基于关键业务通信机制的铁路智能调度通信技术研究

郭强亮,李 辉,闫晓宇,李春铎,王开锋

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081； 2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081)

1 概述

铁路通信网络是保障铁路运输安全生产的重要手段，在经济社会发展中发挥着巨大的作用。其中，调度通信作为铁路通信网中最为重要的专用通信系统和最能突显铁路通信特色的技术，一直是该领域的研究与应用热点。

目前，国内外高速铁路主要采用GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway，铁路专用数字移动通信系统)作为车地无线通信网络，通过GSM-R和FAS(Fixed user Access System，固定用户接入交换系统)相结合的方式，实现一种基于电路域的语音业务调度通信，为铁路安全运营做出了重要的贡献。

然而，随着移动通信技术的快速发展和产业的更新换代，GSM-R系统在未来将面临失去设备维护和技术支持的难题；此外，由于高速铁路的迅速发展和构建“智慧”铁路的需要，对铁路通信提出了全新的需求，是GSM-R系统所无法满足的。因此，探索铁路下一代移动通信技术已迫在眉睫[1]。国内外研究机构和组织在理论研究以及实际应用方面做出了大量引人注目的工作[2-8]。概括而言，主要研究LTE(Long Term Evolution Mobile Communication System，长期演进移动通信系统)、5G(5th-Generation Mobile Communication System，第五代移动通信系统)、IoT(The Internet of Things，物联网)等新技术在未来铁路通信中的应用。

宽带化、IP化、智能化成为未来铁路移动通信技术的必然趋势，既有基于电路域的调度通信技术将不再适用，迫切地需要研究相适应的调度通信技术。

2 铁路下一代智能调度通信需求分析和技术对比

2.1 需求分析

随着通信技术在富媒体化、智能化等方面的飞速发展，智能铁路对铁路调度通信提出了全新的需求，包括以下几个方面。

(1)智能调度通信：实现支持语音、视频及数据的多媒体调度通信，将极大满足智能铁路的全新需求，促进铁路信息化多领域、多场景的全面发展。

(2)智能养护维修：支持调度指挥人员、现场养护维修人员、车站管理人员之间的多媒体通信，实现远程养护维修，及时解决问题。

(3)列车组智能通信：实现列车长、乘警、机械师、列车员之间的多媒体通信，提升沟通效率。

(4)应急智能通信：实现应急现场移动终端与值班台之间的语音、数据、视频等多媒体通信，及时有效获取应急现场情况，提升应急指挥效率。

(5)多媒体融合调度：实现调度员可以实时调看司机监控视频，司机调看车站视频等功能，提供更丰富的信息交互，为调度指挥提供更全面的支撑。

2.2 技术对比

在基于IP的通信技术发展方面，VoIP(Voice over Internet Protocol，基于IP的语音传输)、VoLTE(Voice over LTE，基于LTE的语音传输)、VoWiFi(Voice over WiFi，基于WiFi的语音传输)已经在公网领域实现大规模商用，实现了端到端的基于分组域的语音和视频通信业务。但对比铁路调度通信的具体需求，这些技术不提供组呼、抢占、强插强拆以及多优先级等铁路调度通信的必要功能。

在集群通信技术发展方面，B-TrunC(Broadband Trunking Communication，宽带集群通信)是一种基于TD-LTE的“LTE数字传输+集群语音通信”专网宽带集群系统标准，由中国通信标准化协会发起。目前，B-TrunC在我国地铁等领域集群通信方面有所应用。2016年3月起，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)陆续推出基于关键业务通信机制的系列标准：MCPTT(Mission Critical Push To Talk，关键语音业务)、MCData(Mission Critical Data，关键数据业务)和MCVideo(Mission Critical Video，关键视频业务)。MCX(MCPTT、MCData和MCVideo的统称)使用了基于IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统)架构的实现方案，综合了大带宽、低延迟、易于大规模建网等众多优点，涵盖了组管理、位置管理、组通信，以及数据和视频通信功能等需求，适用于执行关键业务的场景，成为未来集群呼叫的主要发展方向[9-11]。

与B-TrunC相比，MCX在业务与承载分离、支持多种通信制式、支持多播技术、对GSM-R的支持能力等方面具有显著优势；此外，3GPP是全球移动通信标准组织，所以，MCX具有更好的互通性和接口开放性[12-18]。基于以上优势，MCX技术更适合作为实现铁路下一代移动通信系统中调度通信的解决方案。

