鐵路LTE-R網(wǎng)絡(luò)MCPTT的應(yīng)用研究

李春鐸,李 輝,藺 偉

(1.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081; 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

作為交通強國的先行者，鐵路對促進我國交通行業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。隨著我國高鐵技術(shù)不斷取得突破，GSM-R作為窄帶通信系統(tǒng)已逐漸不能滿足未來鐵路多樣化業(yè)務(wù)的需求。2015年，中國鐵路總公司科技管理部和運輸局成立中國鐵路下一代移動通信技術(shù)研究工作組，全面開展LTE-R技術(shù)研究[1]。LTE-R在LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入了適用于鐵路應(yīng)用場景的新特性并適用于高速場景。調(diào)度語音通信作為鐵路通信中最關(guān)鍵的業(yè)務(wù)之一，勢必要引入更先進的技術(shù)來實現(xiàn)。MCPTT是3GPP組織針對公共安全和鐵路運輸提供的全新語音功能，關(guān)鍵優(yōu)勢在于基于LTE架構(gòu)，實現(xiàn)關(guān)鍵任務(wù)的即按即通。

1 現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)的鐵路調(diào)度通信

1.1 現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度語音通信

目前我國鐵路所使用的調(diào)度語音通信系統(tǒng)為GSM-R+FAS(固定用戶接入交換機)無線+有線系統(tǒng)混合組網(wǎng)[2]。車站臺和調(diào)度臺通過FAS連接到GSM-R的移動交換中心(MSC)，以實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)與有線通信系統(tǒng)間的互聯(lián)。具體組網(wǎng)如圖1所示[3]。這種組網(wǎng)方式可以滿足移動臺和固定終端間的調(diào)度語音業(yè)務(wù)。

圖1 GSM-R+FAS方式組網(wǎng)

組呼作為鐵路通信中一種調(diào)度語音呼叫，在提升列車運行效率、確保運輸安全方面起著重要作用[4]。組呼是典型的點對多點通信方式，有多個成員參與(移動臺或固定終端)，同一時刻只有一人可以講話，其余成員聆聽。簽約了同一組ID的所有成員可以接收組呼業(yè)務(wù)，如果用戶想要講話，需按下PTT鍵，便可以以主叫身份講話[5]。組呼打破了點對點呼叫的限制，可以快速地建立如列車調(diào)度員、車站值班員、機車司機間的多方通信。

1.2 現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度語音通信的局限性

(1)GSM-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比于LTE-R，采用了非扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復雜(如包含基站控制器)，這使通信的語音、數(shù)據(jù)時延更大。

(2)GSM-R系統(tǒng)在進行組呼時，組內(nèi)想要發(fā)言的成員必須發(fā)送信號申請發(fā)言權(quán)。成為講話成員的權(quán)利以先到先得的方式分配，不設(shè)置排隊機制，且不限制用戶講話的時間，這樣就不能保證組內(nèi)其他同優(yōu)先級的成員及時的獲得話權(quán)[6]。

