铁路5G专网与GSM-R语音业务过渡方案研究

孙鲁泉，单洪政，赵军，李明春

随着国家5G战略的实施,国铁集团在2020年明确了铁路5G专网建设（以下简称“5G-R”）的发展方向。但5G-R网络的建设不会一蹴而就,预计在2030年逐步实现成熟规模应用。这期间及之后一段时间,5G-R网络与GSM-R网络将会共存。在共存过渡阶段,由于5G-R网络尚未实现完全覆盖,为了保证移动终端业务的连续可用性,相对切实可行的方案是要求移动终端采用5G-R/GSM-R双模双待设计,能够同时支持5G-R和GSM-R网络业务。

语音业务是通信系统的核心业务,但在2G和5G技术体制方面具有较大的差别。GSM-R网络的移动交换设备MSC本身就支持语音业务,而5G-R核心网则完全采用全IP设计思路,IP多媒体子系统IMS通过IP层实现语音、视频等多媒体业务,即VoNR（Voice over NR）。为了保证铁路双模终端的语音业务连续,需要解决5G-R与GSM-R系统间的网络互通问题,确定双模终端在移动过程中的网络选择策略。

本文介绍了5G-R语音等媒体业务的参考架构,提出5G-R/GSM-R双模双网络的过渡技术方案；通过分析双网络覆盖场景,提出双模终端在各种场景下的网络驻留策略。在确定语音呼叫路由方案后,详细给出在5G-R/GSM-R双网络中实现5G-R网络设备与GSM-R系统间语音、视频、数据业务的互联互通、以及与智能网设备间的互联互通方案,旨在通过一套切实可行的5G-R/GSM-R双模双网络共存过渡方案,解决5G-R建设中语音业务的向下兼容问题。

1 5G-R移动多媒体业务参考架构

结合近年来LTE-R相关研究成果［1］,以及铁路调度通信的研究成果［2］,同时结合3GPP最新技术规范［3］,未来5G-R网络中的语音、视频和即时消息等移动多媒体通信可由关键业务设备（Mis⁃sion Critical PTT/Video/Data,MCx）［4］提供,其系统参考架构及接口见图1。

图1 MCx系统架构及接口

1.1 系统层面

在5G-R网络中,关键业务设备MCx负责提供移动多媒体通信业务,而5G网络只是作为关键业务设备的IP承载系统。关键业务设备遵循3GPP标准规范,包含简化的IP多媒体子系统IMS核心网网元SIP core、以及MCPTT/MCVideo/MCData等应用服务网元,具备语音单呼、组呼、视频单呼、视频组呼、短消息、文件传送等业务能力。SIP core等同于IMS核心网的呼叫会话控制功能CSCF等网元,实现终端接入认证、呼叫信令路由等功能；应用服务网元等同于IMS的AS层,实现业务流程控制、媒体转码/转发等功能。

1.2 网络接口层面

N6为5G网络接口,对应的是5G核心网网元中的用户平面功能UPF和数据网DN之间的接口协议。N6网络接口实现5G无线侧数据包与互联网数据包的转发和路由控制。N5为5G-R专用承载控制接口［5］,实现应用对承载业务QoS的控制。

1.3 语音业务接口层面

MCx设备通过接口网关的E接口实现与GSM-R网络中移动交换设备MSC间的个呼、组呼等业务的互联互通。E接口是保证5G-R与GSM-R间语音业务连续性的关键,它一侧是基于全IP的下一代无线语音VoNR业务,一侧是既有的MSC语音业务,实现了5G到2G的语音业务对接。另外,MCx设备通过接口网关的L接口实现与智能网设备SCP间的功能号操作、功能寻址、位置寻址等业务的互联互通。

2 5G-R与GSM-R双模双网方案

移动运营商的多网络融合实践,可为铁路5G-R/GSM-R双网络共存过渡方案提供一些借鉴。运营商在LTE网络部署过程中,在不同阶段针对LTE语音业务的解决方案见表1。

表1 LTE语音业务解决方案

1）CSFB方案,要求GSM网络覆盖全域,作为语音通信的最后保障。铁路移动网络采用以线路为单位的建设模式。通常情况下,一条线路只会实现一种网络的覆盖。只有在2G网络升级的过程中,才会出现单条运营线路5G-R/GSM-R双网络同时覆盖的情况。这种建设方式也造成了每条线路的移动网络可能都不同。因此,CSFB方案显然不适用于铁路,大部分新建线路,未来根本就没有GSM-R网络覆盖。

2）SRVCC方案,要求2G网络做适应性改造升级。目前既有GSM-R设备改造困难,GSM-R设备厂商仅保留了少量维护人员,几乎没有新增开发的可能性,很难实现网络升级。5G规范R16版本尚未支持SRVCC,因此阶段2的方案也不适用于铁路。

