铁路5G专网集群通信技术方案研究

杨 锐

铁路专用移动通信系统是保障铁路运输安全的关键基础设施,调度通信、列车控制是涉及铁路行车安全的重要业务。目前,铁路数字移动通信系统（GSM-R）承载的调度通信和列车控制业务均基于电路域技术实现。随着5G技术不断的成熟、公网大规模商用,铁路专网也将采用5G技术。5G网络承载与应用分离、全IP化组网,不再支持电路域业务。3GPP国际标准组织定义了MC（关键任务）集群通信技术体系,满足行业专网、公共安全等领域对传统电信业务的需求。为此,本文对铁路5G专网集群通信技术应用方案进行研究。

1 铁路业务

1.1 铁路调度通信

铁路调度通信业务包括:列车调度、货运调度、机务调度、动车调度、客运调度、供电调度、电务调度、工务调度等。业务应用涉及移动终端、移动与固定终端（调度台）之间的个呼及组呼［1］。以列车调度通信为例,“车机联控”是调度通信的术语,指车务、机务等行车有关人员使用铁路专用移动通信设备,按规定进行语音联络,提示行车安全信息,确认行车要求。铁路调度通信从无线列车调度系统发展至GSM-R系统,“车机联控”应用模式一直延续。GSM-R网络根据调度通信业务的呼叫场景、用户使用习惯,通过智能网设备为调度通信业务提供了接入矩阵、位置寻址、功能寻址、基于位置呼叫限制等功能［2］。

1.2 铁路列车控制

2009年武广高铁开通运营,基于GSM-R网络的CTCS-3级列控系统在我国高速铁路开始运用。GSM-R网络采用电路交换数据（CSD）业务通道承载列车控制系统的安全数据,与调度通信一样均是电路域业务。电路域是电路交换技术,不同用户独占各自分配的时隙,特点是数据量小、时延低。GSM-R网络的电路域技术很好地满足了铁路调度通信和列车控制业务的需求。5G网络基于分组域架构,分组域采用包交换方式,其特点是业务数据可以共享通道资源。面对网络承载技术的重大变化,铁路调度通信、列车控制业务需要在技术上进行演进,才能适应5G网络。

2 VoLTE技术

IP多媒体子系统（IMS）最初由3GPP第5版定义,能够满足多样化的多媒体业务应用需求,在分组承载网络的基础上综合实现语音、视频、数据业务,并支持与既有电路域网络的互联互通。IMS是一种开放的网络架构,使用会话初始协议（SIP）实现对多媒体业务的交换控制。移动通信技术发展到第4代（LTE）后网络完全分组化,运营商移动通信网络的语音业务回落到2G/3G的电路域实现,随后3GPP提出了基于LTE的语音业务（VoLTE）技术,在语音业务通话的基础上增加了视频通话业务,而且通话接通时间更短,VoLTE接通时间约为0.5～2 s,2G/3G约为5～8 s。VoLTE由4G和IMS网络组成,其网络架构见图1。

图1 VoLTE网络架构图

IMS网络主要包括:代理会话控制（PCSCF）、服务/查询呼叫会话控制（S-CSCF/ICSCF）、VoLTE应用服务（VoLTE-AS）、归属用户服务（HSS）、会话边界控制（SBC）等功能［3］。P-CSCF是VoLTE业务的接入节点,负责SIP（会话初始协议）信令的代理。S-CSCF/I-CSCF负责VoLTE业务的注册服务和会话控制。VoLTE-AS提供业务逻辑,负责在语音通信的过程中控制媒体资源,并支持VoLTE语音、视频业务及电信补充业务。HSS负责存储VoLTE用户相关位置及业务信息。SBC位于IMS网络的边界,负责将终端用户接入到IMS网络。

4G网络主要包括:移动性管理实体（MME）、服务网关（SGW）、应用网络网关（PGW）、策略与计费功能（PCRF）、无线接入网（RAN）、信令路由代理节点（DRA）等网元［3］。

目前公众移动通信5G网络仅支持数据业务,语音呼叫业务仍然要使用4G网络的VoLTE技术,基于5G的语音业务称为VoNR（Voice Over NR）,其技术标准正在研究。

3 MC技术

MC（关键业务）技术,早期称为“关键业务一键通”（MCPTT）,是一种基于分组无线网络的语音集群通信技术,面向特定行业的调度指挥应用,属于专用无线通信技术。MC技术的特点是大量用户共享少量无线信道,具备快速的语音建立和抢占能力。MCPTT基于IMS技术,简化了IMS复杂的网络结构,具有大带宽、低时延、互联互通、易于规模建网等优点,支持鉴权、组管理、个呼、组呼、呼叫优先级、发言权控制、位置上报等功能［4］。

2016年3GPP第15版将MCPTT技术纳入4G标准体系,并增加了视频和数据业务。关键语音业务（MCPTT）、关键视频业务（MCVideo）、关键数据业务（MCData）3种应用场景的统称为MCx［5］。3GPP第16版增加了基于5G网络MC技术架构的概述,具体的技术实现方案仍在研究中。

