铁路5G专网集群通信技术方案设计

林基锋

(中国电信股份有限公司惠州分公司，广东 惠州 516000)

0 引言

在铁路运输过程中，应用专用移动通信系统可以增强铁路运输的安全性与稳定性。在5G技术不断完善的背景下，将5G技术应用在铁路专网中，为移动通信提供支持。

1 铁路中的关键业务

1.1 铁路调度通信业务

铁路调度通信业务包括诸多内容，例如列车调度、动车调度、客运调度、货运调度等。业务应用涉及了很多终端，如移动终端与固定终端之间的组呼、移动终端等[1]。在进行列车调度通信时，相关人员需要利用专用的通信设备进行语音联系并进行行车等方面的信息提示。列车调度通信的专业术语是“车机联控”，且这一术语被应用在了无线列车调度系统、GSM-R系统等诸多系统当中，为列车调度通信提供了便利。GSM-R系统具有多种功能，常用功能为位置寻址、矩阵接入等，可以根据铁路调度通信业务的场景以及需求提升服务质量，保障铁路调度通信的科学性。

1.2 铁路列车控制业务

在铁路运行过程中，工作人员需要对铁路列车进行控制。几年前，高速铁路开始应用以GSM-R系统为基础的CTCS-3级列控系统。GSM-R系统应用了电路交换数据业务通道，可以为列车控制系统提供大量的数据。与列车调度通信业务相同，列车控制业务也属于电路域业务。电路域采用了电路交换技术，具有低时延、小数据量等优势。以GSM-R系统为基础的电路域技术基本符合铁路业务的需求，可以为列车调度通信业务、列车控制业务提供助力。5G网络是以分组域架构为基础的网络技术，而分组域架构中应用了包交换方式，可以促进业务数据的共享[2]。在5G技术不断发展的过程中，铁路企业应意识到只有不断优化业务技术才能符合5G技术的要求。

2 集群通信技术

2.1 MC技术

MC技术即关键业务技术，又被称为关键业务一键通技术，是在分组无线网络基础上形成的语音集群通信技术。从特定行业的角度来看，MC技术可以根据行业需求进行调度指挥，是专用的无线通信技术。相比于其他集群通信技术，MC技术具有快速建立语音、快速抢占语音、利用少量无线信道为大量用户提供服务等特点。MC技术是在IMS技术的基础上发展而来的，对IMS技术的网络结构进行了优化，所以具备低时延、建网难度小等优势。在铁路移动通信中，应用MC技术可以提升位置上报质量、增强发言权的控制性、对呼叫进行优先级划分。此外，MC技术可以为多种应用场景提供支持，例如关键数据业务场景、关键语音业务场景以及关键视频业务场景。所以，相关组织将MC技术融入4G标准体系，并完善了4G技术的数据业务与视频业务，之后又将MC技术融入5G网络架构。

2.2 VoLTE技术

IMS系统即IP多媒体子系统，指的是能够满足多样化业务应用需求的系统。IMS系统可以在分组承载网络的情况下开展数据业务、语音业务以及视频业务，也可以与现有的电路域网络相连接[3]。VoLTE技术指的是以IMS为基础的语音业务技术。在4G网络中，应用VoLTE技术不仅可以提高数据业务质量，也可以为人们提供高质量的音视频通话。在VoLTE技术当中，IMS系统包括诸多功能，例如VoLTE应用服务功能、代理会话控制功能、会话边界控制功能等。首先，VoLTE技术中的P-CSCF是最关键的接入节点，具有代理会话初始协议的功能。其次，VoLTE技术中的S-CSCF与I-CSCF可以为业务注册提供服务，也可以控制会话。最后，VoLTE-AS中含有大量的业务逻辑，可以为语音通信提供大量的媒体资源，也可以为语音业务以及视频业务提供支持。此外，HSS具有信息存储等功能，可以存储用户、业务等信息。同时，IMS系统的边界中也含有SBC，可以实现用户与系统的连接。

当前，常用的4G网络中含有诸多网元，例如无线接入网、应用网络网关等。但5G网络技术只能为数据业务提供支持，无法为语音业务提供支持。在5G网络技术中开展语音业务需要利用VoLTE技术，该技术属于4G网络中的技术，所以以5G网络技术为基础的语音业务被称之为VoNR[4]。

3 铁路5G专网集群通信系统构建

铁路企业技术人员需要根据相关标准分析网络集群通信技术，并构建铁路5G专网集群通信系统(见图1)。以5G网络与MC技术为基础的铁路集群通信系统包括无线网络系统、5G核心网络系统、MC移动终端以及MC集群通信系统等子系统。其中，MC集群通信系统包括诸多模块，例如公共管理模块、MC业务模块等，可以完善整个系统的功能。MC集群通信系统内部主要利用超文本传输协议等协议与5G网络进行交互。在铁路5G专网集群通信系统中，MC集群通信系统与铁路多媒体调度系统之间是相互连接的，可以为固定用户与移动用户之间的通信提供支持。同时，铁路多媒体调度系统具有较强的兼容性，可以容纳MC集群通信系统的协议以及接口。

