LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)研究

王 芳邸士萍

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)研究

王 芳1，2邸士萍1

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

簡要介紹國內(nèi)外鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，提出我國的LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括EPC系統(tǒng)、無線接入網(wǎng)和用戶設(shè)備。為實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)，重點分析EPC的構(gòu)成，引入IMS系統(tǒng)。對無線接入網(wǎng)的組成進行描述，并提出用戶設(shè)備的分類和功能需求。對LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)研究具有參考意義。關(guān)鍵詞：LTE-R；系統(tǒng)架構(gòu)；EPC；無線；用戶設(shè)備

1 概述

2011年12月，國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways，UIC）在綜合技術(shù)和產(chǎn)業(yè)等多方面因素后，于第七屆高速鐵路大會上明確提出，鐵路移動通信系統(tǒng)將跨越3G技術(shù)，直接向LTE-R發(fā)展。2014年4月，UIC在土耳其伊斯坦布爾召開的第11屆ERTMS國際會議，提出LTE-R發(fā)展規(guī)劃。2016年3月，UIC發(fā)布未來鐵路移動通信系統(tǒng)用戶需求規(guī)范（Future Railway Mobile Communication System User Requirements Specification，F(xiàn)RMCS URS）V2.0文檔，針對此需求，3GPP啟動了鐵路新一代通信系統(tǒng)調(diào)查，調(diào)查FRMCS URS通過3GPP Release 14的功能能否支持，以及是否需要基于Release 15進行研究，調(diào)查結(jié)束后，將以實現(xiàn)FRMCS URS所需的標準為目標，確定標準化所必須的項目。

UIC關(guān)于鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)需求規(guī)范要分別到2017年和2018年才能發(fā)布，國內(nèi)相關(guān)規(guī)范正處于研究當中，LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)尚未完全明確。本文中的LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)是在對國內(nèi)LTE-R相關(guān)功能和系統(tǒng)需求研究的基礎(chǔ)上提出的，供相關(guān)人員參考。

2 LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)

演進分組系統(tǒng)（Evolved Packet System，EPS）是3GPP標準委員會制定的3G UMTS演進標準，主要包括無線接口長期演進（Long Term Evolution，LTE）和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演進（System Architecture Evolution，SAE）。

整個EPS系統(tǒng)由核心網(wǎng)（EPC，與SAE對等）、基站（eNodeB）和用戶設(shè)備（UE）3部分組成。其中，EPC負責核心網(wǎng)部分，EPC的信令處理部分稱移動性管理實體（MME）；數(shù)據(jù)處理部分稱為服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）；eNodeB負責接入網(wǎng)部分，也稱E-UTRAN；UE指用戶終端設(shè)備。

2.1 EPC系統(tǒng)

鐵路應(yīng)用的EPC系統(tǒng)既需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還需要實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)以及集群調(diào)度業(yè)務(wù)等，因此需要在目前公網(wǎng)應(yīng)用比較成熟的實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的EPC系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上增加實現(xiàn)語音以及集群調(diào)度功能的網(wǎng)絡(luò)單元。

語音業(yè)務(wù)主要有3種解決方案：

電路域回落方案（Circuit Switched FallBack，CSFB），公網(wǎng)中目前主要應(yīng)用的是CSFB方案，嚴格說來，CSFB并不是一種真正的LTE VoIP技術(shù)。在CSFB方案中，終端開機優(yōu)選LTE網(wǎng)絡(luò)，由LTE重選至2G/3G。LTE網(wǎng)絡(luò)不提供話音業(yè)務(wù)時，利用2G/3G提供話音的能力，終端空閑態(tài)駐留在LTE，呼叫建立前需先回落至2G/3G，由其電路域提供話音。

