D2D ProSe技术与铁路应用场景分析

周宏伟，李辉，梁轶群

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京100081）

0 引言

随着我国铁路业务与信息化、数字化、智能化的不断深入融合，铁路对专用移动通信系统的业务容量、带宽、速率以及时延等指标的要求都有所提高。此外，铁路数字移动通信系统（GSM-R）设备供应商也将在10～15年内终止对GSM-R提供维护与服务。因此，无论从铁路业务需求还是从产业支撑方面考虑，GSM-R都将不再适合作为长期发展和使用的铁路移动通信系统。我国和欧洲近几年都开展了关于新一代铁路移动通信技术的研究工作。我国铁路于2018年底发布了《铁路下一代移动通信业务和需求暂行规范》［1］。国际铁路联盟（UIC）也在2020年2月更新了《未来铁路移动通信系统（FRMCS）用户需求规范（V5.0.0）》［2］。中外需求规范均提及在基础设施缺失、故障等情况下仍可进行通信的需求［1-2］，这也是GSM-R系统一直未能解决的技术瓶颈。同时，GSM-R本身能力有限，现阶段未能承载全部铁路通信业务，非行车安全相关的通信业务不得不借助数字对讲或Wi-Fi等网络作为通信网络的补充手段。因此，在铁路新一代移动通信系统中，尽可能将铁路通信业务部署在同一张通信网上，以提高作业效率，同时，实现基础设施共享，降低建设和运维成本也十分必要。第三代合作伙伴项目（3GPP）制定LTE标准时，已针对邻近服务（ProSe）的可行性进行了深入研究，在5G标准制定中，ProSe再次成为备受关注的重点技术之一。ProSe是设备到设备（D2D）、车到车（V2V）以及车到万物（V2X）实现的基础，可支持邻近脱网通信和直接通信，技术特点符合铁路对新一代移动通信的要求，为故障弱化、广覆盖、大连接以及其他衍生应用提供了技术支撑。

1 D2D ProSe技术

1.1 关键技术

D2D ProSe的设计理念为:无论用户终端是否在有效的蜂窝网络覆盖下，用户终端间均可实现邻近发现、直接通信和中继功能。

（1）邻近发现是指用户终端在可通信范围内发现能与之匹配的终端的过程。3GPP早在LTE相关规范中就定义了D2D ProSe邻近发现模式分为模式A和模式B［3］。5G下的D2D ProSe发现模式沿用LTE的发现模式。在模式A中，终端被定义为广播终端和监听终端2种角色。广播终端按照预设置的广播间隔周期性地广播D2D ProSe相关发现消息，监听终端接收广播并与之进行业务匹配。模式B则是终端之间以“请求—响应”的方式进行发现匹配［4］。

（2）直接通信分为有网络参与和无网络参与2种方式。有网络参与的直接通信，网络只提供通信过程中的信令控制，终端间直接进行数据交互；无网络参与的直接通信，用户的控制消息和业务数据在传输过程中均不需任何网络节点参与。直接通信支持点对点通信和点对多点通信。

（3）中继功能分为终端中继到网络和终端中继到终端。在LTE阶段，对中继功能的研究仅局限在终端中继到网络，小区边缘或盲区下的终端以邻近终端作为中继节点，经过单跳或多跳接入蜂窝网络。而在5G阶段，新增了终端中继到终端的功能，在拓展网络覆盖的同时，也为万物互联提供了技术方案。

1.2 网络架构

3GPP给出5G系统的ProSe网络架构建议（见图1）［4］。由于5G核心网采用基于服务、云化的网络架构，核心网各逻辑功能单元可灵活地在原有功能基础上加载D2D ProSe相关功能，用户终端也相应地增加了D2D ProSe功能。在5G核心网外围，针对不同ProSe业务应用，需设置相应的ProSe应用服务器。

