李 輝，郭強亮，王開鋒

(1.中國鐵道科學(xué)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(shù)研究中心,北京 100081)

引言

智能鐵路是我國高速鐵路的必然發(fā)展方向[1]。隨著移動通信[2-3]、云計算[4-5]、人工智能[6-7]、大數(shù)據(jù)[8]、物聯(lián)網(wǎng)[9]等新技術(shù)的協(xié)同發(fā)展,以及近年來智能京張和智能京雄的投入運營,我國智能鐵路的發(fā)展進入新階段,走在了世界前列[10]。5G具有大帶寬、大連接、低時延等技術(shù)優(yōu)勢,可實現(xiàn)人與物、物與物的泛在互聯(lián),是支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵型基礎(chǔ)設(shè)施。加快推進5G技術(shù)應(yīng)用,是推動智能鐵路高質(zhì)量發(fā)展、實現(xiàn)交通強國鐵路先行的重要基礎(chǔ)[3,11-12]。

2020年,國鐵集團發(fā)布了相關(guān)推進5G技術(shù)鐵路應(yīng)用的意見和行動計劃,并明確指出了推進5G專網(wǎng)承載鐵路業(yè)務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究,針對鐵路調(diào)度通信等關(guān)鍵業(yè)務(wù),研究基于5G專網(wǎng)的集群通信、多媒體技術(shù)、業(yè)務(wù)優(yōu)先級等高可靠通信保障技術(shù)及裝備,為5G專網(wǎng)承載鐵路業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐?；?G-R承載的集群通信技術(shù)必將成為鐵路典型應(yīng)用首要解決的問題。

我國鐵路已經(jīng)明確將采用3GPP MCX(關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信)技術(shù)實現(xiàn)鐵路集群通信業(yè)務(wù)。近年來,國內(nèi)外學(xué)者在鐵路MCX技術(shù)應(yīng)用研究方面卓有成效。文獻[12]探究了5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)方案和系統(tǒng)架構(gòu);文獻[13]研究了基于MCX技術(shù)實現(xiàn)鐵路智能調(diào)度通信的關(guān)鍵技術(shù);文獻[14]闡釋了MCX多媒體集群通信系統(tǒng)在重載鐵路的應(yīng)用,并實現(xiàn)了鐵路領(lǐng)域的首次工程應(yīng)用;文獻[15]提出了5G-R與GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)列車調(diào)度通信業(yè)務(wù)的平滑過渡方案。以上工作為MCX技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),然而,尚未對鐵路5G專網(wǎng)MC設(shè)備組網(wǎng)技術(shù)進行深入研究。

當(dāng)前,智能鐵路發(fā)展對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求。MC設(shè)備作為鐵路重要的通信保障,其組網(wǎng)技術(shù)直接影響著集群通信業(yè)務(wù)的可靠性,因此,開展鐵路5G專網(wǎng)寬帶集群通信MC設(shè)備組網(wǎng)技術(shù)的研究具有重要意義。

1 鐵路寬帶集群通信MC設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)及業(yè)務(wù)功能

隨著鐵路5G專網(wǎng)的研究和推進,逐步形成了5G-R總體架構(gòu),并提出了MC設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)功能需求[11-13]。

1.1 MC設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路寬帶集群通信MC設(shè)備是最具鐵路通信應(yīng)用特色的核心裝備和系統(tǒng),承擔(dān)著下一代鐵路通信中集群和調(diào)度通信業(yè)務(wù),主要由SIP Core、MC應(yīng)用和接口網(wǎng)關(guān)等組成,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在互通接口方面,MC設(shè)備需要互聯(lián)互通的設(shè)備和系統(tǒng)眾多,更突顯了其重要程度。MC設(shè)備通過N6接口與5GC UPF互聯(lián),主要實現(xiàn)與移動終端MCX-1接口類業(yè)務(wù);通過N5接口與5GC PCF互聯(lián),主要用于專用承載協(xié)商和控制,保障通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量;通過MCX-3接口與其他MC設(shè)備和多媒體調(diào)度系統(tǒng)互聯(lián),實現(xiàn)系統(tǒng)間業(yè)務(wù)交互;與全路共用智能網(wǎng)5G-IN互聯(lián),實現(xiàn)智能業(yè)務(wù)功能;通過接口網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與既有通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通,如GSM-R網(wǎng)絡(luò)、FAS系統(tǒng)等,保障業(yè)務(wù)的平滑升級和兼容性。

