鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)方案研究

1、鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)方案研究摘要：首先介紹鐵路調(diào)度通信、列車控制系統(tǒng)基本特點；在分析基于 LTE的語 音業(yè)務(wù)（VoLTE）技術(shù)和MC （關(guān)鍵業(yè)務(wù)）集群通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對鐵路5G 專網(wǎng)MC系統(tǒng)架構(gòu)以及鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)應(yīng)用方案進行研究。關(guān)鍵詞：鐵路5G專網(wǎng)；基于LTE的語音業(yè)務(wù)；MC （關(guān)鍵業(yè)務(wù)）；集群通信技 術(shù)；鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)鐵路專用移動通信系統(tǒng)是保障鐵路運輸安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，調(diào)度通信、列車控制是涉及鐵路行車安全的重要業(yè)務(wù)。 目前，鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R ） 承載的調(diào)度通信和列車控制業(yè)務(wù)均基于電路域技術(shù)實現(xiàn)。隨著5G技術(shù)不斷的成熟、公網(wǎng)大規(guī)模商用，鐵路專網(wǎng)也將采用5

2、G技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)承載與應(yīng)用分離、全 IP化組網(wǎng)，不再支持電路域業(yè)務(wù)。3GPP國際標(biāo)準組織定義了 MC （關(guān)鍵任務(wù)）集 群通信技術(shù)體系，滿足行業(yè)專網(wǎng)、公共安全等領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)電信業(yè)務(wù)的需求。為此 ， 本文對鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)應(yīng)用方案進行研究。1鐵路業(yè)務(wù)鐵路調(diào)度通信鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)包括：列車調(diào)度、貨運調(diào)度、機務(wù)調(diào)度、動車調(diào)度、客運調(diào) 度、供電調(diào)度、電務(wù)調(diào)度、工務(wù)調(diào)度等。業(yè)務(wù)應(yīng)用涉及移動終端、移動與固定終 端（調(diào)度臺）之間的個呼及組呼10以列車調(diào)度通信為例，“車機聯(lián)控”是調(diào)度通 信的術(shù)語，指車務(wù)、機務(wù)等行車有關(guān)人員使用鐵路專用移動通信設(shè)備，按規(guī)定進行 語音聯(lián)絡(luò)，提示行車安全信息，確認行車要求。鐵路

3、調(diào)度通信從無線列車調(diào)度系統(tǒng) 發(fā)展至GSM-R系統(tǒng)，“車機聯(lián)控”應(yīng)用模式一直延續(xù)。GSM-R網(wǎng)絡(luò)根據(jù)調(diào)度通 信業(yè)務(wù)的呼叫場景、用戶使用習(xí)慣，通過智能網(wǎng)設(shè)備為調(diào)度通信業(yè)務(wù)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 -0鐵路列車控制2009年武廣高鐵開通運營，基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的CTCS-3級列控系統(tǒng)在我國 高速鐵路開始運用。GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用電路交換數(shù)據(jù)（CSD）業(yè)務(wù)通道承載列車 控制系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)，與調(diào)度通信一樣均是電路域業(yè)務(wù)。電路域是電路交換技術(shù) 不同用戶獨占各自分配的時隙，特點是數(shù)據(jù)量小、時延低。GSM-R網(wǎng)絡(luò)的電路域 技術(shù)很好地滿足了鐵路調(diào)度通信和列車控制業(yè)務(wù)的需求。5G

4、網(wǎng)絡(luò)基于分組域架構(gòu)，分組域采用包交換方式，其特點是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以共享通道資源。面對網(wǎng)絡(luò)承載 技術(shù)的重大變化，鐵路調(diào)度通信、列車控制業(yè)務(wù)需要在技術(shù)上進行演進，才能適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)。VoLTE技術(shù)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(wù)應(yīng)用需求，在分組承載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上綜合實現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并支持與既有電路域網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。IMS是一種開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使用會話初始協(xié) 議（SIP）實現(xiàn)對多媒體業(yè)務(wù)的交換控制。移動通信技術(shù)發(fā)展到第4代（LTE）后 網(wǎng)絡(luò)完全分組化，運營商移動通信網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)回落到2G/3G的電路域?qū)崿F(xiàn)，隨后3GPP提出了基于LTE的語音業(yè)務(wù)（V

