鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)方案設(shè)計(jì)

林基鋒

(中國電信股份有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516000)

0 引言

在鐵路運(yùn)輸過程中，應(yīng)用專用移動(dòng)通信系統(tǒng)可以增強(qiáng)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩耘c穩(wěn)定性。在5G技術(shù)不斷完善的背景下，將5G技術(shù)應(yīng)用在鐵路專網(wǎng)中，為移動(dòng)通信提供支持。

1 鐵路中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)

1.1 鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)

鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)包括諸多內(nèi)容，例如列車調(diào)度、動(dòng)車調(diào)度、客運(yùn)調(diào)度、貨運(yùn)調(diào)度等。業(yè)務(wù)應(yīng)用涉及了很多終端，如移動(dòng)終端與固定終端之間的組呼、移動(dòng)終端等[1]。在進(jìn)行列車調(diào)度通信時(shí)，相關(guān)人員需要利用專用的通信設(shè)備進(jìn)行語音聯(lián)系并進(jìn)行行車等方面的信息提示。列車調(diào)度通信的專業(yè)術(shù)語是“車機(jī)聯(lián)控”，且這一術(shù)語被應(yīng)用在了無線列車調(diào)度系統(tǒng)、GSM-R系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)當(dāng)中，為列車調(diào)度通信提供了便利。GSM-R系統(tǒng)具有多種功能，常用功能為位置尋址、矩陣接入等，可以根據(jù)鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)的場景以及需求提升服務(wù)質(zhì)量，保障鐵路調(diào)度通信的科學(xué)性。

1.2 鐵路列車控制業(yè)務(wù)

在鐵路運(yùn)行過程中，工作人員需要對鐵路列車進(jìn)行控制。幾年前，高速鐵路開始應(yīng)用以GSM-R系統(tǒng)為基礎(chǔ)的CTCS-3級列控系統(tǒng)。GSM-R系統(tǒng)應(yīng)用了電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道，可以為列車控制系統(tǒng)提供大量的數(shù)據(jù)。與列車調(diào)度通信業(yè)務(wù)相同，列車控制業(yè)務(wù)也屬于電路域業(yè)務(wù)。電路域采用了電路交換技術(shù)，具有低時(shí)延、小數(shù)據(jù)量等優(yōu)勢。以GSM-R系統(tǒng)為基礎(chǔ)的電路域技術(shù)基本符合鐵路業(yè)務(wù)的需求，可以為列車調(diào)度通信業(yè)務(wù)、列車控制業(yè)務(wù)提供助力。5G網(wǎng)絡(luò)是以分組域架構(gòu)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而分組域架構(gòu)中應(yīng)用了包交換方式，可以促進(jìn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享[2]。在5G技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，鐵路企業(yè)應(yīng)意識(shí)到只有不斷優(yōu)化業(yè)務(wù)技術(shù)才能符合5G技術(shù)的要求。

2 集群通信技術(shù)

2.1 MC技術(shù)

MC技術(shù)即關(guān)鍵業(yè)務(wù)技術(shù)，又被稱為關(guān)鍵業(yè)務(wù)一鍵通技術(shù)，是在分組無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上形成的語音集群通信技術(shù)。從特定行業(yè)的角度來看，MC技術(shù)可以根據(jù)行業(yè)需求進(jìn)行調(diào)度指揮，是專用的無線通信技術(shù)。相比于其他集群通信技術(shù)，MC技術(shù)具有快速建立語音、快速搶占語音、利用少量無線信道為大量用戶提供服務(wù)等特點(diǎn)。MC技術(shù)是在IMS技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對IMS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，所以具備低時(shí)延、建網(wǎng)難度小等優(yōu)勢。在鐵路移動(dòng)通信中，應(yīng)用MC技術(shù)可以提升位置上報(bào)質(zhì)量、增強(qiáng)發(fā)言權(quán)的控制性、對呼叫進(jìn)行優(yōu)先級劃分。此外，MC技術(shù)可以為多種應(yīng)用場景提供支持，例如關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)場景、關(guān)鍵語音業(yè)務(wù)場景以及關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)場景。所以，相關(guān)組織將MC技術(shù)融入4G標(biāo)準(zhǔn)體系，并完善了4G技術(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與視頻業(yè)務(wù)，之后又將MC技術(shù)融入5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.2 VoLTE技術(shù)