一方面,MC設(shè)備承擔(dān)著5G-R網(wǎng)絡(luò)移動終端設(shè)備的集群通信服務(wù),以及與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通、保障5G-R集群和調(diào)度通信的功能;另一方面,MC設(shè)備是5G-R和GSM-R雙網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)互通和平滑過渡的重要裝備。因此,MC設(shè)備組網(wǎng)方式將直接影響業(yè)務(wù)的通信過程,也對整體業(yè)務(wù)的可靠性起到了至關(guān)重要的作用。

1.2 業(yè)務(wù)功能需求

通過整合既有調(diào)度通信功能需求和智能鐵路提出的新需求,MC業(yè)務(wù)功能主要包括以下方面。

(1)語音業(yè)務(wù)

提供支持語音個呼、語音組呼(預(yù)定義和自定義組呼)、話權(quán)控制等功能。

(2)視頻業(yè)務(wù)

提供支持視頻個呼、視頻組呼(預(yù)定義和自定義組呼)、視頻傳輸控制、視頻上拉和推送等功能。

(3)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

提供支持點對點和點對多點的短數(shù)據(jù)、文件分發(fā)等功能。

(4)鐵路特定業(yè)務(wù)

提供支持功能尋址、基于位置尋址、基于位置的呼叫限制、鐵路緊急呼叫等功能。

(5)多司機通信業(yè)務(wù)

提供支持多司機通信(重聯(lián)組呼)管理和呼叫等功能。

(6)業(yè)務(wù)優(yōu)先級與處理

提供支持MC業(yè)務(wù)多優(yōu)先級控制功能。

(7)與呼叫相關(guān)的業(yè)務(wù)

提供支持呼叫保持、等待、前轉(zhuǎn)等功能。

(8)其他功能

提供信令監(jiān)測與分析、錄音錄像等功能。

2 MC設(shè)備部署技術(shù)

MC設(shè)備部署技術(shù)和方案是該設(shè)備落地應(yīng)用的關(guān)鍵。根據(jù)鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)部署和應(yīng)用分析,以及保障鐵路安全、高效運用的需要,本次提出了符合鐵路應(yīng)用特色的MC設(shè)備部署方案。

2.1 總體部署架構(gòu)

MC設(shè)備總體部署架構(gòu)如圖2所示,MC設(shè)備將按局集團公司集中部署,采用同城異址冗余備份組網(wǎng)方式,即在局集團公司同城異址部署2套MC設(shè)備,且單套MC設(shè)備采用本址雙機冗余備份方式實現(xiàn)。各鐵路局集團公司MC設(shè)備,負責(zé)局管內(nèi)線路5G專網(wǎng)移動終端設(shè)備的集群通信服務(wù)。

圖2 MC設(shè)備總體部署架構(gòu)

本地冗余極大地提高了單系統(tǒng)的可用性和可靠性;異地容災(zāi)有助于保障在極端情況下的系統(tǒng)可靠性,同時提高了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的易維護性。智能鐵路的發(fā)展對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全性、可靠性和容災(zāi)能力等要求越來越高,因此,MC設(shè)備采用本地冗余和異址容災(zāi)方式進行部署,能夠在總體系統(tǒng)架構(gòu)層面保障系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的高可靠性和可用性,解決極端情況下業(yè)務(wù)不可用的問題。

2.2 云化部署技術(shù)

隨著云計算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,云計算平臺正在成為鐵路行業(yè)新型通信基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,為智能鐵路的發(fā)展提供數(shù)字底座[16-17]。如圖3所示,云平臺通過分布式計算和虛擬資源管理等技術(shù),能夠?qū)⒏黜椳浻布Y源集中起來形成共享資源池,實現(xiàn)按需、可度量的向用戶提供服務(wù)[18-19]。

圖3 云平臺技術(shù)特點

寬帶集群通信系統(tǒng)MC設(shè)備采用云化部署技術(shù),即MC設(shè)備地面系統(tǒng)統(tǒng)一部署在云計算平臺上,能夠顯著提高業(yè)務(wù)應(yīng)用的便捷性、可靠性和擴展性。

