鐵路5G專網集群通信技術方案研究

1、鐵路5G專網集群通信技術方案研究摘要：首先介紹鐵路調度通信、列車控制系統(tǒng)基本特點；在分析基于 LTE的語 音業(yè)務（VoLTE）技術和MC （關鍵業(yè)務）集群通信技術的基礎上，針對鐵路5G 專網MC系統(tǒng)架構以及鐵路5G專網集群通信技術應用方案進行研究。關鍵詞：鐵路5G專網；基于LTE的語音業(yè)務；MC （關鍵業(yè)務）；集群通信技 術；鐵路調度通信業(yè)務鐵路專用移動通信系統(tǒng)是保障鐵路運輸安全的關鍵基礎設施，調度通信、列車控制是涉及鐵路行車安全的重要業(yè)務。 目前，鐵路數字移動通信系統(tǒng)（GSM-R ） 承載的調度通信和列車控制業(yè)務均基于電路域技術實現(xiàn)。隨著5G技術不斷的成熟、公網大規(guī)模商用，鐵路專網也將采用5

2、G技術。5G網絡承載與應用分離、全 IP化組網，不再支持電路域業(yè)務。3GPP國際標準組織定義了 MC （關鍵任務）集 群通信技術體系，滿足行業(yè)專網、公共安全等領域對傳統(tǒng)電信業(yè)務的需求。為此 ， 本文對鐵路5G專網集群通信技術應用方案進行研究。1鐵路業(yè)務鐵路調度通信鐵路調度通信業(yè)務包括：列車調度、貨運調度、機務調度、動車調度、客運調 度、供電調度、電務調度、工務調度等。業(yè)務應用涉及移動終端、移動與固定終 端（調度臺）之間的個呼及組呼10以列車調度通信為例，“車機聯(lián)控”是調度通 信的術語，指車務、機務等行車有關人員使用鐵路專用移動通信設備，按規(guī)定進行 語音聯(lián)絡，提示行車安全信息，確認行車要求。鐵路

3、調度通信從無線列車調度系統(tǒng) 發(fā)展至GSM-R系統(tǒng)，“車機聯(lián)控”應用模式一直延續(xù)。GSM-R網絡根據調度通 信業(yè)務的呼叫場景、用戶使用習慣，通過智能網設備為調度通信業(yè)務提供了接入 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網絡的CTCS-3級列控系統(tǒng)在我國 高速鐵路開始運用。GSM-R網絡采用電路交換數據（CSD）業(yè)務通道承載列車 控制系統(tǒng)的安全數據，與調度通信一樣均是電路域業(yè)務。電路域是電路交換技術 不同用戶獨占各自分配的時隙，特點是數據量小、時延低。GSM-R網絡的電路域 技術很好地滿足了鐵路調度通信和列車控制業(yè)務的需求。5G

4、網絡基于分組域架構，分組域采用包交換方式，其特點是業(yè)務數據可以共享通道資源。面對網絡承載 技術的重大變化，鐵路調度通信、列車控制業(yè)務需要在技術上進行演進，才能適應5G網絡。VoLTE技術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)務應用需求，在分組承載網絡的基礎上綜合實現(xiàn)語音、視頻、數據業(yè)務，并支持與既有電路域網絡的互聯(lián)互通。IMS是一種開放的網絡架構，使用會話初始協(xié) 議（SIP）實現(xiàn)對多媒體業(yè)務的交換控制。移動通信技術發(fā)展到第4代（LTE）后 網絡完全分組化，運營商移動通信網絡的語音業(yè)務回落到2G/3G的電路域實現(xiàn)，隨后3GPP提出了基于LTE的語音業(yè)務（V

5、oLTE）技術，在語音業(yè)務通話的基礎 上增加了視頻通話業(yè)務，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網絡組成，其網絡架構見圖1。圖1 VoLTE網絡架構圖IMS網絡主要包括：代理會話控制（PCSCF）、服務/查詢呼叫會話控制（S- CSCF/ICSCF） 、VoLTE應用月艮務（VoLTE-AS ）、歸屬用戶月艮務（HSS）、會話 邊界控制（SBC）等功能31。P-CSCF是VoLTE業(yè)務的接入節(jié)點，負責SIP （會話 初始協(xié)議）信令的代理。S-CSCF/I-CSCF負責VoLTE業(yè)務的注冊服務和會話控 制。VoLTE-AS