IMS系統(tǒng)即IP多媒體子系統(tǒng)，指的是能夠滿足多樣化業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的系統(tǒng)。IMS系統(tǒng)可以在分組承載網(wǎng)絡(luò)的情況下開展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)以及視頻業(yè)務(wù)，也可以與現(xiàn)有的電路域網(wǎng)絡(luò)相連接[3]。VoLTE技術(shù)指的是以IMS為基礎(chǔ)的語音業(yè)務(wù)技術(shù)。在4G網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用VoLTE技術(shù)不僅可以提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量，也可以為人們提供高質(zhì)量的音視頻通話。在VoLTE技術(shù)當(dāng)中，IMS系統(tǒng)包括諸多功能，例如VoLTE應(yīng)用服務(wù)功能、代理會(huì)話控制功能、會(huì)話邊界控制功能等。首先，VoLTE技術(shù)中的P-CSCF是最關(guān)鍵的接入節(jié)點(diǎn)，具有代理會(huì)話初始協(xié)議的功能。其次，VoLTE技術(shù)中的S-CSCF與I-CSCF可以為業(yè)務(wù)注冊提供服務(wù)，也可以控制會(huì)話。最后，VoLTE-AS中含有大量的業(yè)務(wù)邏輯，可以為語音通信提供大量的媒體資源，也可以為語音業(yè)務(wù)以及視頻業(yè)務(wù)提供支持。此外，HSS具有信息存儲(chǔ)等功能，可以存儲(chǔ)用戶、業(yè)務(wù)等信息。同時(shí)，IMS系統(tǒng)的邊界中也含有SBC，可以實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的連接。

當(dāng)前，常用的4G網(wǎng)絡(luò)中含有諸多網(wǎng)元，例如無線接入網(wǎng)、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)等。但5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)只能為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供支持，無法為語音業(yè)務(wù)提供支持。在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中開展語音業(yè)務(wù)需要利用VoLTE技術(shù)，該技術(shù)屬于4G網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)，所以以5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的語音業(yè)務(wù)被稱之為VoNR[4]。

3 鐵路5G專網(wǎng)集群通信系統(tǒng)構(gòu)建

鐵路企業(yè)技術(shù)人員需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析網(wǎng)絡(luò)集群通信技術(shù)，并構(gòu)建鐵路5G專網(wǎng)集群通信系統(tǒng)(見圖1)。以5G網(wǎng)絡(luò)與MC技術(shù)為基礎(chǔ)的鐵路集群通信系統(tǒng)包括無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、5G核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、MC移動(dòng)終端以及MC集群通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)。其中，MC集群通信系統(tǒng)包括諸多模塊，例如公共管理模塊、MC業(yè)務(wù)模塊等，可以完善整個(gè)系統(tǒng)的功能。MC集群通信系統(tǒng)內(nèi)部主要利用超文本傳輸協(xié)議等協(xié)議與5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。在鐵路5G專網(wǎng)集群通信系統(tǒng)中，MC集群通信系統(tǒng)與鐵路多媒體調(diào)度系統(tǒng)之間是相互連接的，可以為固定用戶與移動(dòng)用戶之間的通信提供支持。同時(shí)，鐵路多媒體調(diào)度系統(tǒng)具有較強(qiáng)的兼容性，可以容納MC集群通信系統(tǒng)的協(xié)議以及接口。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)集群通信系統(tǒng)

