5G-R和GSM-R网络列车调度通信业务平滑过渡方案研究
时间：2022-12-08 21:30:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张馨丹,李 辉,郭强亮
(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081；
2.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)
铁路列车调度通信作为铁路行车指挥的重要组成部分，在维护列车运行秩序、提高运输能力、降低安全风险等方面具有重要作用。目前，我国铁路采用GSM for Railway(GSM-R)作为车地无线通信网络[1]，GSM-R属于窄带数字移动通信技术，通信容量和传输速率小，随着铁路业务拓展，现有通信网络已无法满足铁路调度通信需求[2]。国铁集团采用5G for Railway(5G-R)作为铁路新一代移动通信系统展开了系统研究、测试、试验等工作。5G具有大带宽、高密度、高可靠低时延等特性，这为构建“智慧”铁路提供了更多可能[3-4]。
在新一代铁路移动通信系统建设过程中，5G-R与GSM-R网络共存将持续较长时间。目前，国内外研究机构和组织的理论研究集中在关键语音业务(MCPTT)、关键数据业务(MCData)、关键视频业务(MCVideo)、宽带集群通信(B-TrunC)等新技术在新一代铁路移动通信系统中的应用，对于双网络共存阶段不同网络间业务的互联互通研究不足。网络互联互通存在以下困难：①GSM-R属于在用设备，可改动空间很小；
②GSM-R网络和5G-R网络基站位置及小区划分不同；
③GSM-R基于电路域和5G-R基于分组域的业务流程和具体信令不同。因此，解决5G-R和GSM-R在应用层面的互联互通和平滑过渡问题十分迫切。
基于5G-R与GSM-R网络并存时期调度通信业务互联互通的需求，提出了调度通信业务系统架构，并针对语音个呼、语音组呼、功能寻址、基于位置寻址等关键业务研究制定了通信流程，进而提出调度通信平滑过渡技术方案及建议。
2.1 双网络共存时期场景分析
在铁路新一代移动通信系统建设的不同阶段，5G-R和GSM-R网络共存场景不同，从而铁路调度通信业务互联互通的需求不同。随着建设进程推进，主要包括以下3种场景。
(1)同一线路双网络覆盖
在5G-R系统建设起步阶段，存在同一线路双网络短期共存的场景，即同一线路既有5G-R覆盖又有GSM-R覆盖。当5G-R网络运行稳定，具备开通条件后，终端优先连接5G-R网络，GSM-R再退出服务。
(2)线路双网络交替覆盖
在5G-R系统规模建设阶段，将形成5G-R网络和GSM-R网络在不同线路交替覆盖的场景，该场景持续时间较长。该场景下，移动终端在不同线路连接不同网络。
(3)5G-R网络连续覆盖
在5G-R系统建设完成后，全路实现5G-R网络连续覆盖，届时GSM-R网络完全退出铁路通信网，铁路通信系统完成更新换代。
综上所述，针对铁路通信系统升级阶段双网络共存的不同场景[5]，为实现调度通信平滑过渡，需要网络支持以下两种需求：①移动终端支持双模，且具备自动或手动选择不同网络的功能；
②5G-R网络与GSM-R网络的调度通信业务互联互通。此外，由于既有GSM-R网络系统设备标准和功能已经固化，且属于在用设备，在考虑双网络互联互通时，应尽量以新设备适配老设备、减少改动既有设备为原则进行方案设计。
2.2 5G-R下调度通信系统架构
现有铁路无线调度通信业务由GSM-R系统承载。移动交换中心(MSC)负责处理或疏通无线用户之间、无线用户与有线用户之间的业务[6]，用于建立业务信道和交换信令信息；
固定用户接入交换机(FAS)负责有线用户调度通信业务，具备电路交换功能[7]；
智能网系统(GSM-SCP)进行智能业务处理，全网统一部署[8-9]。
铁路新一代智能调度通信业务由5G-R系统承载，主要通过宽带集群通信设备(MCX)实现。MCX由SIP核心(SIP Core)和MC应用服务(MCX AS)组成，主要负责信令面消息的注册、路由等以及语音、视频和数据业务的管理与控制；
有线多媒体调度系统(MDS)负责有线调度用户[10-12]；
5G智能网(5G-SCP)全路统一部署，承担智能网业务。在5G-R和GSM-R双网络并存时期，系统整体架构如图1所示[13]。5G-R网络与GSM-R网络互联互通接口总结如下。
(1)MCX/MDS系统设置Time Division Multiplexing(TDM)接口网关，负责分组域与电路域信令转换。
(2)MCX/MDS与MSC之间通过E接口互联，采用ISUP协议，负责处理跨网络业务。