6、提供業(yè)務邏輯，負責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)務及電信補充業(yè)務。HSS負責存儲VoLTE用戶相關位置及 業(yè)務信息。SBC位于IMS網絡的邊界，負責將終端用戶接入到IMS網絡。4G網絡主要包括：移動性管理實體（MME ）、服務網關（SGW）、應用網 絡網關（PGW）、策略與計費功能（PCRF）、無線接入網（RAN）、信令路由 代理節(jié)點（DRA）等網元。目前公眾移動通信5G網絡僅支持數據業(yè)務，語音呼叫業(yè)務仍然要使用4G網 絡的VoLTE技術，基于5G的語音業(yè)務稱為 VoNR （Voice Over NR ）,其技術標 準正在研究。MC技術MC （關鍵業(yè)務）技術，早

7、期稱為“關鍵業(yè)務一鍵通 （MCPTT）,是一種基 于分組無線網絡的語音集群通信技術，面向特定行業(yè)的調度指揮應用，屬于專用無 線通信技術。MC技術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,簡化了 IMS復雜的網絡結構，具有大帶寬、低時延、互聯(lián)互通、易于規(guī)模建網等優(yōu)點，支持鑒權、組管理、個呼、組呼、 呼叫優(yōu)先級、發(fā)言權控制、位置上報等功能 -02016年3GPP第15版將MCPTT技術納入4G標準體系，并增加了視頻和 數據業(yè)務。關鍵語音業(yè)務（MCPTT）、關鍵視頻業(yè)務（MCVideo ）、關鍵數據 業(yè)務（MCData ） 3種應用場景的統(tǒng)稱為 MCx、

8、3GPP第16版增加了基于5G 網絡MC技術架構的概述，具體的技術實現(xiàn)方案仍在研究中。4系統(tǒng)架構參考3GPP標準的表述，對鐵路5G專網MC集群通信進行研究，具系統(tǒng)架構 見圖2。?。壕捅缺字x1KA |通信系幄Sd*-3IUTP-1老琳坤調出 d端泡;奈統(tǒng)川,也抗質山一和二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MC集群通信系統(tǒng)架構基于鐵路5G專網的MC集群通信系統(tǒng)架構主要包括:5G核心網（5GC）、 無線網（

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)與鐵路多媒體調度系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)調度固定用戶與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（MC service ）、公共管理（Common service core ）、用戶數據庫（SIP database、MC user database ）等功能模塊。MC 系統(tǒng)內部及與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)配置媒體網關（MGW），實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間業(yè)務數據 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，負責信令控制面的注冊、業(yè)務選擇和信 令消息處理，負責管理與SIP core功能相關的應用業(yè)務數據、服務注冊標識、鑒 權信息、等。SIP core與公共管理、用戶數據庫、MC業(yè)務等功能模塊中的SIP應 用（SIPAS）共同實現(xiàn)MC系統(tǒng)中SIP協(xié)議的控制及處理50根據外部系統(tǒng)所采用的協(xié)議,SIP core配置對應的協(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架構的HTTP/TCP協(xié) 議，與GSM-R系統(tǒng)的MSC設備之間采用No.7信令用戶部分（ISUP）、移動 應用部分 （MAP）協(xié)議。公共管理模塊公共管理模塊是

11、MCPTT、MCVideo、MC ?Data業(yè)務的公共邏輯功能實體， 包括MC業(yè)務配置、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/服務器）方式實現(xiàn)。1）配置管理，用于配置MC相關的業(yè)務信息。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)務用戶的身份，包才S MC用戶標識（MC ID ）、MC 業(yè)務標識（MC service ID ）、MC 業(yè)務組標識（MC service group ID ）。MC ID是MC業(yè)務用戶在身份驗證過程中的標識,MC service ID 是MC

12、業(yè)務中 的全局唯一標識，MC service group ID表示一組MC業(yè)務用戶,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、 組管理服務器和MC業(yè)務服務 器提供安全相關的密鑰信息，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)相關業(yè)務時，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)務服務器提供用戶 位置信息；位置管理功能還可以獲取 5G網絡的用戶位置信息。位置信息通常包 括終端的衛(wèi)星定位

13、經緯度信息、終端在5G網絡中所處的基站/小區(qū)信息，對于鐵路而言，線路號、公里標也是位置信息。MC業(yè)務模塊MC業(yè)務模塊實現(xiàn)MC系統(tǒng)的業(yè)務應用，用于語音、視頻、數據媒體面的處 理和話權控制，主要包含MC業(yè)務客戶端、MC業(yè)務服務器、多播業(yè)務等功能實 體0MC業(yè)務客戶端是MC應用的用戶部分，通常在終端側，能夠報告終端當 前的位置信息。MC業(yè)務服務器是實現(xiàn)MC業(yè)務的功能實體。屬于同一個組的 MC客戶端應使用同一個MC服務器。如果MC客戶端屬于多個不同的組，可以關聯(lián)相關 的多個MC業(yè)務服務器。MC組管理應用(GCSAS)用于控制組通信的多播和 單播功能。3)多播業(yè)務功能(MBMS )負責配合無線通信系統(tǒng)，