IP多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）方案， IMS是3GPP/3GPP2（移動）和TISPAN/ITU-T（固定）、PacketCable（IPTV）、Wimax定義的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心。2005年Release 6凍結(jié)后，對IMS的功能進行增強，達到了商用要求。IMS是個開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供了基于IP承載的、與接入無關(guān)的IP多媒體業(yè)務(wù)控制能力。IMS基于IP的傳輸、會話控制和業(yè)務(wù)實現(xiàn)，是語音、視頻、圖片、文本等多種媒體的組合，并在多種接入基礎(chǔ)之上具有不同能力的終端組合，其依賴于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)展的系統(tǒng)，最大程度重用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在無線網(wǎng)絡(luò)中把PS/GPRS網(wǎng)絡(luò)作為承載網(wǎng)絡(luò)，在固定網(wǎng)絡(luò)中把基于固定接入IP系統(tǒng)作為承載網(wǎng)絡(luò)。IMS不僅可以實現(xiàn)基本的VoIP業(yè)務(wù)，更重要的是IMS將更有效的對網(wǎng)絡(luò)資源、用戶資源及應(yīng)用資源進行管理，提高網(wǎng)絡(luò)的智能化。

集群方案，3GPP集群標準工作組包括5大專題：

1）GCSE（Group Communication System Enabler）：主要規(guī)范與PTT（Push To Talk）相關(guān)的無線承載方面，目前確定了GCSE架構(gòu)，在EPC之外引入GCSE應(yīng)用服務(wù)器，LTE系統(tǒng)作為傳輸通道，可以采用PTP（Precision Time Protocol）或者MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）機制。

2）MCPTT（Mission Critical Push To Talk）：目標是實現(xiàn)PTT端到端業(yè)務(wù)，主要規(guī)范集群服務(wù)器和終端應(yīng)用層方面，利用LTE提供的GCSE和ProSe能力，在應(yīng)用層設(shè)計呼叫控制過程，實現(xiàn)完善的語音集群功能。預(yù)計2017年凍結(jié)的Release 14階段，MCPTT在漫游、搶占、業(yè)務(wù)連續(xù)性方面還將得到增強；集群通信將增加視頻、數(shù)據(jù)功能，并支持350km/h及以上的高速列車運行。

3）IOPS（Isolated E-UTRAN Operation for Public Safety）：類似單站系統(tǒng)，在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)間的連接中斷時為公共安全人員繼續(xù)提供語音、視頻和群組通信服務(wù)，或者在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋/網(wǎng)絡(luò)覆蓋由于自然災(zāi)害等原因被破壞的區(qū)域建立臨時的無線網(wǎng)絡(luò)。在Release 14階段IOPS功能還將得到增強。

4）ProSe（Proximity-based Service）：類似DMO（Direct Mode Operation），在Release 12階段僅完成了網(wǎng)絡(luò)輔助的D2D（Device to Device）通信和無網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的點到多點廣播通信。還不能完全替代窄帶的脫網(wǎng)直通功能，ProSe在Release 13階段完成了無網(wǎng)絡(luò)覆蓋下兩個終端之間的通信。

5）SC-PTM（Single Cell Point to Multipoint）：在MBMS的架構(gòu)下，在空口引入單小區(qū)廣播方案，通過共享信道為群組用戶傳輸數(shù)據(jù)，特點是組播區(qū)域動態(tài)、組播區(qū)域可為單小區(qū)。

語音業(yè)務(wù)方案比選：

CSFB方案，主被叫均需回落后才能接續(xù)，呼叫建立時延增長。LTE-R網(wǎng)絡(luò)建成以后，考慮到維護的壓力和GSM-R網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的生命周期，不太可能長期保留GSM-R網(wǎng)絡(luò)，所以該方案作為過渡方案尚可，不適合鐵路專網(wǎng)作為目標網(wǎng)絡(luò)長期使用。

