基于MCX技术的深圳都市圈城际铁路调度通信业务应用研究

2023-08-03 09:17李春铎
铁道运输与经济 2023年7期
关键词:城际号码调度

姜 博,李春铎

0 引言

国家发展和改革委员会批复的《关于粤港澳大湾区城际铁路建设规划的批复》(发改基础〔2020〕1238 号)中提出,计划近期到2025 年大湾区铁路网络运营及在建里程达到4 700 km,全面覆盖大湾区中心城市、节点城市和广州、深圳等重点都市圈;远期到2035 年,大湾区铁路网络运营及在建里程达到5 700 km,覆盖100%县级以上城市[1]。

继2019 年被再次赋予建设中国特色社会主义先行示范区新使命后,深圳作为粤港澳大湾区的核心引擎城市之一,将继续辐射带动整个湾区发展,并在都市圈发展中起到先行示范作用。作为深圳对外联系的重要通道,城际铁路对于扩大有效投资、促进经济稳定增长具有重要影响,对于粤港澳大湾区的交通互联互通,以及深莞惠都市圈的交通一体化发展具有十分重要的意义。

调度通信系统是城际铁路发展建设和运行指挥中不可或缺的关键业务系统,是城际铁路运输指挥和安全生产的重要保障。深圳都市圈城际铁路拟采用3GPP关键业务通信技术(MCX)实现城市轨道交通车地综合通信系统(LTE-M)网络下的调度通信业务。MCX 服务器通过与LTE-M 核心网连接,实现运输指挥人员和生产人员之间的语音、视频、数据通信。

1 深圳都市圈城际铁路业务需求

城际铁路无线通信业务可分为行车指挥及控制、行车信息数据、公共安全和旅客信息三大类,其中调度通信属于行车指挥及控制类别中的重要业务,指运输指挥人员与相关运输生产人员之间的多媒体通信,业务特点包括可靠性要求高、语音调度通信带宽需求小/视频调度通信带宽需求较大、时延低、业务优先级高、具有潜在的与国家铁路调度通信业务互联互通需求,调度通信业务服务质量指标如表1 所示。根据客流预测结果、小区覆盖范围和列车运行间隔情况,可按照同小区内4 路调度语音业务、2 路调度视频业务同时触发计算调度通信业务需求[2-4]。

表1 调度通信业务服务质量指标Tab.1 Dispatching communication application QoS index

深圳城际铁路拟采用LTE-M 通信制式承载包括调度通信在内的行车指挥及控制类业务,LTE-M频谱效率与LTE基本一致,是针对城市轨道交通设计的TD-LTE 系统。根据既有LTE 试验,在频率资源2×5 MHz,列车运行速度小于等于200 km/h的条件下,小区下行平均吞吐量为16.8 Mbps,小区上行平均吞吐量为10.93 Mbps,端到端传输时延和丢包率均满足调度通信业务服务质量需求。

2 调度通信服务器及系统架构

2.1 MCX服务器架构

MCX技术是国际化标准组织3GPP提出的新一代宽带集群通信技术,能够为用户提供多媒体集群通信服务,具有用户认证和服务授权、个呼、组呼、短数据及文件分发、紧急呼叫等功能。MCX 系统采用IP 多媒体子系统(IP Multimedia Subsystem,IMS)架构,包含服务器端和客户端,采用会话发起协议(SIP协议)进行呼叫控制[5-6]。

MCX 服务器负责整个调度通信系统的会话控制和管理。MCX 服务器内部架构示意图如图1 所示,主要包括SIP 核心(SIP core)、调度通信应用和接口网关3部分。

图1 MCX服务器内部架构示意图Fig.1 Interior structure of MCX server

SIP 核心实现信令面SIP 消息的注册、服务选择和路由[7]。

调度通信应用包含公共管理(CSC)、用户数据库、调度通信业务应用、智能网等功能单元。公共管理单元具有组管理、配置管理、密钥管理、身份管理、位置管理、漫游管理等功能;用户数据库单元用于存储和查询SIP 用户数据及调度通信用户数据,SIP 用户数据包括用户的认证鉴权信息,调度通信用户数据包括用户配置文件、密钥信息、组呼信息等;调度通信业务应用单元包括关键语音业务(MCPTT)、关键视频业务(MCVideo)、关键数据业务(MCData),主要实现语音及视频个呼、语音及视频组呼的控制功能和参与功能,数据、文件分发的控制功能和参与功能[8];智能网单元主要实现深圳都市圈城际铁路内部的功能寻址和基于位置寻址业务。