(3)MCX与GSM-SCP通过L接口互联，用于MCX二次查询GSM-R智能网。
(4)MCX/MDS与FAS通过PRI接口互联，实现与有线调度系统的信令交互和业务互通。
图1 调度通信互联互通系统架构
3.1 语音个呼业务3.1.1 5G-R用户呼叫GSM-R/FAS用户
(1)呼叫流程
呼叫流程如图2所示。
图2 5G-R用户呼叫GSM-R用户流程
①5G-R用户向MCX发起语音个呼，被叫为GSM-R/FAS用户，消息中包含被叫用户MSISDN/ISDN号码；
②MCX根据被叫号码，判别用户所处网络和提供服务的服务器信息，若被叫用户为GSM-R或FAS用户，MCX通过TDM网关，将呼叫信令发送至相应的MSC服务器或FAS服务器；
③MSC/FAS服务器收到来呼信令后，按照相应流程处理后续呼叫，并反馈给MCX系统[14]。
(2)实现条件
①MCX系统需预配置GSM-R用户和FAS用户号段信息，MCX系统能够根据被叫号码，判别用户所处的网络和提供服务的服务器信息。
②MCX系统设置TDM网关，能够与MSC和FAS系统通过相应的协议进行互联互通。
③MSC/FAS系统收到来自TDM网关的呼叫信令后，能够按照相应流程处理后续呼叫。
3.1.2 GSM-R用户呼叫5G-R/MDS用户
(1)呼叫流程
与5G-R用户呼叫过程类似，呼叫流程如图3所示。
图3 GSM-R用户呼叫5G-R用户流程
(2)实现条件
与5G-R发起个呼类似，但GSM-R网络需预配置5G-R用户和MDS用户号段信息，并能够将呼叫发送至被叫用户所在服务器。
3.2 语音组呼业务
由于5G-R下基于MCX的集群通信能够支持多样化语音组呼类型，如预定义组呼、自定义组呼等，而目前既有GSM-R网络实现的是一种基于区域的预定义组呼，因此，仅对基于区域的预定义组呼互联互通进行分析[15-16]。
3.2.1 5G-R用户发起有GSM-R用户参与的语音组呼
(1)语音组呼建立流程
语音组呼建立流程如图4所示。
图4 语音组呼建立流程
①移动终端向MCX发起语音组呼，消息中包含组ID[17]；
②MCX根据组ID和主叫位置信息，查询组管理服务器GMS得到组呼属性，组织组呼所涉及的系统内成员，如组呼涉及外部系统，则继续将组呼请求发送至外部系统；
③当该组呼涉及GSM-R系统时，MCX通过TDM网关，将组呼请求发送至相应的MSC；
④MSC收到组呼请求后，查询组呼寄存器GCR并按照相应流程处理后续语音组呼。
(2)语音组呼话权抢占流程
语音组呼话权抢占流程如图5所示。
图5 语音组呼话权抢占流程
5G-R网络MCX系统的话权抢占协议与GSM-R网络不同，如实现由主控统一处理话权抢占，则需两种话权抢占协议实现互通；
如各自系统负责内部话权控制，话权抢占协议可不互通，但存在两个系统分别都有一个移动终端都抢到话权的情况。
(3)实现条件
①在双网络交界区域，对同时涉及5G-R用户和GSM-R用户的组呼，在两网络中设置相同或均能处理的预配置组信息。
②MCX与MSC之间的交互信息和流程类似于两个MSC之间或FAS与MSC之间的交互。
③MCX和MSC分别负责各自系统内的组呼成员组织，在系统间进行交互。
④完整的话权控制，需要两个网络话权控制协议实现互通。
3.2.2 GSM-R用户发起有5G-R用户参与的语音组呼
(1)语音组呼建立流程
与5G-R用户发起组呼流程类似，其中，MSC判定该组呼涉及外部MCX系统，需将组呼请求进一步发送至MCX系统处理。
(2)语音组呼话权抢占流程
与5G-R用户发起的组呼通话流程类似，话权抢占由主控统一处理或各自系统分别负责。
(3)实现条件
与5G-R用户发起组呼的实现条件类似。为尽量减少对于既定GSM-R系统的变动，MSC与MCX之间的交互信息和流程与两个MSC之间或MSC和FAS之间的交互类似。
3.3 功能寻址业务
在GSM-R网络中，由共用智能网GSM-SCP提供功能号操作及功能寻址服务[18]；
由于5G网络是基于IP的分组域网络，既有电路域的相关信令和协议已经不再适用，因此，在5G-R系统中独立设置5G-SCP智能网，负责5G下的功能号操作及功能寻址服务。
3.3.1 MDS用户功能寻址呼叫GSM-R/FAS用户
(1)呼叫流程
MDS用户向MCX服务器发送功能寻址呼叫请求，MCX依次通过5G-SCP、GSM-SCP进行功能寻址查询；
GSM-SCP查询到该被叫功能号对应的用户MSISDN/ISDN号码后，通过VLR和MSC查询被叫用户所处小区位置，进行基于位置的呼叫限制校验，确认被叫用户号码后反馈至MCX服务器，MCX根据跨网用户语音个呼流程继续后续呼叫。呼叫流程如图6所示。