3）VoLTE方案（5G中为VoNR）方案,要求全路部署IMS多媒体子系统。经过近年来4G建设的经验积累,运营商已经逐步建立了完善的IMS系统,终端也逐步开通了VoLTE业务,基本可以从VoLTE业务平滑地升级到VoNR业务。但铁路目前仍处于2G时代,没有IMS基础,5G语音业务尚需要从头开始,所以铁路5G专网语音业务需要全新考量。

从以上分析来看,未来5G-R语音业务将势必采用与运营商不同的技术方案,本文提出一种双模双网的语音业务解决方案:①终端采用双模设计,既可以接入5G-R网络,也可以接入GSM-R网络；②终端接入2个网络时,分别采用不同的编号计划,GSM-R沿用既有的编号计划,5G-R终端建立新的MCx编号方案；③1个终端可同时注册2个网络的号码；④终端原则上应当优选5G-R网络（MCx语音）开展业务,次选接入GSM-R网络（MSC语音）,当存在调度辖区关系时,按照调度辖区选择驻留网络；⑥主叫用户呼叫被叫用户时,默认只需要拨打对方的5G-R号码（MCx ID）,方便用户操作。

5G-R/GSM-R双模双网络并存过渡组网方案见图2。

图2 5G-R/GSM-R双网络并存过渡组网方案

如图2所示,MCx设备与MSC设备共用智能网设备SCP。MCx设备通过与HLR（归属位置寄存器）互通,实时掌握双模终端当前所处的网络和位置。双模终端呼出时,原则上优选5G-R网络。其他用户呼叫双模终端时,同样遵循5G-R优先原则,拨打MCx号码发起呼叫,由MCx系统负责完成被叫终端的网络选择与呼叫路由策略。

3 终端5G-R/GSM-R双网络驻留策略

3.1 同一线路双网覆盖场景

在GSM-R网络向5G-R网络升级过程中,会出现一条线路全线覆盖2个网络的场景,见图3。该场景下,双模终端始终采取优选5G-R的网络策略,只有当5G-R网络不可用时,才会切换到GSM-R网络。

图3 同一线路双网覆盖

3.2 相邻并行线路双网覆盖场景

相邻并行线路距离较近形成的双网覆盖场景见图4。

图4 相邻并行线路双网覆盖

图4 中线路B采用GSM-R覆盖,对应的调度台为线路B调度台。当线路B上的列车行驶到与线路A并行区段时,进入5G-R与GSM-R双网覆盖区域。车载双模终端应能够根据所处地理位置（如GPS坐标）确定优选网络,此时应该按照默认的调度管辖区,选择接入GSM-R。

此时不能优选5G-R网络的原因是:若根据5G-R网络优先原则,此时如果列车发起位置寻址（如1200）,会错误地呼叫到线路A调度台（如图4箭头所示）；此时如果发起动态/紧急组呼业务,也会错误地呼叫到线路A的用户。

3.3 线路交界点双网覆盖场景

发生在2条线路交界点的5G-R/GSM-R双网络覆盖场景见图5。

图5 交界点双网覆盖

由于2段线路分属不同的调度员（调度台）管辖,因此车载终端需要在2条线路的交界点实现业务的切换,否则可能无法与正确的归属调度台建立联络,同时也会影响动态/紧急组呼业务。因此,车载终端需要根据所处地理位置（如GPS坐标）准确选择网络,当越过分界点时,进行网络切换。

4 MCx系统的5G-R/GSM-R双网络业务处理策略

4.1 个呼业务

按照5G-R网络优先原则,对终端个呼业务路由策略的分析见表2。

表2 个呼业务路由策略

由表2可以看出,主叫只需要拨打MCx号码呼叫被叫双模终端,由MCx根据被叫双模终端当前所处的网络进行呼叫路由,就能够在各种情况下完成呼叫接续。

4.2 功能寻址

双模终端进行功能号注册时,根据5G-R网络优先原则,使用的用户号码为MCx号码。因此当其他用户向双模终端发起功能寻址时,SCP始终返回的是MCx号码,从而实现双模终端功能寻址以5G-R网络优先。

4.3 位置寻址

双模终端的位置寻址与双模终端所处的网络,以及当前位置都有关系。由于SCP同时具有5G-R和GSM-R网络的位置配置,因此无论双模终端处于5G-R还是GSM-R网络覆盖下,SCP都能够正确完成对位置寻址的处理。

4.4 动态/紧急组呼

双模终端的动态/紧急组呼与双模终端所处的网络,以及当前位置都有关系。由于MCx与GSM-R实现了动态/紧急组呼的互通,因此双模终端无论处于5G-R还是GSM-R覆盖下,都能够进行动态/紧急组呼业务。

4.5 5G-R/GSM-R双网络共存过渡策略总结

通过以上分析可以看出,双模终端是影响5G-R/GSM-R双网络共存过渡方案的主要因素。按照5G-R网络优先原则,对双模终端的5G-R/GSMR双网络共存过渡策略总结如下。