3.1 MC業(yè)務(wù)模塊

MC業(yè)務(wù)模塊主要是由多播業(yè)務(wù)、MC業(yè)務(wù)服務(wù)器以及MC業(yè)務(wù)客戶端共同構(gòu)成的，其關(guān)鍵作用是業(yè)務(wù)應(yīng)用，可以對語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及視頻業(yè)務(wù)進(jìn)行控制。(1)多播業(yè)務(wù)可以為無線通信系統(tǒng)的運(yùn)行提供支持，從而通過廣播等形式展現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對以LTE為基礎(chǔ)的多播業(yè)務(wù)進(jìn)行了明確規(guī)定，但以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的多播業(yè)務(wù)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。(2)MC業(yè)務(wù)服務(wù)器可以促進(jìn)MC業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。在相同組的MC客戶端應(yīng)用的是相同的MC業(yè)務(wù)服務(wù)器，在不同組的MC客戶端可以應(yīng)用不同的MC業(yè)務(wù)服務(wù)器。在MC業(yè)務(wù)服務(wù)器當(dāng)中，可以將MC組管理應(yīng)用在控制組通信的多播功能以及單播功能中。(3)MC業(yè)務(wù)客戶端處于終端側(cè)，可以為系統(tǒng)提供終端設(shè)備的具體位置。

3.2 公共管理模塊

公共管理模塊屬于公共邏輯功能實(shí)體，包含了諸多業(yè)務(wù)，例如MC-Data業(yè)務(wù)等。公共管理模塊的功能較為完善，可以對MC業(yè)務(wù)進(jìn)行配置，也可以對業(yè)務(wù)進(jìn)行位置管理、密鑰管理。在設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員需要利用C/S架構(gòu)完善公共管理模塊，從而完善該模塊的各項(xiàng)功能。(1)MC業(yè)務(wù)配置管理功能。工作人員可以利用公共管理模塊的這一功能對MC業(yè)務(wù)信息進(jìn)行優(yōu)化配置。(2)組管理功能。工作人員可以利用該功能管理系統(tǒng)用戶群組，為終端用戶提供各種策略與信息，例如呼叫控制信息等，以便終端用戶進(jìn)行呼叫控制。(3)密鑰管理功能。工作人員可以利用這一功能存儲(chǔ)密鑰并為用戶提供密鑰信息，以便用戶利用密鑰維持信令的完整性[5]。(4)位置管理功能。位置管理功能的作用相對較多，可以接收用戶的位置信息，也可以存儲(chǔ)用戶的位置信息、為服務(wù)器提供用戶的位置信息。同時(shí)，該功能也可以通過5G網(wǎng)絡(luò)直接獲取用戶的位置信息。用戶的位置信息包括諸多內(nèi)容，例如用戶的具體位置、終端設(shè)備的經(jīng)緯度等。在鐵路系統(tǒng)中，工作人員可以利用位置管理功能獲取列車的線路信息、公里標(biāo)信息。

3.3 會(huì)話初始協(xié)議模塊

會(huì)話初始協(xié)議模塊是MC集群通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，可以為業(yè)務(wù)注冊、業(yè)務(wù)選擇等工作提供支持。同時(shí)，會(huì)話初始協(xié)議模塊也可以對相關(guān)數(shù)據(jù)、信息、注冊標(biāo)識(shí)進(jìn)行嚴(yán)格管理。會(huì)話初始協(xié)議模塊與公共管理模塊、MC業(yè)務(wù)模塊以及用戶數(shù)據(jù)庫模塊都應(yīng)用了會(huì)話初始協(xié)議，可以對相關(guān)協(xié)議進(jìn)行控制。技術(shù)人員需要根據(jù)外部系統(tǒng)中的協(xié)議為會(huì)話初始協(xié)議模塊配置相應(yīng)的處理功能。同時(shí)，也需要利用HTTP/TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)MC系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)的連接，完善二者的策略控制功能。利用移動(dòng)應(yīng)用部分協(xié)議與信令用戶部分協(xié)議實(shí)現(xiàn)MC系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)的連接。

4 鐵路5G專網(wǎng)集群通信技術(shù)方案

4.1 在功能服務(wù)的基礎(chǔ)上完善網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

相比于4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出現(xiàn)了一定的變化，例如其載體是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、其架構(gòu)是服務(wù)化架構(gòu)。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元發(fā)展為了網(wǎng)絡(luò)功能，技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)流程選擇所需功能，從而進(jìn)行信令交互。在完成控制面流程后，技術(shù)人員可以利用業(yè)務(wù)系統(tǒng)、終端系統(tǒng)等構(gòu)建用戶面IP通道，從而減少數(shù)據(jù)處理過程中的網(wǎng)元，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延性。5G網(wǎng)絡(luò)控制面的架構(gòu)較為復(fù)雜，技術(shù)人員需要通過有效方式完善網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4.2 優(yōu)化鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方案