IMS是3GPP標準的基于EPC架構(gòu)的話音解決方案，已經(jīng)在公網(wǎng)運營商中廣泛部署，其技術(shù)方案、設(shè)備成熟度得到實際驗證，屬于成熟穩(wěn)定的解決方案；IMS提供基于QoS（Quality of Service）的各種不同等級的呼叫管理，包括緊急呼叫、普通呼叫等，并可以保證終端在不同網(wǎng)絡(luò)之間移動時話音業(yè)務(wù)的連續(xù)性，如LTE網(wǎng)絡(luò)之間、LTE與2G網(wǎng)絡(luò)之間；IMS相關(guān)網(wǎng)元和接口較多，組網(wǎng)相對復(fù)雜，但IMS的部署形式比較靈活，簡化的配置僅需要部署CSCF（Call Session Control Function）、SBC（Session Border Controller）、HSS（Home Subscriber Server），物理形態(tài)僅需要新增一臺服務(wù)器即可，而且可考慮將EPC功能與IMS功能整合；IMS系統(tǒng)經(jīng)過長時間的發(fā)展，從系統(tǒng)架構(gòu)合理性、后期擴展性以及與各傳統(tǒng)設(shè)備如PSTN （Public Switched Telephone Network）、MSC （Mobile Switching Center）等的接口定義比較清楚，有利于互聯(lián)互通的實現(xiàn)；IMS實現(xiàn)富媒體通信，如增強型通訊錄、即時消息、群組聊天、文件傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)比較容易，有利于將來鐵路業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。其中網(wǎng)絡(luò)承載層/網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)層采用分層結(jié)構(gòu)，IMS為業(yè)務(wù)層的一個層面。NG2R成員包括國際鐵路聯(lián)盟（UIC）、歐洲鐵路局（ERA）、工業(yè)界（Industry）和運營者（Operator），在NG2R目前的系統(tǒng)架構(gòu)中，IMS作為業(yè)務(wù)層的一個層面，但尚未達成最終的一致意見。

3GPP Release 13版本MCPTT技術(shù)標準涵蓋了GSM-R集群語音及增強需求，特別針對鐵路應(yīng)用的需求包括如功能號碼、基于位置的路由、接入矩陣、區(qū)域限制呼叫、區(qū)域動態(tài)重組等業(yè)務(wù)，Release 14還增加視頻多媒體和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能等需求；3GPP MCPTT技術(shù)標準采用一個應(yīng)用服務(wù)器（MCPTT Server）+終端APP，即可解決目前鐵路的語音業(yè)務(wù)需求，MCPTT Server實際上是GCSE架構(gòu)下的一種應(yīng)用服務(wù)器（AS），可內(nèi)置一個SIP Core，從而具備語音和業(yè)務(wù)交換及控制的能力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護。未來3GPP MCPTT技術(shù)標準有可能作為鐵路應(yīng)用的主要無線通信候選技術(shù)之一。

綜上所述，從國際化角度考慮，建議積極跟蹤NG2R及3GPP研究情況，再進一步確定EPC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)NG2R目前的系統(tǒng)架構(gòu)，EPC及整個LTE-R系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 LTE-R系統(tǒng)示意圖

EPC由移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）、歸屬用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay，S-GW）、PDN網(wǎng) 關(guān)（PDN GateWay，P-GW）、多媒體廣播多播服務(wù)網(wǎng)關(guān)（MBMS GateWay， MBMS-GW）、廣播多播業(yè)務(wù)中心（Broadcast-Multicast Service Centre，BM-SC）、多小區(qū)/多播協(xié)調(diào)實體（Multicell/multicast Coordination Entity，MCE）、策略與計費規(guī)則功能（Policy and Charging Rule Function，PCRF）等設(shè)備組成。

IMS由呼叫會話控制功能（Call Session Control Function，CSCF）、出口網(wǎng)關(guān)控制功能（Breakout Gateway Control Function，BGCF）、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能（Media Gateway Control Function，MGCF）、IP多媒體網(wǎng)關(guān)（IP Multimedia-MGW，IM-MGW）、信令網(wǎng)關(guān)（Signalling GateWay，SGW）、互通邊界控制功能（Interconnection Border Control Function，IBCF）、轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)（Transition GateWay，TrGW）、電信應(yīng)用服務(wù)器（Telephony Application Server，TAS）、多媒體資源功能（Multimedia Resource Function，MRF）等設(shè)備組成。

2.2 無線接入網(wǎng)

LTE-R無線接入網(wǎng)由eNodeB組成，提供LTE-R網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的無線覆蓋。eNodeB采用分布式架構(gòu)，由基帶單元（BaseBand Unit，BBU）和射頻拉遠單元（Radio Remote Unit，RRU）組成。BBU主要完成基帶信號處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換和資源調(diào)度等功能，并通過S1接口與MME/S-GW所在的核心網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互。RRU提供LTE-R網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋，通過Uu口完成用戶設(shè)備（User Equipment，UE）的接入和無線鏈路傳輸功能。RRU通過光纖連接至BBU，呈帶狀分布于鐵路沿線兩邊，保持對鐵路的無縫覆蓋，實現(xiàn)與列車的通信。