接口网关用于和国家铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)的互联互通。

客户端系统实体运行于手持台、车载台等终端设备中。与服务器端相对应,客户端系统包含了多个调度通信服务的应用功能客户端,以及语音、图像、视频的采集和播放模块。

2.2 调度通信系统架构

深圳都市圈城际铁路采用LTE-M 网络承载MCX 系统,LTE-M 网络下的调度通信系统架构如图2 所示。系统主要包括用户设备、LTE-M 基站、LTE-M 核心网、MCX 集群通信系统、多媒体有线调度通信系统(MDS)以及其他系统组成。

图2 LTE-M网络下的调度通信系统架构Fig.2 Dispatching communication system structure in LTE-M

城际铁路调度通信系统的用户设备主要包括车载台和手持台等,设备通过内置USIM卡接入LTEM网络,通过安装MCX客户端软件与MCX服务器进行调度通信业务。

LTE-M 基站包括基带控制单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)2种基本功能模块,二者通过光纤实现互连。基站通过Uu接口与UE通信,通过X2接口与其他基站通信,通过S1接口与LTE-M核心网通信[9]。

LTE-M 核心网由移动性管理实体(MME)、业务网关(SGW)、PDN 网关(PGW)、策略和计费规则功能(PCRF)、归属用户服务器(HSS)等网元构成。其中,MME为控制面设备,负责网络内信令传输;SGW 和PGW 为用户面设备,负责用户数据包的过滤、路由、转发;PCRF 负责制定策略规则,为不同承载业务提供不同的服务质量;HSS 存储LTE-M 网络中用户所有与业务相关的数据。

MCX 集群通信系统主要包括MCX服务器,MCX服务器用于实现集群调度通信功能,能够完成基于语音、数据、视频调度业务的控制和处理。MCX 服务器通过SGi 接口与PGW 连接,用于调度通信媒体数据的传输;通过Rx 接口与PCRF 连接,用于向LTE-M 网络申请建立数据传输的专用承载,保障业务的服务质量。

MDS 是指调度员、车站值班员等固定用户使用的有线调度通信系统,包含调度中心设备、多媒体调度台和多媒体车站值班台,通过MCX-3 接口与MCX 服务器连接,实现无线用户和有线用户的多媒体通信。

其他系统包括共用智能网设备(IN)、其他都市圈的MCX 服务器和国家铁路GSM-R 系统。IN 设备中存储城际铁路全部用户的功能号和MSISDN号码的对应关系,MCX服务器通过与IN 设备连接,实现跨都市圈的功能寻址业务。MCX 服务器通过与其他都市圈的MCX服务器连接,实现跨都市圈的语音、视频和数据业务。MCX 服务器通过与国家铁路GSM-R 系统连接,实现城际铁路调度通信用户与国家铁路调度通信用户之间的通信。

3 业务应用

深圳都市圈城际铁路调度通信功能主要包括:个呼(城际铁路调度员、车站值班员、机车司机之间的点对点呼叫)、位置寻址(移动用户(如司机)呼叫与所处位置相关的固定用户的语音或视频通话)、功能寻址、组呼(包括紧急呼叫)、多优先级业务处理等。

3.1 个呼业务

个呼业务用于实现城际铁路调度员、车站值班员、机车司机之间的点对点呼叫,主要包含语音个呼和视频个呼,个呼业务流程示意图如图3所示。

图3 个呼业务流程示意图Fig.3 Private call flow

有线用户(调度员/车站值班员)呼叫无线用户(机车司机)时,由MDS 和MCX 服务器共同参与实现呼叫的控制。有线用户通过拨打移动用户识别号码(MSISDN)发起呼叫,MDS 经过号码解析后,识别出该呼叫为个呼业务且被叫号码为无线用户,通过MCX-3 接口将呼叫路由至MCX 服务器,由MCX服务器向被叫用户发起呼叫。