14、實現(xiàn)業(yè)務數據流的廣播 功能。3GPP標準詳細定義了基于LTE的MBMS功能,5G網絡的多播功能仍在 標準制定過程中0用戶數據庫用戶數據庫主要包括 SIP用戶數據庫(SIP database )和MC用戶(MC service user database ) 數據庫 。SIP用戶數據庫，用于存儲用戶SIP協(xié)議相關的信息，并向SIP core提供 SIP訂閱、標識、鑒權、應用服務選擇等信息，配合SIP core完成用戶的注冊、 鑒權、呼叫控制、會話管理、移動性管理等功能。MC用戶數據庫，用于存儲MC業(yè)務用戶的業(yè)務功能簽約配置文件，該配 置文件關聯(lián)用戶的MC業(yè)務ID。3)用戶數據庫的設置方式。3GP

15、P定義了 3種用戶數據庫設置方式：方式 一,MC、SIP、UDM獨立設置用戶數據庫；方式二,MC與SIP合設用戶數據庫； 方式三,UDM與SIP合設用戶數據庫見圖3。對于鐵路MC集群通信系統(tǒng)，可 按照5G承載網絡與MC系統(tǒng)分層管理，采用方式二。方式一；分別設置方式二：MC與SIP會設方式三:川與sip合設Y匚用戶數據率、配：業(yè)務服務跳；1J_ _ U：MC用戶數據輝 MC業(yè)等：MCHi戶數據M YC業(yè)芬服芬器t1i_，F(xiàn) = H _ _ . 一 一 FGP用戶數據庫即口用戶數據用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用戶數據庫設置方式5技術方案基于服務功能的網絡架構5G的網絡架構較4G產生了很大變化，采用了基于服務化（SBI）的架構，以 網絡功能虛擬化（NFV）為載體。傳統(tǒng)的網元演變?yōu)榫W絡功能，根據業(yè)務流程選擇 所需網絡功能，完成控制面的信令交互。控制面流程完成后，由終端（UE）、無 線接入網（RAN）、用戶面功能（UPF）、業(yè)務系統(tǒng)（DN）直接建立用戶面IP 通道，減少了用戶面數據處理的網元，降低了數據傳輸時延。5G網絡演變的更加 靈活，但控制面的網絡架構更為復雜?；诜栈?5G網絡架構口。見圖4。MC 系統(tǒng)的控制面為AF （應用功能）,MC系統(tǒng)的用戶面為D

17、N （業(yè)務網絡）。拄制面用而圖4基于服務功能的5G網絡架構調度通信業(yè)務實現(xiàn)方案公眾移動通信網絡在3G、4G、5G的部署過程中，投入了相當的代價來實現(xiàn)不同制式系統(tǒng)之間業(yè)務的互通。鐵路專網與公眾網絡不同，沒有龐大的用戶數量 和產業(yè)鏈的支撐，所以鐵品&部署5G專網后，考慮采用多模終端轉換網絡制式的方式,以降低網絡的復雜性和建設成本。對于鐵路調度通信業(yè)務，既有GSM-R網絡中的移動終端、有線調度系統(tǒng)（FAS）的固定終端，應能與5G專網MC系統(tǒng)的移 動終端、多媒體調度系統(tǒng)的固定終端實現(xiàn)語音業(yè)務互通，系統(tǒng)間的互聯(lián)組網見圖5。圖5鐵路5G專網與GSM-R業(yè)務互通組網示意對于5G網絡,MC系統(tǒng)中語音、視頻、數

18、據3種業(yè)務均是數據，在控制面的信令流程基本相同，區(qū)別是用戶面?zhèn)鬏數臄祿热荨Ｏ旅嬉澡F路5G專網與GSM- R網絡之間語音業(yè)務互通流程舉例說明。5G專網移動用戶與GSM-R移動用戶語音業(yè)務互通方案鐵路5G專網MC系統(tǒng)與GSM-R移動交換中心（MSC）設備互聯(lián),MC系統(tǒng)兼容GSM-R網絡的接口及協(xié)議；GSM-R和5G專網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網絡注冊和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多媒體調度系統(tǒng)功能號呼叫，5G網絡呼叫接續(xù)流程圖2) FAS調度臺發(fā)起呼叫。5G網絡建設時同步建設多媒體調度系統(tǒng) ，既有GSM-R網絡覆蓋區(qū)段的調度員仍使用 FAS調度臺，所以基本不存在FAS調度臺 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