图1 5G系统的ProSe架构（转自3GPP）

1.3 接口协议

由图1可见，PC5接口是具备ProSe功能的用户终端之间的无线逻辑接口，该接口用于实现设备发现、直接通信和中继功能，为用户终端提供控制平面信令和用户平面数据的交互。PC5接口在控制平面增加了ProSe控制协议，用来建立、保持和释放用于直接通信的第2层链接等，控制平面协议架构见图2。PC5接口的用户平面协议与原空口用户平面协议保持一致（见图3）。PC3接口是用户终端与直接发现名称管理功能 单元（Direct Discovery Name Management Function，DDNMF）间的逻辑接口，向用户终端发送邻近发现请求的授权消息，其接口协议见图4。PC2是各ProSe应用服务方与5G DDNMF之间的逻辑接口，用来交互ProSe各应用服务的授权策略，其接口协议见图5。

图2 PC5接口控制平面协议架构

图3 PC5接口用户平面协议架构

图4 PC3接口协议架构

图5 PC2接口协议架构

1.4 技术优势

（1）具备完整的端到端服务质量（QoS）机制。针对业务类型配置不同QoS级别，满足各业务的服务质量需求［5］。

（2）相较其他近距离通信技术（蓝牙、Wi-Fi Di⁃rect等），D2D通信更灵活，既可工作于授权频谱，也可工作于非授权频谱［5］。3GPP在基于LTE的D2D技术研究报告中已给出D2D可使用的频段范围，包括B2、B3、B4、B7、B14、B20、B26、B28、B31、B41［6］。频谱适用范围较广，支持我国铁路拟分配的授权频段。

（3）通信资源分配模式既可使用专用频谱资源，也可复用蜂窝网络频谱资源，资源分配方式灵活。应用中可根据业务需求或网络负载情况灵活配置，提高频谱资源利用率，增加系统的吞吐量。

（4）由于直通模式下用户终端间的数据交互可以不经过蜂窝网络转发，有效降低了通信时延，提高了传输速率，减轻了基站与核心网的负荷。

（5）中继功能有效扩展小区覆盖范围，起到弱场补强的作用。

2 铁路潜在应用分析

利用D2D ProSe不但能够满足网络需求规范中提出的“故障弱化，单站点通信和直通模式”场景需求，其在有效网络覆盖下的直通模式与中继模式也可应用于铁路不同业务场景，具有较强的业务延展性。在此，举例分析D2D ProSe技术在网络基础设施故障和网络基础设施工作正常情况下多个铁路作业场景的可用性。假设场景中所描述的终端都具备ProSe功能，并已签约ProSe业务。

2.1 网络故障场景

在传统蜂窝网络中，终端的所有信息都必须经由基站或者其他中心控制节点进行转发［7］，当遭遇核心网故障或基站故障等形成网络覆盖盲区等极端情况时，D2D ProSe可作为辅助应急通信在局部范围内使用，为应急救援工作提供紧急通信保障。D2D ProSe技术使网络故障区域内的用户仍可进行通信或通过中继接入到蜂窝网络。

（1）当核心网故障时，将导致所有使用蜂窝网络的业务中断，此时具备D2D ProSe功能的终端设备可通过邻近发现模式A或模式B，周期性地在其射频信号发射范围内探测是否存在能与之匹配的其他终端设备进行直接通信。例如，采用D2D ProSe点对点或点对多点的方式发送列车位置信息、接近信息或其他紧急信息等。最先接收到信息的终端设备也可将该信息再次通过直接通信的方式转发给其他邻近终端设备，以此扩大救援等应急信息传递的地理范围。设备发现和直接通信流程见图6。

图6 设备发现和直接通信流程

（2）当单基站故障导致小范围覆盖盲区时，终端设备可借助自身的上行无线资源，搜索发现相邻小区内可正常接入蜂窝网络的作业终端，以此终端为中继节点，经一跳或多跳接入网络，从而继续使用蜂窝网络资源收发信息。例如，极端情况下行车区间内的某小区基站发生故障导致覆盖盲区时，车载终端设备可根据实际邻近情况，选择后方或前方小区下的终端设备作为中继节点发送信息。当作为中继节点的终端设备不再满足中继条件时，盲区下的车载设备可再次选择新的终端设备作为中继节点接入网络。协议规定，D2D ProSe的中继功能可为被中继的终端设备提供其业务所需的QoS等级，并保障中继节点转发数据的安全性。中继流程见图7。当盲区下的终端设备检测到可用的蜂窝网络后，可自动从中继模式切回至蜂窝网络。这种中继通信方式也可应用在因地形地势等原因导致的弱场覆盖区域，从而间接补足场强。