5、oLTE）技術(shù)，在語音業(yè)務(wù)通話的基礎(chǔ) 上增加了視頻通話業(yè)務(wù)，而且通話接通時間更短,VoLTE接通時間約為 0.52 s,2G/3G約為58 so VoLTE由4G和IMS網(wǎng)絡(luò)組成，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。圖1 VoLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖IMS網(wǎng)絡(luò)主要包括：代理會話控制（PCSCF）、服務(wù)/查詢呼叫會話控制（S- CSCF/ICSCF） 、VoLTE應(yīng)用月艮務(wù)（VoLTE-AS ）、歸屬用戶月艮務(wù)（HSS）、會話 邊界控制（SBC）等功能31。P-CSCF是VoLTE業(yè)務(wù)的接入節(jié)點，負責(zé)SIP （會話 初始協(xié)議）信令的代理。S-CSCF/I-CSCF負責(zé)VoLTE業(yè)務(wù)的注冊服務(wù)和會話控 制。VoLTE-AS

6、提供業(yè)務(wù)邏輯，負責(zé)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(wù)及電信補充業(yè)務(wù)。HSS負責(zé)存儲VoLTE用戶相關(guān)位置及 業(yè)務(wù)信息。SBC位于IMS網(wǎng)絡(luò)的邊界，負責(zé)將終端用戶接入到IMS網(wǎng)絡(luò)。4G網(wǎng)絡(luò)主要包括：移動性管理實體（MME ）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、應(yīng)用網(wǎng) 絡(luò)網(wǎng)關(guān)（PGW）、策略與計費功能（PCRF）、無線接入網(wǎng)（RAN）、信令路由 代理節(jié)點（DRA）等網(wǎng)元。目前公眾移動通信5G網(wǎng)絡(luò)僅支持數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，語音呼叫業(yè)務(wù)仍然要使用4G網(wǎng) 絡(luò)的VoLTE技術(shù)，基于5G的語音業(yè)務(wù)稱為 VoNR （Voice Over NR ）,其技術(shù)標(biāo) 準正在研究。MC技術(shù)MC （關(guān)鍵業(yè)務(wù)）技術(shù)，早

7、期稱為“關(guān)鍵業(yè)務(wù)一鍵通 （MCPTT）,是一種基 于分組無線網(wǎng)絡(luò)的語音集群通信技術(shù)，面向特定行業(yè)的調(diào)度指揮應(yīng)用，屬于專用無 線通信技術(shù)。MC技術(shù)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(shù),簡化了 IMS復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有大帶寬、低時延、互聯(lián)互通、易于規(guī)模建網(wǎng)等優(yōu)點，支持鑒權(quán)、組管理、個呼、組呼、 呼叫優(yōu)先級、發(fā)言權(quán)控制、位置上報等功能 -02016年3GPP第15版將MCPTT技術(shù)納入4G標(biāo)準體系，并增加了視頻和 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。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 ） 3種應(yīng)用場景的統(tǒng)稱為 MCx、

8、3GPP第16版增加了基于5G 網(wǎng)絡(luò)MC技術(shù)架構(gòu)的概述，具體的技術(shù)實現(xiàn)方案仍在研究中。4系統(tǒng)架構(gòu)參考3GPP標(biāo)準的表述，對鐵路5G專網(wǎng)MC集群通信進行研究，具系統(tǒng)架構(gòu) 見圖2。?。壕捅缺字x1KA |通信系幄Sd*-3IUTP-1老琳坤調(diào)出 d端泡;奈統(tǒng)川,也抗質(zhì)山一和二I1 CMITSTF0WF,陰呼FF配置管鼻urn* _： ： WUHE，研才廟酈而PTTnitrtrA 麗出杳/鼓心利陵射1ir 1：.,WK而M1布W Q伊許!P-14府也即幅朝竹三 帶曾性坤!11 -mtit圖2鐵路5G專網(wǎng)MC集群通信系統(tǒng)架構(gòu)基于鐵路5G專網(wǎng)的MC集群通信系統(tǒng)架構(gòu)主要包括:5G核心網(wǎng)（5GC）、 無線網(wǎng)（

9、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(diào)度系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)調(diào)度固定用戶與5G移動用戶之間的多媒體MC系統(tǒng)主要包括：會話通信，鐵路多媒體調(diào)度系統(tǒng)兼容 MC系統(tǒng)的接口和協(xié)議 初始協(xié)議（SIP core ）、MC 業(yè)務(wù)（MC service ）、公共管理（Common service core ）、用戶數(shù)據(jù)庫（SIP database、MC user database ）等功能模塊。MC 系統(tǒng)內(nèi)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(wǎng)關(guān)（MGW），實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù) 流的互通。會話初

