 為220，優(yōu)先級為13，主要用于解決主叫用戶當(dāng)前所在車站及相鄰兩個車站區(qū)間內(nèi)調(diào)度員、車站值班員及機車司機的組呼通話［12］。

3.5 多優(yōu)先級業(yè)務(wù)處理

MCX服務(wù)器可為深圳城際鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)定義7種優(yōu)先級業(yè)務(wù)，具體調(diào)度通信業(yè)務(wù)優(yōu)先級劃分特性如表2所示。

表2 調(diào)度通信業(yè)務(wù)優(yōu)先級劃分特性Tab.2 Dispatching communication service prioritization features

用戶設(shè)備在不同呼叫狀態(tài)下對調(diào)度通信業(yè)務(wù)優(yōu)先級處理原則如下。

空閑情況時：若有不同優(yōu)先級的調(diào)度通信業(yè)務(wù)呼叫同時呼入，用戶設(shè)備優(yōu)先接通高優(yōu)先級呼叫；若有同一優(yōu)先級調(diào)度通信業(yè)務(wù)呼叫接入，用戶可選擇接通呼叫。

組呼通話時：若有高優(yōu)先級調(diào)度通信業(yè)務(wù)呼叫呼入，用戶設(shè)備自動接通高優(yōu)先級呼叫，并在通話結(jié)束后，自動返回正在進行的低優(yōu)先級組呼。

個呼通話時：若有高優(yōu)先級調(diào)度通信業(yè)務(wù)組呼呼入，用戶設(shè)備保持正在進行的低優(yōu)先級個呼，并自動接通高優(yōu)先級調(diào)度通信業(yè)務(wù)組呼；若有高優(yōu)先級調(diào)度通信業(yè)務(wù)個呼呼入，用戶設(shè)備保持正在進行的低優(yōu)先級個呼，并自動或手動選擇接通高優(yōu)先級呼叫[13]。

若2個同一優(yōu)先級調(diào)度通信業(yè)務(wù)呼叫在用戶設(shè)備通話情況下同時呼入，用戶可手動選擇接通的呼叫，通話結(jié)束后用戶設(shè)備按照調(diào)度通信業(yè)務(wù)優(yōu)先級和呼入時間順序自動接通處于保持狀態(tài)的一個呼叫。

4 調(diào)度通信系統(tǒng)互聯(lián)互通

作為“四網(wǎng)融合”重要組成部分，城際鐵路存在與國家鐵路的互聯(lián)互通需求。這包括當(dāng)前已部署的GSM-R系統(tǒng)以及未來可能部署的鐵路5G專用移動通信(5G-R)系統(tǒng)，需要對這2種情況分別進行互聯(lián)互通研究，可從車載終端、地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和手持終端進行分析。

4.1 MCX與GSM-R

基于LTE-M的MCX與GSM-R 互聯(lián)互通示意圖如圖8所示，城際鐵路MCX 服務(wù)器通過E 接口與GSM-R MSC(移動交換中心)連接[14]。

圖8 基于LTE-M的MCX與GSM-R互聯(lián)互通示意圖Fig.8 Interoperation design of MCX and GSM-R based on LTE-M

（1）車載終端方面，需安裝多模車載終端，同時配置LTE-M 專網(wǎng)與GSM-R通信模塊。

（2）地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面，由于GSM-R 基于電路域，不適用SIP 協(xié)議，需要通過MCX 服務(wù)器內(nèi)的接口網(wǎng)關(guān)進行SIP協(xié)議和ISUP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換。此外，通過在國家鐵路GSM-R 數(shù)據(jù)庫中配置LTE-M 網(wǎng)絡(luò)用戶及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在LTE-M 承載的MCX 服務(wù)器中配置GSM-R 用戶及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)LTE-M用戶與GSM-R 用戶之間的個呼[15]。LTE-M用戶與GSM-R用戶跨網(wǎng)組呼無實際業(yè)務(wù)需求。

（3）手持終端方面，GSM-R 終端和調(diào)度業(yè)務(wù)功能耦合程度高，含GSM-R和LTE-M的多模手持終端配置難度大，建議分別配置GSM-R 和LTE-M手持終端。

4.2 MCX與5G--R

基于LTE-M 的MCX 與5G-R 互聯(lián)互通示意圖如圖9 所示，城際鐵路MCX 服務(wù)器和各鐵路局集團公司的MCX服務(wù)器通過MCX-3接口連接。

圖9 基于LTE-M的MCX與5G-R互聯(lián)互通示意圖Fig.9 Interoperation design of MCX and 5G-R based on LTE-M

（1）車載終端方面，需安裝多模車載終端，同時配置LTE-M與5G-R通信模塊。

（2）地面MCX 服務(wù)器方面，建議采用國家鐵路5G-R MCX 標(biāo)準(zhǔn)，通過在國家鐵路各鐵路局集團公司的MCX服務(wù)器內(nèi)配置LTE-M用戶及業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，在城際鐵路MCX 服務(wù)器內(nèi)配置國家鐵路5G-R 用戶及業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)[16]，可實現(xiàn)系統(tǒng)間包括個呼、組呼在內(nèi)的互聯(lián)。

（3）手持終端方面，可采用多模手持終端，同時配置LTE-M 與5G-R 通信模塊，實現(xiàn)LTE-M 承載的MCX調(diào)度通信系統(tǒng)與5G-R系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

5 結(jié)束語

深圳都市圈城際鐵路建設(shè)對促進粵港澳大灣區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展、深莞惠三地的協(xié)同發(fā)展具有重大意義，智能化的調(diào)度通信系統(tǒng)對城際鐵路的運輸指揮和安全生產(chǎn)至關(guān)重要?；诔请H鐵路實際業(yè)務(wù)需求，提出基于LTE-M網(wǎng)絡(luò)的MCX調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)，并對各類調(diào)度通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景、應(yīng)用方法和業(yè)務(wù)流程進行了分析，提出與國家鐵路GSM-R和5G-R的互聯(lián)互通方案。MCX技術(shù)能夠滿足深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信應(yīng)用需求，研究成果可助力深圳都市圈城際鐵路智能化進程，并對其建設(shè)發(fā)展提供參考。