3 系统架构与设计

3.1 基本架构

基于关键业务通信机制的铁路智能调度通信系统架构如图1所示，主要由用户设备、承载网络、关键业务系统和有线调度通信系统4个部分组成。

图1 基于MCX的铁路智能调度通信系统架构

(1)用户设备。用户设备包括机车综合无线通信设备(CIR)，以及通用手持终端(GPH)、作业手持终端(OPH)等终端设备，以无线方式接入移动通信网络，为用户提供调度通信服务。作为MCX客户端，用户设备需要运行专门的客户端应用程序，用于实现关键业务服务。

(2)承载网络。承载网络作为无线通信的基础平台，是一种基于IP的通信网络，提供无线数据传输链路和服务，如5G、LTE、WiFi、IoT等。只要是基于IP的数据域系统，均可作为关键业务实现的承载网络，这使得所设计的关键业务系统具有很强的兼容性和扩展性。

(3)关键业务系统。关键业务系统负责整个调度系统的会话控制和管理，是调度通信实现的核心。在架构设计方面，该系统基于IMS架构，并遵循3GPP关键业务相关规范进行设计。关键业务系统作为应用业务实体存在于承载网络的应用业务侧。

(4)有线调度通信系统。有线调度通信系统是指调度员、值班员等固定用户所使用的调度通信系统，以有线的方式接入整个调度通信系统。该系统是一种基于IP的调度通信系统，与关键业务系统之间通过MCX-1接口进行交互，提供全IP的调度通信服务。

3.2 关键业务系统设计

关键业务系统是整个铁路调度通信系统实现的核心。如图2所示，按照层次划分，关键业务系统包括SIP核心(SIP core)和关键业务服务器(MCX AS)两部分。关键业务系统架构设计以关键通信机制和IMS架构为基础，并按照功能划分、信令面和数据面分离、易于并行开发和后续扩展为原则，规划设计各子系统模块，且各接口统一标准，保障系统具备良好的扩展性、可靠性和兼容性。

图2 关键业务系统架构

SIP core用于实现信令面SIP消息的注册、服务选择和路由，包含呼叫会话控制功能(CSCF)、SIP数据库(SIP database)等部分。SIP数据库包含SIP订阅、SIP core所需的认证和鉴权，以及应用服务选择等信息。

MCX AS用于关键语音、数据、视频的管理和控制。MCX AS主要包括：MCX 服务器(MCX server)、公共服务核心(CSC)和MCX用户数据库(MCX user database等)。该系统涉及多种先进通信协议，主要包括：SIP、HTTP、Diameter、RTP、RTCP等。

其中，MCX server可细分为MCPTT server、MCData server、MCVideo server，分别完成基于语音、数据、视频调度业务的控制和处理。CSC实现关键业务的配置、群组、身份、密钥、位置、功能号、迁移等管理。MCX user database用于存储关键业务用户配置文件等数据。

3.3 优越性分析

(1)提供多媒体调度通信服务

较既有纯语音调度通信而言，铁路下一代智能调度通信系统能够提供基于语音、视频、数据的多媒体调度通信服务，将极大地满足智能铁路的发展需要，特别是智能运维、智能调度、远程指挥、应急通信等场景。此外，铁路下一代智能调度通信系统支持自定义调度通信业务，有利于针对不同用户角色提供多样化的通信服务。

(2)兼容多种通信制式

既有GSM-R网络下的调度通信是一种基于电路域的语音调度通信，调度业务与GSM-R承载网络耦合关系过于紧密。基于MCX的调度通信系统架构，是一种基于分组域的实现方式，且有效实现了业务和承载解耦，使得调度业务的实现能够独立于承载网络，进而能够兼容5G、LTE、WiFi、IoT等制式的全IP的通信网络，如图3所示。在与不同制式网络的核心网进行通信时，可通过相应的通信接口完成交互。

图3 智能调度通信系统对承载网络兼容性

(3)支持通信系统平滑升级

通信系统的平滑升级是系统投入实际应用的关键问题。在3GPP的Release 14和15规范中，已经考虑了MCPTT对GSM-R的支持能力[12]。MCX调度通信系统自身基于分组域，当接入既有GSM-R等电路域通信系统时，可通过设计相应的网关单元，实现新旧通信协议的转换，进而保障整个通信系统的平滑升级。

(4)降低再次换代升级成本

当未来铁路通信系统向下下一代网络演进时，调度通信系统的换代升级成本将是重点考虑的方面。由于MCX技术具备多通信制式的兼容性，以及业务与承载解耦等特性，且符合未来通信技术的发展趋势，当未来铁路通信系统再升级时，基于MCX的调度通信系统仅需要关注与承载网络的通信接口等内容，而不涉及调度通信系统本身的结构，进而能够大大降低未来再升级的成本。