近年來，我國不斷研究網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將3G技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?G技術(shù)，又將4G技術(shù)發(fā)展為5G技術(shù)，為用戶通信提供了支持。相比于公共網(wǎng)絡(luò)，鐵路專網(wǎng)當(dāng)中的用戶以及產(chǎn)業(yè)鏈相對較少，所以鐵路企業(yè)在應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要利用多模終端轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)制式這種方式，從而降低網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的難度。同時(shí)，鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)當(dāng)中應(yīng)用了GSM-R系統(tǒng)的用戶終端，也應(yīng)用了有線調(diào)度系統(tǒng)的固定終端，技術(shù)人員需要將這些終端與5G專網(wǎng)MC系統(tǒng)當(dāng)中的終端結(jié)合起來，從而落實(shí)語音業(yè)務(wù)。5G專網(wǎng)的MC系統(tǒng)中無論是語音業(yè)務(wù)還是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)的本質(zhì)都是數(shù)據(jù)資源，但是數(shù)據(jù)內(nèi)容不同。技術(shù)人員需要利用有效措施實(shí)現(xiàn)GSM-R系統(tǒng)與5G專網(wǎng)的連接。第一，技術(shù)人員需通過有效措施實(shí)現(xiàn)GSM-R系統(tǒng)移動(dòng)用戶與5G專網(wǎng)移動(dòng)用戶的語音業(yè)務(wù)連接。在這一過程中，技術(shù)人員應(yīng)將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的交換中心設(shè)備連接起來，并提升MC系統(tǒng)的兼容性，也需要在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中應(yīng)用不同號(hào)段的用戶號(hào)碼，從而簡化用戶通信流程[7]。第二，技術(shù)人員需通過有效措施實(shí)現(xiàn)鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)固定用戶與5G專網(wǎng)固定用戶的語音業(yè)務(wù)連接。在鐵路調(diào)度通信過程中，可以利用通信業(yè)務(wù)呼叫調(diào)度人員、列車司機(jī)等人員。技術(shù)人員可以在多媒體調(diào)度系統(tǒng)與有線調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用不同的ISDN 號(hào)段，從而區(qū)分兩個(gè)系統(tǒng)的用戶。

在實(shí)際通信過程中，調(diào)度人員可以通過車次功能號(hào)的方式呼叫列車，但是這種方式無法根據(jù)號(hào)段對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。因此，本文將對這一情況進(jìn)行分析。首先，利用多媒體調(diào)度臺(tái)發(fā)起呼叫。如果多媒體調(diào)度系統(tǒng)無法判斷用戶所處的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)便不能根據(jù)號(hào)段分析用戶是利用5G網(wǎng)絡(luò)注冊的還是利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊的。技術(shù)人員可以利用雙發(fā)這種方式同時(shí)為5G網(wǎng)絡(luò)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送車次功能號(hào)，并利用智能網(wǎng)設(shè)備分析車次功能號(hào)的情況。其次，利用有線調(diào)度臺(tái)發(fā)起呼叫。在構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)人員需同步構(gòu)建有線調(diào)度系統(tǒng)，避免出現(xiàn)利用有線調(diào)度臺(tái)呼叫5G用戶的情況。

5 結(jié)語

技術(shù)人員需要根據(jù)鐵路業(yè)務(wù)的特點(diǎn)與需求應(yīng)用集群通信技術(shù)，構(gòu)建完善的鐵路5G專網(wǎng)集群通信系統(tǒng)架構(gòu)，確保系統(tǒng)架構(gòu)中含有MC業(yè)務(wù)、公共管理、會(huì)話初始協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)庫等模塊。技術(shù)人員需要根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方案，提高鐵路移動(dòng)通信的質(zhì)量。