3.2 位置寻址业务

位置寻址业务是深圳都市圈城际铁路调度通信系统的特色智能业务,主要用于实现移动用户(如司机)呼叫与所处位置相关的固定用户的语音或视频通话业务。主叫用户通过短号码拨号来触发基于位置的寻址业务。MCX 服务器中存储短号码、用户位置信息和多媒体有线用户ISDN 号码的对应关系。

位置寻址业务流程示意图如图4 所示。司机通过拨打4位的短号码发起呼叫,MCX服务器进行号码解析,判断该呼叫为短号码呼叫后,根据短号码、司机的位置信息查询调度员/车站值班员的ISDN号码,将呼叫路由至MDS,MDS负责对被叫用户发起呼叫。

图4 位置寻址业务流程示意图Fig.4 Location dependent addressing flow

3.3 功能寻址业务

城际铁路调度指挥通信中,调度员和被调度者之间的关系需要通过实际工作建立。当调度员使用MSISDN呼叫时,必须先知道被呼叫者的身份,才能查询其使用的MSISDN号码并进行呼叫,这种方式会大幅降低工作效率[10]。

功能寻址业务是深圳都市圈城际铁路调度通信系统的特色智能业务,指用户不再通过所使用的终端设备号码,而是由被叫者当时所担当的功能角色被寻址和呼叫,可以提升城际铁路运营指挥效率。

(1)功能号操作。为了实现功能寻址业务,每列正在运行的列车均需要分配一个功能号,供其列车司机使用。司机需在列车始发站出发时通过IN 设备注册该功能号,当其不使用此功能号时,同样需要通过IN 设备进行注销。同时,用户应能查询到本机注册的功能号,以及该功能号对应的MSISDN 号码。功能号操作相关流程示意图如图5所示。

图5 功能号操作相关流程示意图Fig.5 Functional number operation flow

功能号注册/注销:司机通过MCX服务器向IN设备申请注册/注销功能号,MCX 服务器对用户进行身份校验后,向IN 设备发起注册/注销请求,IN设备在数据库中建立/删除司机MSISDN 号码和功能号之间的对应关系。

功能号查询:司机通过MCX 服务器向IN 设备查询本机注册的功能号或查询功能号对应的MSISDN 号码,MCX 服务器对用户进行身份校验后,向IN 设备发起查询请求,IN 设备在数据库中查询后返回查询结果。

功能号强制注销:司机通过MCX 服务器向IN设备强制注销其他用户的功能号,MCX 服务器对用户进行身份校验、检查用户具有强制注销权限后,向IN 设备发起强制注销请求,IN 设备在数据库中删除功能号和被强制注销功能号用户的MSISDN号码的对应关系。

(2)功能号呼叫。功能号呼叫流程示意图如图6所示。调度员/车站值班员通过功能号向司机发起呼叫。MDS 进行号码分析,判断为移动用户的功能号,将呼叫路由至MCX服务器。MCX服务器进行号码解析,判断为功能号呼叫后,向IN 设备查询被叫用户的MSISDN 号码,根据IN 设备返回的查询结果向被叫用户发起呼叫。

图6 功能号呼叫流程示意图Fig.6 Functional number call flow

3.4 组呼业务

组呼业务主要包含语音组呼和视频组呼,其组呼呼叫流程示意图如图7 所示。城际铁路的组呼应用场景包括紧急组呼(299 组呼)、车站内组呼(210 组呼)、三站两区间组呼(220 组呼)。由呼叫流程可以看出,城际铁路组呼区域内的移动用户是根据组呼发起者当前所在位置决定的,无法进行预先配置。

图7 组呼呼叫流程示意图Fig.7 Group call flow

紧急组呼的组ID 为299,优先级为15,是城际铁路优先级最高的业务,主要用于在紧急情况下,呼叫移动终端所在小区及两侧相邻小区内的司机、调度员和其他组内相关人员[11]。