2 LTE-R網(wǎng)絡(luò)的MCPTT調(diào)度語音通信

MCPTT為3GPP在R13版本中提出的一種支持多用戶通信(如個呼、組呼)的服務(wù)，是未來公網(wǎng)對講發(fā)展的主要方向之一。每個用戶都可以以一種仲裁的方式獲得講話許可[7]。當發(fā)生多個連接請求時，根據(jù)用戶優(yōu)先級特征來決定接受哪個用戶的請求、拒絕哪個用戶的請求或安排用戶排隊等待。 MCPTT服務(wù)可以讓具有較高優(yōu)先級的用戶(例如MCPTT緊急會話)覆蓋當前講話者的通信。除此之外，MCPTT服務(wù)還支持一種限制用戶談話時間的機制，從而允許相同或較低優(yōu)先級的用戶獲得發(fā)言權(quán)。圖2為MCPTT系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖2 MCPTT系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由LTE接入網(wǎng)、LTE核心網(wǎng)、MCPTT客戶端、MCPTT服務(wù)器組成。接入網(wǎng)包括用戶終端設(shè)備UE和分布式基站(BBU+RRU)[8]。LTE核心網(wǎng)絡(luò)包括MME(移動性管理實體)、S-GW(服務(wù)網(wǎng)關(guān))和P-GW(PDN網(wǎng)關(guān))、HSS(歸屬用戶服務(wù)器)、PCRF(策略和計費規(guī)則功能)、MCE(多小區(qū)/組播協(xié)調(diào)實體)、MBMS-GW(多媒體廣播組播服務(wù)網(wǎng)關(guān))、BM-SC(廣播組播業(yè)務(wù)中心)。在用戶數(shù)據(jù)面進行多播業(yè)務(wù)時，MCE負責為eMBMS業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)時頻資源并配置MCS等無線參數(shù)。MBMS-GW通過M1接口向所有eNodeB同步廣播用戶數(shù)據(jù)，并通過MME向eNodeB發(fā)送會話控制信令。BM-SC提供eMBMS業(yè)務(wù)，同時使用SYNC同步協(xié)議以保證MBMS-GW廣播給所有eNodeB的數(shù)據(jù)同步[9]。在進行單播業(yè)務(wù)時， MCPTT服務(wù)器通過Rx接口向PCRF申請業(yè)務(wù)資源，PCRF可根據(jù)業(yè)務(wù)類型為其建立專有承載，保證業(yè)務(wù)的傳輸速率。在信令控制面，MCPTT服務(wù)器和MCPTT客戶端使用會話發(fā)起協(xié)議(SIP)，通過SIP core來傳輸SIP消息。SIP core定義了SIP實體的特定類別[10]。

3 MCPTT在鐵路中的應(yīng)用

LTE-R系統(tǒng)中，調(diào)度語音通信業(yè)務(wù)主要包括：個呼、組呼、緊急呼叫、多方通信服務(wù)[11]。接下來對MCPTT中移動終端呼叫固定終端、固定終端呼叫移動終端、MCPTT話權(quán)控制等過程進行詳細分析。

3.1 移動終端呼叫固定終端

3.1.1 UE發(fā)起MCPTT個呼

UE發(fā)起MCPTT個呼流程如圖3所示。MCPTT 移動客戶端 UE 和FAS已向業(yè)務(wù)提供商注冊了各自的MCPTT業(yè)務(wù)[12]。

(1)UE呼叫調(diào)度臺時，通過SIP core將SIP INVITE消息發(fā)送到MCPTT服務(wù)器，消息中包含主叫用戶MCPTT ID、被叫用戶MCPTT ID、攜帶簽約的功能號碼的user-to-user和表示本次會話過程中用戶的請求方法和優(yōu)先級的Resource-Priority頭域[11]。

(2)MCPTT服務(wù)器檢查UE是否有權(quán)限發(fā)起個呼以及FAS是否有權(quán)限接受個呼，并向UE發(fā)送進展提示，表示請求已經(jīng)收到，正在處理。權(quán)限通過后，向調(diào)度臺FAS發(fā)送SIP INVITE消息。

(3)FAS收到SIP INVITE消息后，向MCPTT服務(wù)器返回180 Ringing振鈴消息，MCPTT 服務(wù)器向UE轉(zhuǎn)發(fā)180 Ringing振鈴消息。

(4)FAS回送200 OK消息，表示呼叫流程建立完成。

圖3 UE 發(fā)起MCPTT個呼流程

3.1.2 UE發(fā)起MCPTT組呼及話權(quán)控制

UE發(fā)起MCPTT組呼流程如圖4所示。UE和MCPTT客戶端2、MCPTT客戶端3已經(jīng)注冊MCPTT服務(wù)并附屬同一MCPTT組[12]。

(1)組內(nèi)成員UE使用組ID發(fā)起組呼，通過SIP core將SIP INVITE消息發(fā)送到MCPTT服務(wù)器，消息中包含MCPTT組ID、MCPTT客戶端媒體參數(shù)SDP offer。