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4 系统架构

参考3GPP标准的表述,对铁路5G专网MC集群通信进行研究,其系统架构见图2。

图2 铁路5G专网MC集群通信系统架构

基于铁路5G专网的MC集群通信系统架构主要包括:5G核心网（5GC）、无线网（RAN）、MC集群通信系统（简称MC系统）、MC移动终端。MC系统与铁路多媒体调度系统互联,实现调度固定用户与5G移动用户之间的多媒体通信,铁路多媒体调度系统兼容MC系统的接口和协议。MC系统主要包括:会话初始协议（SIP core）、MC业务（MC service）、公共管理（Common service core）、用户数据库（SIP database、MC user database）等功能模块［5］。MC系统内部及与5GC之间主要采用会话初始协议（SIP）及超文本传输协议（HTTP）实现信令交互。MC系统配置媒体网关（MGW）,实现与其他系统之间业务数据流的互通。

4.1 会话初始协议模块

SIP core是MC系统控制面的核心,负责信令控制面的注册、业务选择和信令消息处理,负责管理与SIP core功能相关的应用业务数据、服务注册标识、鉴权信息等。SIP core与公共管理、用户数据库、MC业务等功能模块中的SIP应用（SIPAS）共同实现MC系统中SIP协议的控制及处理［5］。

根据外部系统所采用的协议,SIP core配置对应的协议处理功能。MC系统与5GC控制面的策略控制功能（PCF）之间采用基于SBI架构的HTTP/TCP协议［6］,与GSM-R系统的MSC设备之间采用No.7信令用户部分（ISUP）、移动应用部分 （MAP） 协议［7］。

4.2 公共管理模块

公共管理模块是MCPTT、MCVideo、MC⁃Data业务的公共逻辑功能实体,包括MC业务配置、身份、密钥、组、迁移、位置等管理功能。公共管理模块的各管理功能采用C/S（客户端/服务器）方式实现［5］。

1）配置管理,用于配置MC相关的业务信息。

2）组管理,用于管理用户的群组,为终端提供媒体面策略、呼叫控制信息,实现媒体控制及组呼控制功能。

3）身份管理,用于管理MC业务用户的身份,包括MC用户标识（MC ID）、MC业务标识（MC service ID）、MC业务组标识（MC service group ID）。MC ID是MC业务用户在身份验证过程中的标识,MC service ID是MC业务中的全局唯一标识,MC service group ID表示一组MC业务用户,MC ID和MC service ID可以相同。

4）密钥管理,用于存储和向密钥管理客户端、组管理服务器和MC业务服务器提供安全相关的密钥信息,实现对媒体和信令加密以及完整性保护。

5）迁移管理,用于MC系统之间配置信息的交互；终端的配置信息通常在归属MC中,终端在拜访地MC系统中实现相关业务时,需要通过迁移管理功能在MC系统之间传递用户配置信息。

6）位置管理,用于接收和存储用户位置信息,并向MC业务服务器提供用户位置信息；位置管理功能还可以获取5G网络的用户位置信息。位置信息通常包括终端的卫星定位经纬度信息、终端在5G网络中所处的基站/小区信息,对于铁路而言,线路号、公里标也是位置信息。

4.3 MC业务模块

MC业务模块实现MC系统的业务应用,用于语音、视频、数据媒体面的处理和话权控制,主要包含MC业务客户端、MC业务服务器、多播业务等功能实体［5］。

1）MC业务客户端是MC应用的用户部分,通常在终端侧,能够报告终端当前的位置信息。

2）MC业务服务器是实现MC业务的功能实体。属于同一个组的MC客户端应使用同一个MC服务器。如果MC客户端属于多个不同的组,可以关联相关的多个MC业务服务器。MC组管理应用（GCSAS）用于控制组通信的多播和单播功能。

3）多播业务功能（MBMS）负责配合无线通信系统,实现业务数据流的广播功能。3GPP标准详细定义了基于LTE的MBMS功能,5G网络的多播功能仍在标准制定过程中［8］。

4.4 用户数据库

用户数据库主要包括SIP用户数据库（SIP database） 和MC用户 （MC service user database）数据库［5］。

1）SIP用户数据库,用于存储用户SIP协议相关的信息,并向SIP core提供SIP订阅、标识、鉴权、应用服务选择等信息,配合SIP core完成用户的注册、鉴权、呼叫控制、会话管理、移动性管理等功能。

2）MC用户数据库,用于存储MC业务用户的业务功能签约配置文件,该配置文件关联用户的MC业务ID。

3）用户数据库的设置方式。3GPP定义了3种用户数据库设置方式:方式一,MC、SIP、UDM独立设置用户数据库；方式二,MC与SIP合设用户数据库；方式三,UDM与SIP合设用户数据库［8］,见图3。对于铁路MC集群通信系统,可按照5G承载网络与MC系统分层管理,采用方式二。