10、始協(xié)議模塊SIP core是MC系統(tǒng)控制面的核心，負責(zé)信令控制面的注冊、業(yè)務(wù)選擇和信 令消息處理，負責(zé)管理與SIP core功能相關(guān)的應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、服務(wù)注冊標(biāo)識、鑒 權(quán)信息、等。SIP core與公共管理、用戶數(shù)據(jù)庫、MC業(yè)務(wù)等功能模塊中的SIP應(yīng) 用（SIPAS）共同實現(xiàn)MC系統(tǒng)中SIP協(xié)議的控制及處理50根據(jù)外部系統(tǒng)所采用的協(xié)議,SIP core配置對應(yīng)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(gòu)的HTTP/TCP協(xié) 議，與GSM-R系統(tǒng)的MSC設(shè)備之間采用No.7信令用戶部分（ISUP）、移動 應(yīng)用部分 （MAP）協(xié)議。公共管理模塊公共管理模塊是

11、MCPTT、MCVideo、MC ?Data業(yè)務(wù)的公共邏輯功能實體， 包括MC業(yè)務(wù)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(wù)器）方式實現(xiàn)。1）配置管理，用于配置MC相關(guān)的業(yè)務(wù)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(wù)用戶的身份，包才S MC用戶標(biāo)識（MC ID ）、MC 業(yè)務(wù)標(biāo)識（MC service ID ）、MC 業(yè)務(wù)組標(biāo)識（MC service group ID ）。MC ID是MC業(yè)務(wù)用戶在身份驗證過程中的標(biāo)識,MC service ID 是MC

12、業(yè)務(wù)中 的全局唯一標(biāo)識，MC service group ID表示一組MC業(yè)務(wù)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(wù)器和MC業(yè)務(wù)服務(wù) 器提供安全相關(guān)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(guān)業(yè)務(wù)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(wù)服務(wù)器提供用戶 位置信息；位置管理功能還可以獲取 5G網(wǎng)絡(luò)的用戶位置信息。位置信息通常包 括終端的衛(wèi)星定位

13、經(jīng)緯度信息、終端在5G網(wǎng)絡(luò)中所處的基站/小區(qū)信息，對于鐵路而言，線路號、公里標(biāo)也是位置信息。MC業(yè)務(wù)模塊MC業(yè)務(wù)模塊實現(xiàn)MC系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，用于語音、視頻、數(shù)據(jù)媒體面的處 理和話權(quán)控制，主要包含MC業(yè)務(wù)客戶端、MC業(yè)務(wù)服務(wù)器、多播業(yè)務(wù)等功能實 體0MC業(yè)務(wù)客戶端是MC應(yīng)用的用戶部分，通常在終端側(cè)，能夠報告終端當(dāng) 前的位置信息。MC業(yè)務(wù)服務(wù)器是實現(xiàn)MC業(yè)務(wù)的功能實體。屬于同一個組的 MC客戶端應(yīng)使用同一個MC服務(wù)器。如果MC客戶端屬于多個不同的組，可以關(guān)聯(lián)相關(guān) 的多個MC業(yè)務(wù)服務(wù)器。MC組管理應(yīng)用(GCSAS)用于控制組通信的多播和 單播功能。3)多播業(yè)務(wù)功能(MBMS )負責(zé)配合無線通信系統(tǒng)，

14、實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的廣播 功能。3GPP標(biāo)準詳細定義了基于LTE的MBMS功能,5G網(wǎng)絡(luò)的多播功能仍在 標(biāo)準制定過程中0用戶數(shù)據(jù)庫用戶數(shù)據(jù)庫主要包括 SIP用戶數(shù)據(jù)庫(SIP database )和MC用戶(MC service user database ) 數(shù)據(jù)庫 。SIP用戶數(shù)據(jù)庫，用于存儲用戶SIP協(xié)議相關(guān)的信息，并向SIP core提供 SIP訂閱、標(biāo)識、鑒權(quán)、應(yīng)用服務(wù)選擇等信息，配合SIP core完成用戶的注冊、 鑒權(quán)、呼叫控制、會話管理、移動性管理等功能。MC用戶數(shù)據(jù)庫，用于存儲MC業(yè)務(wù)用戶的業(yè)務(wù)功能簽約配置文件，該配 置文件關(guān)聯(lián)用戶的MC業(yè)務(wù)ID。3)用戶數(shù)據(jù)庫的設(shè)置方式。3GP