2.3 用戶設(shè)備

UE通過空中接口（Uu接口）與基站設(shè)備相連，并通過這個基站設(shè)備與核心網(wǎng)實體通信，進而完成整個端到端的業(yè)務(wù)接續(xù)。根據(jù)用途和功能的不同，UE可分為多種類型。

1）機車綜合無線通信設(shè)備：為列車司機提供LTE-R語音通信，同時可提供數(shù)據(jù)、圖片和視頻傳送業(yè)務(wù)；

2）其他車載終端：為列控系統(tǒng)、機車同步操控系統(tǒng)、監(jiān)測、監(jiān)控等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)、視頻接入業(yè)務(wù)；

3）通用手持臺：為鐵路生產(chǎn)相關(guān)工作人員提供LTE-R網(wǎng)絡(luò)接入功能，具備基本的語音通信、數(shù)據(jù)、圖片和視頻傳送功能；

4）作業(yè)手持臺：為鐵路生產(chǎn)工作人員提供LTE-R網(wǎng)絡(luò)接入功能，具備基本的語音通信，數(shù)據(jù)、圖片和視頻傳送功能。

LTE-R系統(tǒng)作為寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)，將為鐵路生產(chǎn)及相關(guān)工作人員提供便利的通信條件，除業(yè)務(wù)種類豐富，業(yè)務(wù)帶寬增加給用戶帶來全新的應(yīng)用體驗以外，還可滿足用戶對終端的更加人性化的需求。通過調(diào)研了解到，無論是鐵路線上的運營人員，還是鐵路線下的現(xiàn)場維護人員，在作業(yè)時要攜帶多套不同制式終端，負擔重，使用不靈活。鐵路用戶對于手持終端的需求，除了基本的語音通信功能之外，動車段、電務(wù)段、通信段等用戶希望手持終端還可以支持數(shù)據(jù)、圖片、視頻回傳，照明，定位等功能；客運段用戶則希望手持終端除支持語音通信，數(shù)據(jù)、圖片、視頻回傳功能外，還可以實現(xiàn)移動售票、驗票、定位、考勤、文件簽收、編制乘務(wù)日志等功能。所以，LTE-R用戶終端應(yīng)集成多種功能，同時可以考慮在形式上的多樣化，適應(yīng)各類鐵路用戶使用場景。

3 需要解決的問題

1）目前，西班牙、韓國等國家已開展高速鐵路下一代移動通信的相關(guān)試驗，我國也將在京沈客專建設(shè)LTE-R試驗段，預(yù)計2018年開始對LTE-R系統(tǒng)的功能及性能進行測試。目前京沈客專的試驗系統(tǒng)架構(gòu)語音通信通過MCPTT AS解決，建議引入IMS系統(tǒng)后的架構(gòu)在后續(xù)試驗階段進行驗證。

2）目前，鐵路下一代多媒體調(diào)度通信產(chǎn)品基于IMS進行研發(fā)，中國鐵路總公司正組織開展鐵路多業(yè)務(wù)統(tǒng)一通信關(guān)鍵技術(shù)的研究，涉及IMS架構(gòu)，本文在LTE-R系統(tǒng)中也引入了IMS系統(tǒng)，各系統(tǒng)獨立建設(shè)IMS系統(tǒng)，還是實現(xiàn)統(tǒng)一組網(wǎng)，需要開展研究工作。

This paper briefl y introduces the research status of the next generation mobile communication system for railways at home and abroad, and puts forward Chinese LTE-R system architecture, including EPC system, radio access network and user equipment. In order to realize voice services, it analyzes the structure of EPC, introduces the IMS system and the composition of the radio access network, and proposes the classification and functional requirements of user equipment. The paper can provide significant reference for the research on LTE-R system architecture.

LTE-R; system architecture; EPC; radio; subscriber equipment

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.007

2016-09-26）

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題項目（2015X010-D）