但是,與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)不同,MC設(shè)備作為鐵路通信專用設(shè)備,承擔(dān)著列車指揮通信的關(guān)鍵任務(wù),且部分功能單元或網(wǎng)關(guān)設(shè)備必須采用專用硬件設(shè)置。因此,建議MC設(shè)備采用專用私有云部署+實體專用硬件方式布設(shè),即主體可云化部分部署在MC私有云上,其他無法實現(xiàn)云部署的單元設(shè)備設(shè)置采用專用硬件部署。該方式既發(fā)揮了云平臺的高可靠性作用,又符合系統(tǒng)設(shè)備實際運用需要,同時,能夠避免與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)承載在統(tǒng)一的云平臺上帶來的安全和穩(wěn)定性問題。

3 MC設(shè)備容災(zāi)備份技術(shù)

上述章節(jié)給出了MC設(shè)備總體部署方案,采用同城異址容災(zāi)備份方式實現(xiàn)局集團公司部署,其中,同城異址的兩套MC設(shè)備的具體容災(zāi)備份工作方式將直接決定業(yè)務(wù)流程和可靠性,是當(dāng)前MC設(shè)備組網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的核心問題[20-21]。通過對當(dāng)前主流的容災(zāi)備份技術(shù)進行研究[22-23],如主備、負荷分擔(dān)和雙活等,提出了一種業(yè)務(wù)容災(zāi)能力更強的MC設(shè)備容災(zāi)備份技術(shù)。

3.1 主備方式

典型的主備方式分為熱備和冷備。熱備情況下,只有主設(shè)備承擔(dān)業(yè)務(wù)服務(wù),備設(shè)備熱備,實時同步主設(shè)備的數(shù)據(jù);當(dāng)主設(shè)備不可用時,根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部切換控制,啟動備設(shè)備服務(wù),此時備設(shè)備承擔(dān)業(yè)務(wù)。冷備與熱備的主要區(qū)別在于,冷備情況下備設(shè)備不會實施同步主設(shè)備數(shù)據(jù),僅周期性地進行備份,或者不進行備份,只有當(dāng)主設(shè)備不可用時,才啟用備設(shè)備并進行數(shù)據(jù)同步。

考慮業(yè)務(wù)的可靠性需要,MC設(shè)備采用主備工作方式時,宜采用熱備實現(xiàn),即正常情況下,僅主設(shè)備提供業(yè)務(wù),備設(shè)備不處理業(yè)務(wù),但備設(shè)備實時同步主設(shè)備的數(shù)據(jù)。MC設(shè)備采用主備工作方式時的組網(wǎng)示意如圖4所示。

MC設(shè)備采用主備工作方式的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為業(yè)務(wù)邏輯清晰,同一時刻,業(yè)務(wù)僅運行在單套MC設(shè)備上,便于維護和管理。但是,如圖4中標(biāo)注所示,當(dāng)主用系統(tǒng)本身無故障,僅是與外部系統(tǒng)或終端互聯(lián)的鏈路有故障時,外部系統(tǒng)或終端按照既定策略與主用系統(tǒng)業(yè)務(wù)失敗后,向備用系統(tǒng)(此時不處理業(yè)務(wù))發(fā)起業(yè)務(wù)嘗試仍然會失敗,即此種場景下會直接出現(xiàn)業(yè)務(wù)失敗的問題。因此,主備方式對此類鏈路故障場景處理能力不足。

3.2 負荷分擔(dān)方式

負荷分擔(dān)方式一般是通過橫向設(shè)置多個設(shè)備,前置設(shè)置負載均衡器,通過負載均衡策略使得多個設(shè)備可以同時獨立工作,有利于提高系統(tǒng)的性能及并發(fā)能力,其中一個設(shè)備損壞不會影響整體業(yè)務(wù)。