15、P定義了 3種用戶數(shù)據(jù)庫設(shè)置方式：方式 一,MC、SIP、UDM獨立設(shè)置用戶數(shù)據(jù)庫；方式二,MC與SIP合設(shè)用戶數(shù)據(jù)庫； 方式三,UDM與SIP合設(shè)用戶數(shù)據(jù)庫見圖3。對于鐵路MC集群通信系統(tǒng)，可 按照5G承載網(wǎng)絡(luò)與MC系統(tǒng)分層管理，采用方式二。方式一；分別設(shè)置方式二：MC與SIP會設(shè)方式三:川與sip合設(shè)Y匚用戶數(shù)據(jù)率、配：業(yè)務(wù)服務(wù)跳；1J_ _ U：MC用戶數(shù)據(jù)輝 MC業(yè)等：MCHi戶數(shù)據(jù)M YC業(yè)芬服芬器t1i_，F(xiàn) = H _ _ . 一 一 FGP用戶數(shù)據(jù)庫即口用戶數(shù)據(jù)用SFP Or*P用戶小鵬庫SIP Cop- 1；11| t n ri 1r1|1l：UM5 Gs|J L . rUD

16、M5（送11 一I UM 111 1k圖3用戶數(shù)據(jù)庫設(shè)置方式5技術(shù)方案基于服務(wù)功能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較4G產(chǎn)生了很大變化，采用了基于服務(wù)化（SBI）的架構(gòu)，以 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）為載體。傳統(tǒng)的網(wǎng)元演變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)功能，根據(jù)業(yè)務(wù)流程選擇 所需網(wǎng)絡(luò)功能，完成控制面的信令交互?？刂泼媪鞒掏瓿珊?，由終端（UE）、無 線接入網(wǎng)（RAN）、用戶面功能（UPF）、業(yè)務(wù)系統(tǒng)（DN）直接建立用戶面IP 通道，減少了用戶面數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)元，降低了數(shù)據(jù)傳輸時延。5G網(wǎng)絡(luò)演變的更加 靈活，但控制面的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更為復(fù)雜?；诜?wù)化的 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)口。見圖4。MC 系統(tǒng)的控制面為AF （應(yīng)用功能）,MC系統(tǒng)的用戶面為D

17、N （業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)）。拄制面用而圖4基于服務(wù)功能的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)度通信業(yè)務(wù)實現(xiàn)方案公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)在3G、4G、5G的部署過程中，投入了相當(dāng)?shù)拇鷥r來實現(xiàn)不同制式系統(tǒng)之間業(yè)務(wù)的互通。鐵路專網(wǎng)與公眾網(wǎng)絡(luò)不同，沒有龐大的用戶數(shù)量 和產(chǎn)業(yè)鏈的支撐，所以鐵品&部署5G專網(wǎng)后，考慮采用多模終端轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)制式的方式,以降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和建設(shè)成本。對于鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)，既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的移動終端、有線調(diào)度系統(tǒng)（FAS）的固定終端，應(yīng)能與5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)的移 動終端、多媒體調(diào)度系統(tǒng)的固定終端實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)互通，系統(tǒng)間的互聯(lián)組網(wǎng)見圖5。圖5鐵路5G專網(wǎng)與GSM-R業(yè)務(wù)互通組網(wǎng)示意對于5G網(wǎng)絡(luò),MC系統(tǒng)中語音、視頻、數(shù)

18、據(jù)3種業(yè)務(wù)均是數(shù)據(jù)，在控制面的信令流程基本相同，區(qū)別是用戶面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容。下面以鐵路5G專網(wǎng)與GSM- R網(wǎng)絡(luò)之間語音業(yè)務(wù)互通流程舉例說明。5G專網(wǎng)移動用戶與GSM-R移動用戶語音業(yè)務(wù)互通方案鐵路5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)與GSM-R移動交換中心（MSC）設(shè)備互聯(lián),MC系統(tǒng)兼容GSM-R網(wǎng)絡(luò)的接口及協(xié)議；GSM-R和5G專網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)注冊和MC系統(tǒng)的注冊“。31 R弊端%；MC 統(tǒng)鼻;MC算踹完底剛國流的SIF注冊，M4. Mwriii 再5 A jinrhai-A.SI up -4. 11 i-j；侏 1hI冊.返川呼叫琳Fw：軍投向玉；It臺洶J：.|L 乂 M 隹一“皿八4h 1KH Rindnir4-45JOO nkMil. IMl It bilging5.200 ok5b2 cik亂媒體而建立圖7多媒體調(diào)度系統(tǒng)功能號呼叫，5G網(wǎng)絡(luò)呼叫接續(xù)流程圖2) FAS調(diào)度臺發(fā)起呼叫。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時同步建設(shè)多媒體調(diào)度系統(tǒng) ，既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)段的調(diào)度員仍使用 FAS調(diào)度臺，所以基本不存在FAS調(diào)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