4 关键技术

4.1 呼叫控制与媒体传输

(1)呼叫控制

呼叫控制主要包括呼叫会话业务的建立和释放过程。语音和视频等呼叫类业务均通过SIP协议实现呼叫控制流程[16-18]，简化流程示意如图4所示。

图4 语音和视频呼叫控制流程

呼叫建立主要通过SIP INVITE和200OK等消息实现会话信息传递和媒体协商；交互SIP ACK消息后，会话引导完成，媒体会话建立，开始媒体数据传输过程；呼叫释放主要通过SIP BYE消息实现。

(2)语音话权控制

在铁路调度通信业务中，特别是语音组呼，除调度员角色之外的其他组内成员通过话权抢占的方式获取发言权限。如图5所示，采用RTCP协议实现话权协商与控制[19]。

图5 语音话权控制

概括而言，话权申请根据“先到先得”的原则进行处理。实际中，当话权处于被占用状态时，有其它一个或多个用户请求话权时，则需要根据先后顺序进行排队，由服务器负责维护排队信息；有用户撤销请求时，则将该用户从排队中删除；当占用者释放话权后，由服务器仲裁，授予处于排队首部用户获得话权。

(3)视频传输控制

在铁路调度通信业务中，视频业务较语音和数据业务而言，占用网络资源多，特别是当存在大量多媒体调度并发时，容易造成网络阻塞，进而影响数据传输的实时性。因此，为了保障调度业务稳定性和资源分配合理性，需要对视频业务的传输进行管理和控制。

视频组呼建立完成后，各组内成员默认暂不向服务器发送本地视频，也不接收远端其他组内成员发来的视频，需要通过相应的发送视频和接收视频等请求，由服务器统一控制和管理视频流媒体的传输开关和方向[20]，如图6所示，采用RTCP协议实现话权协商与控制。

图6 视频传输控制

(4)数据传输控制

数据业务主要包括短消息传输和文件传输，均可分为点对点和点对多点传输方式，主要通过SIP和HTTP协议实现传输与控制[21]。短消息一般用于传输即时消息数据，文件传输一般用于传输图片、文件等数据。在铁路调度通信业务中，数据业务可用于实现即时通信、行车计划收发、工单发布等功能。

4.2 铁路特定业务相关技术

(1)群组管理

铁路调度通信大多是基于群组的通信方式，因此，群组管理是铁路调度通信实现集群通信的必需环节，主要包括组附属和去附属、组订阅和通知。

①组附属和去附属

当用户终端需要附属到某些组或者去附属某个组或某些组时，需要发起相应的请求，由服务器中的组管理服务器完成该用户与该组标识的绑定和解绑。

②组订阅和通知

组订阅和通知主要用于动态维护和通知组的状态。当组呼建立后，终端主动订阅该组的信息，组状态发生变化时，服务器将组状态信息通知给订阅者。

(2)功能号管理

功能寻址是一种基于用户角色的呼叫，属于铁路特定呼叫业务。相关的功能号管理环节主要涉及功能号注册、注销和查询。

①功能号注册与注销

当用户终端需要注册或注销某功能号时，在请求消息体中携带用户的MC标识和所要注册或注销的功能号码，由服务器实现将功能号码与MC标识的绑定或解绑。

②功能号查询

当用户终端需要查询已注册的功能号时，发送功能号查询请求，并在消息体中携带其MC标识，MCX服务器检索该MC标识已注册的功能号，并返回给终端。

(3)位置管理

位置寻址是一种重要的铁路特定呼叫业务。相关的位置管理环节主要包括位置配置、位置上报和位置查询。

①位置配置

在用户完成登录后，MCX服务器主动下发位置配置消息，用于规定用户位置上报触发的条件和周期，以及需要上报的内容等信息。

②位置上报

终端根据位置配置的要求，当满足触发上报条件或上报周期时，主动上报自身的位置信息，由MCX服务器接收并更新该终端的位置信息。

③位置查询

MCX服务器可以随时请求查询用户位置信息，用户收到查询请求后随时上报自身的位置信息。

5 结语

针对铁路下一代移动通信的调度通信问题，研究3GPP关键业务通信机制，提出了一种与承载网络无关的铁路智能调度通信系统架构，并针对该系统的核心部分，给出了关键业务系统的设计方案；在此基础上，探究了呼叫控制、媒体传输与控制、群组管理、功能号管理以及位置管理等关键技术的实现方法。

综上所述，基于关键业务通信机制的铁路智能调度通信系统解决方案，具有可行性和前瞻性，能够为铁路下一代移动通信技术的发展提供有力支撑，将推动我国铁路在信息化、智能化等方面的发展。