车站内组呼的组ID 为210,优先级为11,主要用于解决车站基站区范围内车站值班员、司机和其他移动终端之间的组呼通话。

三站两区间组呼的组ID 为220,优先级为13,主要用于解决主叫用户当前所在车站及相邻两个车站区间内调度员、车站值班员及机车司机的组呼通话[12]。

3.5 多优先级业务处理

MCX服务器可为深圳城际铁路调度通信业务定义7种优先级业务,具体调度通信业务优先级划分特性如表2所示。

表2 调度通信业务优先级划分特性Tab.2 Dispatching communication service prioritization features

用户设备在不同呼叫状态下对调度通信业务优先级处理原则如下。

空闲情况时:若有不同优先级的调度通信业务呼叫同时呼入,用户设备优先接通高优先级呼叫;若有同一优先级调度通信业务呼叫接入,用户可选择接通呼叫。

组呼通话时:若有高优先级调度通信业务呼叫呼入,用户设备自动接通高优先级呼叫,并在通话结束后,自动返回正在进行的低优先级组呼。

个呼通话时:若有高优先级调度通信业务组呼呼入,用户设备保持正在进行的低优先级个呼,并自动接通高优先级调度通信业务组呼;若有高优先级调度通信业务个呼呼入,用户设备保持正在进行的低优先级个呼,并自动或手动选择接通高优先级呼叫[13]。

若2个同一优先级调度通信业务呼叫在用户设备通话情况下同时呼入,用户可手动选择接通的呼叫,通话结束后用户设备按照调度通信业务优先级和呼入时间顺序自动接通处于保持状态的一个呼叫。

4 调度通信系统互联互通

作为“四网融合”重要组成部分,城际铁路存在与国家铁路的互联互通需求。这包括当前已部署的GSM-R系统以及未来可能部署的铁路5G专用移动通信(5G-R)系统,需要对这2种情况分别进行互联互通研究,可从车载终端、地面网络设备和手持终端进行分析。

4.1 MCX与GSM-R

基于LTE-M的MCX与GSM-R 互联互通示意图如图8所示,城际铁路MCX 服务器通过E 接口与GSM-R MSC(移动交换中心)连接[14]。

图8 基于LTE-M的MCX与GSM-R互联互通示意图Fig.8 Interoperation design of MCX and GSM-R based on LTE-M

(1)车载终端方面,需安装多模车载终端,同时配置LTE-M 专网与GSM-R通信模块。

(2)地面网络设备方面,由于GSM-R 基于电路域,不适用SIP 协议,需要通过MCX 服务器内的接口网关进行SIP协议和ISUP 协议的转换。此外,通过在国家铁路GSM-R 数据库中配置LTE-M 网络用户及业务数据,在LTE-M 承载的MCX 服务器中配置GSM-R 用户及业务数据来实现LTE-M用户与GSM-R 用户之间的个呼[15]。LTE-M用户与GSM-R用户跨网组呼无实际业务需求。

(3)手持终端方面,GSM-R 终端和调度业务功能耦合程度高,含GSM-R和LTE-M的多模手持终端配置难度大,建议分别配置GSM-R 和LTE-M手持终端。

4.2 MCX与5G--R

基于LTE-M 的MCX 与5G-R 互联互通示意图如图9 所示,城际铁路MCX 服务器和各铁路局集团公司的MCX服务器通过MCX-3接口连接。

图9 基于LTE-M的MCX与5G-R互联互通示意图Fig.9 Interoperation design of MCX and 5G-R based on LTE-M

(1)车载终端方面,需安装多模车载终端,同时配置LTE-M与5G-R通信模块。

(2)地面MCX 服务器方面,建议采用国家铁路5G-R MCX 标准,通过在国家铁路各铁路局集团公司的MCX服务器内配置LTE-M用户及业务相关数据,在城际铁路MCX 服务器内配置国家铁路5G-R 用户及业务相关数据[16],可实现系统间包括个呼、组呼在内的互联。

(3)手持终端方面,可采用多模手持终端,同时配置LTE-M 与5G-R 通信模块,实现LTE-M 承载的MCX调度通信系统与5G-R系统的互联互通。

5 结束语

深圳都市圈城际铁路建设对促进粤港澳大湾区的高质量发展、深莞惠三地的协同发展具有重大意义,智能化的调度通信系统对城际铁路的运输指挥和安全生产至关重要。基于城际铁路实际业务需求,提出基于LTE-M网络的MCX调度通信系统架构,并对各类调度通信业务的应用场景、应用方法和业务流程进行了分析,提出与国家铁路GSM-R和5G-R的互联互通方案。MCX技术能够满足深圳都市圈城际铁路调度通信应用需求,研究成果可助力深圳都市圈城际铁路智能化进程,并对其建设发展提供参考。

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