图6 MDS用户发起功能寻址流程
(2)实现条件
①MCX与5G-SCP和GSM-SCP均互联，MCX具备二次查询功能，即优先向5G-SCP查询，查询不到功能号时，再次向GSM-SCP查询功能号。
②由于有线调度终端发起的功能寻址需校验基于位置的呼叫限制，因此，GSM-SCP需预配置MDS用户管辖的GSM-R小区范围，用于判别主叫MDS用户和被叫GSM-R用户位置呼叫限制关系。
(3)其他方案
上述方案通过MCX进行二次查询，除此之外，可以考虑通过MCX查询失败后由MSC进行查询实现功能寻址业务互联互通，即MCX通过5G-SCP功能寻址查询失败后，MCX将功能寻址呼叫发送至MSC，由MSC接续呼叫并在GSM-SCP进行查询，通过基于位置的呼叫限制确认被叫用户号码后，MSC继续后续呼叫。此方案不需MCX与GSM-SCP直接互联，只需MCX在查询5G-SCP失败后将功能寻址呼叫转发给MSC，并且MSC收到功能寻址呼叫信令后能够按照相应流程继续呼叫。
3.3.2 FAS用户功能寻址呼叫5G-R/MDS用户
(1)呼叫流程
MSC依次通过GSM-SCP、5G-SCP进行功能寻址查询；
5G-SCP对有线调度终端发起的功能寻址呼叫进行基于位置的呼叫限制校验，确认被叫用户号码后反馈至MSC服务器，MSC继续后续呼叫。呼叫流程如图7所示。
图7 FAS用户发起功能寻址流程
(2)实现条件
①MSC与5G-SCP和GSM-SCP均互联，MSC具备二次查询功能，即优先向GSM-SCP查询，查询不到功能号时，再次向5G-SCP查询功能号。
②5G-SCP需预配置FAS用户管辖的5G-R区域信息，用于基于位置呼叫限制校验。
(3)其他方案
除此之外，可以考虑通过MSC查询失败后由MCX进行查询实现业务互联互通，即MSC通过GSM-SCP功能寻址查询失败后，MSC将功能寻址呼叫转移至MCX，MCX在5G-SCP进行查询。此方案不需MSC与5G-SCP直接互联，只需MSC在查询GSM-SCP失败后将功能寻址呼叫转发给MCX，并且MCX收到功能寻址呼叫信令后能够按照相应流程继续呼叫。
第二种方案简化了互联互通的网络架构，降低了跨网用户功能寻址的实现难度。但两种方案均需对GSM-R设备进行大规模调整，考虑到在用设备可改变空间较小，FAS用户功能寻址呼叫5G-R/MDS用户实现难度较大。
3.4 基于位置寻址业务
基于位置寻址主要用于移动用户呼叫固定用户[19]。GSM-R网络中位置寻址主要由GSM-SCP提供服务；
在5G-R网络建设中，为降低共用设备所带来的集中风险，需减少共用设备数量或承担的业务功能，而基于位置的寻址业务仅发生在相应的局部位置区域，因此，5G-R网络中位置寻址业务可由MCX提供服务。基于此，GSM-SCP预配置MDS用户信息，MCX预配置FAS用户信息；
MSC和MCX服务器依据真实用户号码识别被叫用户所处网络并发起呼叫。
3.5 其他业务
(1)数据业务
5G-R网络中MCX系统支持MCData数据业务，该数据业务属于调度通信业务范畴；
GSM-R数据业务由GPRS、短消息业务中心(SMS-SC)等网元承担，GSM-R系统没有调度通信数据业务。因此，GSM-R和5G-R之间不支持调度通信数据业务互联互通。但在5G-R网络中考虑设置独立的短消息服务中心[20]，用于提供5G用户的短消息服务，可考虑两类短消息中心互联，实现5G-R和GSM-R的短消息业务互通。
(2)视频业务
由于GSM-R不支持视频业务，因此，GSM-R和5G-R之间不支持视频业务的互联互通[21]。
综上所述，5G-R和GSM-R网络的互联互通主要集中在调度通信业务上，给出以下调度通信平滑过渡方案及建议，详细方案见表1。该方案根据铁路调度通信呼叫类型和呼叫发起方向进行划分，详细分析了跨网用户之间语音个呼、语音组呼、功能寻址、基于位置寻址等业务的可行性和实现条件。
表1 5G-R与GSM-R网络调度通信平滑过渡方案及建议
本文对于铁路新一代移动通信系统建设时期调度通信场景和业务需求进行了分析，基于5G-R和GSM-R网络架构及调度通信业务需求提出了一种双网络并存阶段调度通信系统架构；
并在此基础上，给出了语音个呼、语音组呼、功能寻址、基于位置寻址业务跨网互联互通的实现方法和信令流程，并阐明了视频业务和数据业务无法互通的原因；
最后，总结出一种调度通信平滑过渡方案并给出建议，该方案在尽可能减少对于既定系统变动的前提上，给出跨网用户之间语音个呼、语音组呼、功能寻址、基于位置寻址等业务的实现方案及建议。综上所述，在5G-R和GSM-R网络共存阶段，调度通信平滑过渡方案对实现两种制式网络之间业务互联互通、保障调度通信安全具有重要意义。