1）双模终端注册功能号时,优选5G-R网络发起注册（对于车载终端,还需要根据线路具体情况确定优选策略）。

2）双模终端呼出时,优选5G-R网络（对于车载终端,还需要根据线路具体情况确定优选策略）。

3）主叫用户优先拨打MCx号码呼叫被叫双模终端。

4）系统优先使用5G-R网络接通双模终端。

5）主叫可分别或同时拨打双模终端的两个号码,实现紧急情况下（如某个网络出现故障时）的呼叫。

综合采取以上策略,能够最大程度上保障双模终端在5G-R/GSM-R双网络共存过渡环境下的业务可用性,同时尽可能地简化终端操作,改善用户体验。

5 5G-R与GSM-R语音等媒体业务的流程及接口

5.1 MCx设备与既有GSM-R系统间的语音个呼业务

MCx设备与既有GSM-R系统间的语音个呼业务互通流程见图6。

图6 MCx设备与既有GSM-R系统间的语音个呼互通流程

MCx设备与GSM-R系统间语音个呼业务互通时,能够支持既有GSM-R的呼叫优先级、紧急呼叫等特性,同时能够携带功能号等信息。

5.2 MCx设备与既有GSM-R系统间的语音组呼

MCx系统间发起跨系统语音组呼的控制逻辑［6］见图7。其中,控制方负责组呼话权控制,参与方不进行组呼话权控制,只转发组呼话权控制信息。

图7 MCx系统间语音组呼控制逻辑

MCx系统组呼按照使用方式,可以分为2种主要类型:预定义组呼（静态组呼）和动态/紧急组呼。

1）预定义组呼。当MCx系统发起预定义组呼时,考虑到尽量不改变GSM-R配置,可以采用如图8所示的方案。

图8 MCPTT与GSM-R预定义组呼互通方案

该方案中,MCx系统采用个呼（也称单呼）方式呼叫GSM-R用户,并且GSM-R用户在组呼中采用全双工通话方式。其优点是无需对既有GSM-R设备进行任何配置更改,MCPTT-server可以根据需要灵活配置预定义组呼,但存在GSM-R空口信道占用较多的问题。

2）动态/紧急组呼。MCx与GSM-R系统间的动态/紧急组呼互通发生在5G-R/GSM-R双网络同时覆盖的情况下,此时组呼成员为组呼区域内的所有注册用户,包含MCx用户和GSM-R用户。MCPTT与GSM-R系统间的动态/紧急组呼互通方案见图9。

图9 MCPTT与GSM-R动态/紧急组呼互通方案

MCPTT-server首先通过与位置服务器交互获取当前组呼位置区,将该位置区的MCPTT注册用户加入组呼,然后向MSC发起组呼,由MSC负责呼叫位于该位置区的GSM-R注册用户［7］。MCPTT-server与MSC各 自 进 行 本 系 统用户的组呼话权控制,MCPTT-server与MSC系统之间采用全双工通话方式,不传递组呼话权控制信息。

5.3 MCx与既有GSM-R系统间的视频个呼及组呼

MCx系统与GSM-R系统之间不支持视频业务互通。但如果在MCVideo组呼［8］中需要呼叫GSM-R用户,可以采用语音方式互通,具体方式可以参考“MCx与既有GSM-R系统间的语音组呼”流程。

5.4 MCx与既有GSM-R系统间的关键数据业务互通

MCx用户可以通过MCData短数据业务［9］向GSM-R用户发送点到点短消息（SMS）。如果所发送的MCData短数据长度超过SMS业务所支持的消息长度（140字节）,MCData-server需要将短数据自动拆分成多条SMS消息发送。MCx用户与GSM-R用户之间不支持文件传送。

GSM-R用户可以向MCData用户发送点到点短消息,或者向MCData群组发送群组短消息。

5.5 MCx与智能网设备（SCP）的互联互通

MCx系统与智能网设备的互联互通主要实现功能号注册、注销、查询,以及功能寻址、位置寻址、基于位置呼叫限制等功能。由于SCP需要处理5G-R用户的功能寻址、位置寻址、基于位置呼叫限制等业务,因此需要增加与5G-R相关的呼叫权限、位置区等配置。

参考《TB/T 3362—2015铁路数字移动通信系统（GSM-R）智能网技术条件》［10］,MCx系统与智能网设备的互通流程见图10。

图10 MCx系统与智能网设备的互通流程

6 结语

铁路5G专网与既有铁路GSM-R系统在两个层面实现业务连续性,一是网络层面:通过双模终端,结合铁路线不同网络覆盖的场景,采用5G-R优先的网络驻留选择策略,实现双网双待；二是语音等媒体业务互通层面:通过MCx设备与既有HLR设备互通、共用智能网设备、利用MCx系统的接口网关功能,可以在兼容既有MSC以及SCP设备的基础上,实现5G-R与GSM-R网络间个呼、组呼、功能寻址、位置寻址、短消息等业务的互联互通。移动终端5G-R/GSM-R双模双网络方案是在维持现有投资、GSM-R设备不改造、同时建设5G-R网络背景下提出的解决方案,可以满足多媒体业务的需求,并能够较好地降低用户使用复杂度。