铁路5G专网集群通信技术方案研究

1、铁路5G专网集群通信技术方案研究摘要：首先介绍铁路调度通信、列车控制系统基本特点；在分析基于 LTE的语 音业务（VoLTE）技术和MC （关键业务）集群通信技术的基础上，针对铁路5G 专网MC系统架构以及铁路5G专网集群通信技术应用方案进行研究。关键词：铁路5G专网；基于LTE的语音业务；MC （关键业务）；集群通信技 术；铁路调度通信业务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5

2、G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10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

3、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 -0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

4、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。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（V

5、oLTE）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 0.52 s,2G/3G约为58 so 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应用月艮务（VoLTE-AS ）、归属用户月艮务（HSS）、会话 边界控制（SBC）等功能31。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

6、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。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。MC技术MC （关键业务）技术，早

7、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 -02016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、

8、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。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，具系统架构 见图2。小：就比弊谢1KA |通信系幄Sd*-3IUTP-1老琳坤调出 d端泡;奈统川,也抗质山一和二I1 CMITSTF0WF,阴呼FF配置管鼻urn* _： ： WUHE，研才庙郦而PTTnitrtrA 丽出杳/鼓心利陵射1ir 1：.,WK而M1布W Q伊许!P-14府也即幅朝竹三 带曾性坤!11 -mtit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（

9、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MC系统主要包括：会话通信，铁路多媒体调度系统兼容 MC系统的接口和协议 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。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。会话初

10、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50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，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。公共管理模块公共管理模块是

11、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。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，包才S 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

12、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

13、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。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0MC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。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，

14、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0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 。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。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。3GP

15、P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。方式一；分别设置方式二：MC与SIP会设方式三:川与sip合设Y匚用户数据率、配：业务服务跳；1J_ _ U：MC用户数据辉 MC业等：MCHi户数据M YC业芬服芬器t1i_，F = H _ _ . 一 一 FGP用户数据库即口用户数据用SFP Or*P用户小鹏库SIP Cop- 1；11| t n ri 1r1|1l：UM5 Gs|J L . rUD

16、M5（送11 一I UM 111 1k图3用户数据库设置方式5技术方案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。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网络架构口。见图4。MC 系统的控制面为AF （应用功能）,MC系统的用户面为D

17、N （业务网络）。拄制面用而图4基于服务功能的5G网络架构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，所以铁品&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

18、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。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网络注册和MC系统的注册“。31 R弊端%；MC 统鼻;MC算踹完底刚国流的SIF注册，M4. Mwriii 再5 A jinrhai-A.SI up -4. 11 i-j；侏 1hI册.返川呼叫琳Fw：军投向玉；It台汹J：.|L 乂 M 隹一“皿八4h 1KH Rindnir4-45JOO nkMil. IMl It bilging5.200 ok5b2 cik乱媒体而建立图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