(2)MCPTT服務(wù)器檢查用戶是否具備發(fā)起組呼的權(quán)限。如果該組ID對應(yīng)的組呼正在進行，服務(wù)器將把UE加到現(xiàn)有的組呼中并通知UE組呼正在進行，否則MCPTT服務(wù)器根據(jù)組管理服務(wù)器的信息分解組ID來決定組的成員和歸屬狀態(tài)。

(3)MCPTT服務(wù)器通過SIP core向組成員MCPTT客戶端2和MCPTT客戶端3發(fā)送組呼請求SIP INVITE消息，用戶會收到組呼來電的通知。

(4)MCPTT客戶端2和MCPTT客戶端3應(yīng)答組呼，并向MCPTT服務(wù)器發(fā)送組呼響應(yīng)200 OK，并攜帶SDP answer。MCPTT服務(wù)器給UE發(fā)送組呼響應(yīng)200 OK，其中包含通過信令通道給UE的媒體參數(shù)，以告知呼叫建立成功。

(5)UE及MCPTT客戶端2、MCPTT客戶端3成功建立媒體面，并建立話權(quán)控制。

(6)此時UE申請講話，將話權(quán)請求消息發(fā)送到MCPTT服務(wù)器，其中包括發(fā)言權(quán)優(yōu)先級。服務(wù)器根據(jù)發(fā)言權(quán)優(yōu)先級、競爭者角色類型等決定對話權(quán)請求采取什么行動(給予、拒絕或排隊等待)。服務(wù)器決定同意A的發(fā)言權(quán)請求，并配置限制用戶發(fā)言的時間(即占話權(quán)的時間)[13]。

(7)服務(wù)器向UE發(fā)送話權(quán)授予消息，包括保持話權(quán)的最大時長，同時向客戶端2、客戶端3發(fā)送話權(quán)占用消息，包括拿到話權(quán)者的信息。

(8)開始建立語音會話。此時，客戶端3想要講話并發(fā)送話權(quán)請求。服務(wù)器進行話權(quán)仲裁，最終決定拒絕客戶端3的話權(quán)請求。并通知客戶端3請求被拒絕。

圖4 UE發(fā)起MCPTT組呼及話權(quán)控制流程

3.2 固定終端呼叫移動終端

3.2.1 尋呼機制分析

固定終端呼叫移動終端一般指FAS向UE發(fā)起的呼叫。在鐵路語音呼叫中，由于FAS臺為有線用戶，移動終端呼叫FAS時只需交換機根據(jù)數(shù)據(jù)指向進行相應(yīng)的呼叫流程，呼叫建立時間較短；但FAS呼叫移動終端時，由于移動終端分布在各個小區(qū)，尋呼信令將通過LTE-R網(wǎng)絡(luò)在整個TA List內(nèi)發(fā)送[14-15]，呼叫建立延時會大大增加，因此FAS發(fā)起呼叫的延時要大于移動終端發(fā)起呼叫的延時，接下來對FAS臺的尋呼過程進行分析。

LTE物理層中引入了非連續(xù)接收(DRX)方式，能夠有效節(jié)省UE功耗，延長待機時間。處于空閑狀態(tài)的終端可以通過DRX模式監(jiān)聽尋呼消息[16]。尋呼消息在PDSCH(物理下行共享信道)上發(fā)送，而物理下行控制信道(PDCCH)用于傳輸尋呼無線網(wǎng)絡(luò)臨時標識(P-RNTI)。UE周期性地監(jiān)聽PDCCH，若在PDCCH中解析出P-RNTI，意味著有尋呼消息，隨后終端解碼相應(yīng)PDSCH的數(shù)據(jù)塊以得到尋呼消息。

DRX周期包括默認DRX周期和UE特定DRX周期，取值為32，64，128，256，單位是無線幀。SIB2中廣播默認DRX周期，UE特定DRX周期存儲在UE中。UE在計算尋呼無線幀幀號SFN時，會將兩個周期中較小的值作為尋呼周期。