图1 铁路5G专网集群通信系统

3.1 MC业务模块

MC业务模块主要是由多播业务、MC业务服务器以及MC业务客户端共同构成的，其关键作用是业务应用，可以对语音业务、数据业务以及视频业务进行控制。(1)多播业务可以为无线通信系统的运行提供支持，从而通过广播等形式展现业务数据流。相关标准中对以LTE为基础的多播业务进行了明确规定，但以5G网络为基础的多播业务还没有统一的标准。(2)MC业务服务器可以促进MC业务的实现。在相同组的MC客户端应用的是相同的MC业务服务器，在不同组的MC客户端可以应用不同的MC业务服务器。在MC业务服务器当中，可以将MC组管理应用在控制组通信的多播功能以及单播功能中。(3)MC业务客户端处于终端侧，可以为系统提供终端设备的具体位置。

3.2 公共管理模块

公共管理模块属于公共逻辑功能实体，包含了诸多业务，例如MC-Data业务等。公共管理模块的功能较为完善，可以对MC业务进行配置，也可以对业务进行位置管理、密钥管理。在设计过程中，技术人员需要利用C/S架构完善公共管理模块，从而完善该模块的各项功能。(1)MC业务配置管理功能。工作人员可以利用公共管理模块的这一功能对MC业务信息进行优化配置。(2)组管理功能。工作人员可以利用该功能管理系统用户群组，为终端用户提供各种策略与信息，例如呼叫控制信息等，以便终端用户进行呼叫控制。(3)密钥管理功能。工作人员可以利用这一功能存储密钥并为用户提供密钥信息，以便用户利用密钥维持信令的完整性[5]。(4)位置管理功能。位置管理功能的作用相对较多，可以接收用户的位置信息，也可以存储用户的位置信息、为服务器提供用户的位置信息。同时，该功能也可以通过5G网络直接获取用户的位置信息。用户的位置信息包括诸多内容，例如用户的具体位置、终端设备的经纬度等。在铁路系统中，工作人员可以利用位置管理功能获取列车的线路信息、公里标信息。

3.3 会话初始协议模块

会话初始协议模块是MC集群通信系统的关键，可以为业务注册、业务选择等工作提供支持。同时，会话初始协议模块也可以对相关数据、信息、注册标识进行严格管理。会话初始协议模块与公共管理模块、MC业务模块以及用户数据库模块都应用了会话初始协议，可以对相关协议进行控制。技术人员需要根据外部系统中的协议为会话初始协议模块配置相应的处理功能。同时，也需要利用HTTP/TCP协议实现MC系统与5G网络的连接，完善二者的策略控制功能。利用移动应用部分协议与信令用户部分协议实现MC系统与GSM-R系统的连接。

4 铁路5G专网集群通信技术方案

4.1 在功能服务的基础上完善网络架构

相比于4G网络架构，5G网络架构出现了一定的变化，例如其载体是网络功能虚拟化、其架构是服务化架构。同时，5G网络的网元发展为了网络功能，技术人员可以根据实际业务流程选择所需功能，从而进行信令交互。在完成控制面流程后，技术人员可以利用业务系统、终端系统等构建用户面IP通道，从而减少数据处理过程中的网元，增强网络的低时延性。5G网络控制面的架构较为复杂，技术人员需要通过有效方式完善网络架构。

4.2 优化铁路调度通信业务实现方案

近年来，我国不断研究网络技术，将3G技术转变为了4G技术，又将4G技术发展为5G技术，为用户通信提供了支持。相比于公共网络，铁路专网当中的用户以及产业链相对较少，所以铁路企业在应用5G网络时需要利用多模终端转换网络制式这种方式，从而降低网络应用的难度。同时，铁路调度通信业务当中应用了GSM-R系统的用户终端，也应用了有线调度系统的固定终端，技术人员需要将这些终端与5G专网MC系统当中的终端结合起来，从而落实语音业务。5G专网的MC系统中无论是语音业务还是数据业务、视频业务的本质都是数据资源，但是数据内容不同。技术人员需要利用有效措施实现GSM-R系统与5G专网的连接。第一，技术人员需通过有效措施实现GSM-R系统移动用户与5G专网移动用户的语音业务连接。在这一过程中，技术人员应将两个网络系统中的交换中心设备连接起来，并提升MC系统的兼容性，也需要在两个网络系统中应用不同号段的用户号码，从而简化用户通信流程[7]。第二，技术人员需通过有效措施实现铁路调度通信系统固定用户与5G专网固定用户的语音业务连接。在铁路调度通信过程中，可以利用通信业务呼叫调度人员、列车司机等人员。技术人员可以在多媒体调度系统与有线调度系统中应用不同的ISDN 号段，从而区分两个系统的用户。

在实际通信过程中，调度人员可以通过车次功能号的方式呼叫列车，但是这种方式无法根据号段对网络进行准确区分。因此，本文将对这一情况进行分析。首先，利用多媒体调度台发起呼叫。如果多媒体调度系统无法判断用户所处的网络状态便不能根据号段分析用户是利用5G网络注册的还是利用GSM-R网络注册的。技术人员可以利用双发这种方式同时为5G网络与GSM-R网络发送车次功能号，并利用智能网设备分析车次功能号的情况。其次，利用有线调度台发起呼叫。在构建5G网络系统时，技术人员需同步构建有线调度系统，避免出现利用有线调度台呼叫5G用户的情况。

5 结语

技术人员需要根据铁路业务的特点与需求应用集群通信技术，构建完善的铁路5G专网集群通信系统架构，确保系统架构中含有MC业务、公共管理、会话初始协议、用户数据库等模块。技术人员需要根据系统架构优化铁路调度通信业务实现方案，提高铁路移动通信的质量。