图3 用户数据库设置方式

5 技术方案

5.1 基于服务功能的网络架构

5G的网络架构较4G产生了很大变化,采用了基于服务化（SBI）的架构,以网络功能虚拟化（NFV）为载体。传统的网元演变为网络功能,根据业务流程选择所需网络功能,完成控制面的信令交互［9］。控制面流程完成后,由终端（UE）、无线接入网（RAN）、用户面功能（UPF）、业务系统（DN）直接建立用户面IP通道,减少了用户面数据处理的网元,降低了数据传输时延。5G网络演变的更加灵活,但控制面的网络架构更为复杂。基于服务化的5G网络架构［10］见图4。MC系统的控制面为AF（应用功能）,MC系统的用户面为DN（业务网络）。

图4 基于服务功能的5G网络架构

5.2 调度通信业务实现方案

公众移动通信网络在3G、4G、5G的部署过程中,投入了相当的代价来实现不同制式系统之间业务的互通。铁路专网与公众网络不同,没有庞大的用户数量和产业链的支撑,所以铁路部署5G专网后,考虑采用多模终端转换网络制式的方式,以降低网络的复杂性和建设成本。对于铁路调度通信业务,既有GSM-R网络中的移动终端、有线调度系统（FAS）的固定终端,应能与5G专网MC系统的移动终端、多媒体调度系统的固定终端实现语音业务互通,系统间的互联组网见图5。

图5 铁路5G专网与GSM-R业务互通组网示意

对于5G网络,MC系统中语音、视频、数据3种业务均是数据,在控制面的信令流程基本相同,区别是用户面传输的数据内容。下面以铁路5G专网与GSM-R网络之间语音业务互通流程举例说明。

5.2.1 5G专网移动用户与GSM-R移动用户语音业务互通方案

铁路5G专网MC系统与GSM-R移动交换中心（MSC）设备［7］互联,MC系统兼容GSM-R网络的接口及协议；GSM-R和5G专网移动用户采用不同号段的用户号码（MSISDN）,例如149为GSM-R用户、148为5G用户。5G用户呼叫GSM-R用户的简化通信流程如图6所示,5G终端需要提前完成5G网络注册［6］和MC系统的注册［4］。

图6 5G移动终端呼叫GSM-R移动终端流程

5.2.2 5G专网移动用户与调度通信系统固定用户语音业务互通方案

铁路调度通信业务的呼叫对象主要是调度员/车站值班员（固定用户）、机车司机（移动用户）。机车司机呼叫调度员采用用户号码（ISDN）及短号码的方式。为有线调度系统（FAS）和多媒体调度系统规划不同的ISDN号段,可以区分FAS和多媒体调度系统的用户。调度员呼叫机车司机采用车次功能号的方式［7］,而车次功能号无法按号段区分不同的网络,下面对该呼叫场景进行分析。

1）多媒体调度台发起呼叫。多媒体调度系统无法掌握被叫移动用户所处的移动通信网络时,不能区分被叫车次功能号是被GSM-R还是5G移动用户注册。目前采用双发方式将车次功能号同时送到5G和GSM-R网络中,移动通信网中的智能网设备（5G IN、GSM-R IN）判断被叫功能号的注册情况,正常情况下只有一个网络返回呼叫接续,如果同时返回呼叫接续则选择5G网络。5G网络返回呼叫接续通信流程见图7。5G网络中定义了位置管理功能（LMF）,多媒体调度系统可以采用LMF流程获取5G移动用户的位置,有位置信息的被叫用户是5G用户、无位置信息的被叫用户则是GSM-R移动用户,未来可以研究采用该方式来判断被叫用户所属移动通信网络的具体流程。

图7 多媒体调度系统功能号呼叫，5G网络呼叫接续流程图

2）FAS调度台发起呼叫。5G网络建设时同步建设多媒体调度系统,既有GSM-R网络覆盖区段的调度员仍使用FAS调度台,所以基本不存在FAS调度台呼叫5G移动用户的场景。特殊情况有呼叫需求的,需要对既有FAS系统进行功能升级,被叫车次功能号同时发送至多媒体调度系统,多媒体调度系统转发车次功能号至5G网络完成呼叫接续。

6 结束语

本文对铁路调度通信业务运用特点、公众移动通信网络VoLTE技术、3GPP标准定义的MC集群通信技术进行了简要的说明；并对铁路5G专网承载铁路调度通信业务技术方案进行了探讨；利用MC集群通信技术解决铁路5G专网调度通信业务；在满足铁路调度通信业务应用需求的前提下,综合考虑5G网络的建设成本和网络结构的复杂性,提出了铁路5G专网MC系统与GSM-R、铁路调度通信系统的业务互通技术方案。随着我国铁路专业技术人员对铁路5G专网技术的深入研究,铁路5G专网集群通信技术方案会不断的完善和优化。