MC設(shè)備采用負荷分擔(dān)方式時,組網(wǎng)示意如圖5所示。如果異地容災(zāi)的兩套MC設(shè)備采用負荷分擔(dān)方式,局內(nèi)終端發(fā)起的注冊以及外部互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)起業(yè)務(wù),都會按照負荷分擔(dān)策略被隨機分配給任何一套MC設(shè)備上,主叫方無法知曉被叫終端具體注冊在哪個MC設(shè)備上,當(dāng)被叫終端并沒有注冊在當(dāng)前處理業(yè)務(wù)的MC設(shè)備時,會導(dǎo)致業(yè)務(wù)失敗。因此,同城異址的兩套MC設(shè)備整體不宜采用負荷分擔(dān)方式,但是鑒于負荷分擔(dān)方式的優(yōu)勢,可以在單套MC設(shè)備內(nèi)部,針對不區(qū)分狀態(tài)的網(wǎng)元采用負荷分擔(dān)的方式,以提高單系統(tǒng)的性能和可靠性。

圖5 MC設(shè)備負荷分擔(dān)容災(zāi)組網(wǎng)

3.3 雙活方式

雙活方式是一種常見的容災(zāi)手段,該方式的典型特點是雙套系統(tǒng)同時對外提供服務(wù),雙系統(tǒng)互為備份,數(shù)據(jù)實時備份。一般而言主系統(tǒng)的負載會多一些,備系統(tǒng)分擔(dān)部分業(yè)務(wù),避免其中某一系統(tǒng)發(fā)生故障時,造成業(yè)務(wù)無法處理的情況。與熱備相比,雙活能夠進一步發(fā)揮備系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理能力。

與負荷分擔(dān)的問題類似,當(dāng)被叫用戶終端未注冊在當(dāng)前處理呼叫的系統(tǒng)上時,單純的雙活方式無法保障業(yè)務(wù)正常進行。

3.4 雙活主備用方式

針對MC業(yè)務(wù)的特點,并結(jié)合鐵路對業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可靠要求,提出一種業(yè)務(wù)保障性更強的容災(zāi)備份方法,稱為雙活主備用方式。雙活主備用方式可以概括為:2套MC設(shè)備雙活,對外區(qū)分主備用,內(nèi)部角色單元(如MC應(yīng)用等)可采用負荷分擔(dān)。

如圖6所示,雙套MC設(shè)備同時對外提供服務(wù),但區(qū)分主用和備用角色,外部系統(tǒng)或終端可以設(shè)置優(yōu)先訪問的目標(biāo)為主用,訪問主用失敗時,訪問備用。MC設(shè)備采用雙活主備用方式的另一個關(guān)鍵點為:主用系統(tǒng)和備用系統(tǒng)間能夠互通業(yè)務(wù),可以有效解決被叫用戶注冊在另一個系統(tǒng)時無法訪問的問題,業(yè)務(wù)容災(zāi)能力更強,互通接口可采用MCX-3接口。MC設(shè)備采用雙活主備用的冗余模式,一方面,可以有效解決當(dāng)互聯(lián)鏈路出現(xiàn)故障,但系統(tǒng)本身工作正常沒有發(fā)生主備切換帶來的業(yè)務(wù)失敗問題;另一方面,可以有效利用系統(tǒng)資源,為提高系統(tǒng)整體的容量。

圖6 MC設(shè)備雙活主備用容災(zāi)組網(wǎng)

對比主備方式,雙活主備用方式下系統(tǒng)整體復(fù)雜度相對較高,且由于主備用系統(tǒng)同時工作,相應(yīng)會增加系統(tǒng)設(shè)備維護的投入。但是,采用該方式MC設(shè)備系統(tǒng)整體的鏈路故障容災(zāi)能力更強,能夠保障更多的故障情況下業(yè)務(wù)有效性,滿足鐵路對業(yè)務(wù)高可靠性和可用性的要求。

4 結(jié)語

針對鐵路5G專網(wǎng)寬帶集群通信MC設(shè)備的組網(wǎng)問題,研究智能鐵路對集群通信系統(tǒng)和業(yè)務(wù)提出的需求,闡釋了MC設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)功能;針對MC設(shè)備工程運用場景,提出了總體部署方案和云部署建議;在此基礎(chǔ)上,探究并提出了雙活主備用的MC設(shè)備容災(zāi)備份技術(shù),保障鏈路故障場景下業(yè)務(wù)的可靠性。

綜上所述,提出的MC設(shè)備部署方案和容災(zāi)備份方案,具有可行性和前瞻性,能夠為鐵路5G專網(wǎng)MC設(shè)備的實際運用提供指導(dǎo)和借鑒,有助于推進智能鐵路的發(fā)展。