图7 中继流程

2.2 编组场调车作业

结合编组场作业范围和作业人员相对集中这一特点，编组场调车作业无线通信方式可考虑蜂窝通信和D2D ProSe相结合的方式。以平面调车为例，调车区长、调车长、调车司机、调车员之间以点对点或点对多点的方式传送调车指令以及调车作业单等作业信息［8］。在作业环境空旷区域，无线电波传播环境较好，可优先采用D2D ProSe直接方式完成编组作业。无线资源的分配可根据编组场的网络负载量和业务对QoS的等级需求情况进行规划，为D2D ProSe分配专用频谱资源或与蜂窝用户共享频谱资源。正在进行直接通信的作业终端可同时与其他作业终端进行蜂窝通信。当通信距离超过直通距离时，网络自动为正在进行信息交互的作业终端切换到蜂窝通信模式。

2.3 客站作业

铁路客站是旅客列车的交通枢纽，是铁路运输的重要环节之一，但目前铁路客站的无线通信并没有纳入GSM-R系统。随着越来越多的客运专线和高铁线路投入运营，客站的作业组织与服务压力随之加大，为了提升客运服务质量，提高应对突发事件的指挥、协调和处理能力［9］，将客运的无线通信纳入新一代移动通信系统势在必行。

鉴于客站通信除了承担行车运营业务外，还需为客运作业人员提供语音和数据服务来传送作业计划、通告和图像等，因此网络负载较大。基于以上因素，可在客站使用D2D ProSe技术实现网络流量的卸载。针对数据量较大且实时性要求不高的作业任务，可配置客站作业近端服务节点，通过蜂窝网络提前将作业数据下载至近端服务节点，再通过近端服务节点为有作业需求的终端提供点对点或点对多点的直通数据交互。直接通信流程见图8。同样，根据站台、车厢内乘务人员间的通信特点，也可为其选择D2D ProSe直接通信以取代现有的模拟/数字对讲通信方式。由于各作业终端不直接使用蜂窝网络收发数据，有效降低了蜂窝网络的业务负载，使蜂窝网络有充裕的资源为其他QoS等级较高的业务提供服务。

图8 直接通信流程

3 D2D ProSe应用面临的问题

鉴于无线电管理部门为铁路新一代移动通信系统授权的专用频谱带宽资源有限，因此，不可能毫无限制地将全部业务都纳入到铁路新一代移动通信系统中。如何充分利用D2D ProSe的技术优势，发掘更多适用于D2D ProSe场景的应用，还有待于进一步探索。

（1）D2D ProSe的无线资源分配方式分为共享资源和独占资源，在应用中需规划D2D ProSe的资源分配方式，使其在对蜂窝通信影响最小的情况下，最大限度提高频谱资源利用率，充分发挥技术优势，从而满足铁路作业需求以及业务的QoS需求。

（2）D2D ProSe应用的前提是终端设备支持D2D ProSe功能，因此，需设计开发支持D2D ProSe功能的多种作业终端。

（3）聚焦业务需求与D2D ProSe技术优势，探索既有业务以及未来新型业务对D2D ProSe的适用性。

（4）需在多种作业场景下开展D2D ProSe试验，验证D2D ProSe的邻近发现时延、直接通信吞吐量和丢包率等指标，为广泛拓展D2D ProSe应用提供有效指导。

4 结束语

新一代铁路移动通信网络是铁路信息化、数字化、智能化的重要基础设施和关键技术装备。在新一代铁路移动通信系统应用中，既要考虑既有业务如何向新一代移动通信迁移与升级，也要考虑如何利用新型业务服务于铁路生产运营。D2D ProSe技术在很大程度上提高了网络的健壮性和业务容量，为更多非行车安全相关的铁路业务能够使用铁路新一代移动通信网络搭建了桥梁，便于基础设施共享，节约建设投资和维护成本，推进铁路新一代移动通信网络的绿色发展。