在LTE物理層協(xié)議中，SFN的取值范圍為0～1 023。1個無線幀包含10個子幀，子幀編號取值范圍是0～9，每個子幀1 ms。SFN的值由以下公式確定

SFNmodT=(T/N)×(UE_ID) modN

(1)

公式中參數(shù)定義如下：

UE_ID=IMSImod 1024；

T:T為DRX周期，取值為min(默認DRX周期，UE特定DRX周期)；

N：N=min(T，nB)，表示一個DRX周期有多少個無線幀可以承載尋呼消息。nB在網(wǎng)絡(luò)的SIB(系統(tǒng)資源塊)中廣播，表征尋呼密度，值為4T、2T、T、T/2、T/4、T/6、T/16、T/32[17-18]。

假設(shè)FAS臺在發(fā)起呼叫時，T=128，系統(tǒng)消息中廣播nB=T，假定UE_ID=147，由式(1)可知，N=128，SFN=19。因此終端在幀號為19的無線幀上監(jiān)聽PDCCH。

3.2.2 尋呼時延分析

以單呼為例，建立平均呼叫時延模型。由于尋呼消息到達的時間是隨機的，但服務(wù)用戶的時間T是固定的。假設(shè)尋呼消息是泊松到達，可以用M/D/1隊列模型描述尋呼過程[19]。服務(wù)時間T為

2)

其中，T取值為DRX周期，1/μC為尋呼消息的平均發(fā)送時間，記為D。ρ=λT/nB，nB的值代表尋呼組的數(shù)量[20]。假定每條尋呼消息能夠容納1個UE_ID，無線幀內(nèi)的尋呼消息和尋呼區(qū)域內(nèi)的用戶均勻分布。周期T內(nèi)共到達λ個尋呼消息，每個尋呼組T時間內(nèi)到達λ/nB個尋呼消息，即每個尋呼組尋呼消息的到達率為λ/nB。則平均尋呼時延為

3)

當T=32，64，128，256時的平均尋呼時延變化如圖5所示，隨著DRX的周期增大，尋呼時延變大。

圖5 尋呼時延與DRX周期關(guān)系

4 MCPTT應(yīng)用結(jié)果驗證

在實驗室環(huán)境下使用測試手機、機車綜合無線通信設(shè)備 (CIR)、eNodeB，MCPTT服務(wù)器、FAS系統(tǒng)、調(diào)度臺測試個呼/組呼呼叫建立延時及建立成功率并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。測試環(huán)境如圖6所示。UE發(fā)起呼叫時發(fā)送SIP INVITE消息至MCPTT 服務(wù)器，當UE收到返回的200 Ok時表示被叫已經(jīng)接聽。FAS發(fā)起的呼叫流程與UE發(fā)起的呼叫流程相同[21]。

呼叫建立延時=T200 Ok-TINVITE

(3)

(4)

圖6 個呼、組呼呼叫時延及成功率實驗室測試環(huán)境

測試頻段選取450 MHz，參考信號接收功率RSRP=-80 dBm。系統(tǒng)廣播消息中設(shè)置T=128，nB=T。經(jīng)驗證，個呼、組呼呼叫建立時間和成功率統(tǒng)計結(jié)果如表1～表4所示。

表1 UE發(fā)起個呼呼叫建立延時、建立成功率測試結(jié)果 ms

表2 UE發(fā)起組呼呼叫建立延時、建立成功率測試結(jié)果 ms

表3 FAS發(fā)起個呼呼叫建立延時、建立成功率測試結(jié)果 ms

表4 FAS發(fā)起組呼呼叫建立延時、建立成功率測試結(jié)果 ms

5 結(jié)語

MCPTT作為3GPP組織公布的基于LTE的標準，應(yīng)用于鐵路LTE-R網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠保證鐵路調(diào)度語音信號更高質(zhì)量的傳輸，同時其獨有的話權(quán)控制，限制發(fā)言時間機制也確保了低優(yōu)先級用戶獲得平等的發(fā)言權(quán)，為鐵路運營提供更可靠的保障。