基于B-TrunC寬帶集群通信系統(tǒng)的調(diào)度臺研究與實現(xiàn)

王 霄 黃 威

(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)

1 概述

目前在城市軌道交通領(lǐng)域，調(diào)度通信大多數(shù)采用Tetra窄帶集群系統(tǒng)。隨著軌道交通領(lǐng)域信息化、智能化發(fā)展，對多媒體調(diào)度業(yè)務(wù)、PIS業(yè)務(wù)等需求日益增長，Tetra體現(xiàn)出承載業(yè)務(wù)能力不足的缺陷，窄帶變寬帶在軌道交通行業(yè)成為必然的選擇和發(fā)展方向。

寬帶集群通信（Broadband Trunking Communication，B-TrunC）是基于TD-LTE標準的，專為集群調(diào)度業(yè)務(wù)發(fā)展而來的通信制式，Release 1版本由B-TrunC產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2014年發(fā)布，在保證兼容LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，增強了語音集群基本業(yè)務(wù)和補充業(yè)務(wù)，以及多媒體集群調(diào)度等寬帶集群業(yè)務(wù)功能，具有靈活帶寬、高頻譜效率、低時延、高可靠性的特征，能夠滿足專業(yè)用戶對語音集群、寬帶數(shù)據(jù)、應急指揮調(diào)度等需求。

2 寬帶集群調(diào)度通信系統(tǒng)

本系統(tǒng)是一套完整的適用于軌道交通的寬帶集群調(diào)度通信系統(tǒng)，基于B-TrunC標準開發(fā)，滿足Release1版本的功能要求。

系統(tǒng)包含承載網(wǎng)絡(luò)（核心網(wǎng)、BBU、RRU、天線等）及調(diào)度通信產(chǎn)品（調(diào)度臺、調(diào)度服務(wù)器、車載臺、手持終端、固定臺和網(wǎng)管設(shè)備）。其中調(diào)度臺、調(diào)度服務(wù)器、固定臺和網(wǎng)管設(shè)備通過以太網(wǎng)接入核心網(wǎng)，移動設(shè)備車載臺與手持終端通過空中接口接入核心網(wǎng)，各調(diào)度通信設(shè)備互相配合完成調(diào)度通信業(yè)務(wù)。

寬帶集群調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬帶集群調(diào)度通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of broadband cluster dispatching communication system

3 B-TrunC發(fā)展趨勢

自2014年B-TrunC產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布release1以來，B-TrunC產(chǎn)業(yè)不斷推進，取得了令人矚目的成就，被國際電信聯(lián)盟推薦成為首個公共安全和減災（PPDR）國際標準。2017年，聯(lián)盟完成5項國際標準、12項行業(yè)標準和33項聯(lián)盟標準的制定；B-TrunC第一階段標準獲得中國通信標準化協(xié)會科學技術(shù)獎一等獎；成功將1.4 GHz頻率納入到ITU-R M.2015建議書，成為國際專網(wǎng)頻率；在聯(lián)盟的積極推動下，B-TrunC實現(xiàn)廣泛應用，在我國軌道交通領(lǐng)域中已被多家廠商推行并商用，2017年國內(nèi)建網(wǎng)數(shù)量突破400張，用戶數(shù)量超過20萬戶。目前B-TrunC標準進入第二階段的研究，面對大規(guī)模組網(wǎng)漫游等場景的需求，提出新的技術(shù)標準。

4 調(diào)度臺需求

4.1 調(diào)度臺類別

調(diào)度臺是調(diào)度通信系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，是用戶進行運行指揮調(diào)度的主要操作平臺，用戶可以通過它對系統(tǒng)內(nèi)的其他調(diào)度員、列車司機、車站值班員以及手持臺移動用戶發(fā)起呼叫，接收呼叫，建立與各個用戶之間的語音和數(shù)據(jù)通信，或者對各個終端之間的呼叫進行管理。

調(diào)度臺可以應用于地鐵運營調(diào)度通信、大鐵站場調(diào)度通信、輕軌系統(tǒng)調(diào)度通信，在不同的行業(yè)和應用場景中形成不同類別，例如：總調(diào)度臺、行車調(diào)度臺、維修調(diào)度臺、環(huán)控調(diào)度臺、車輛段調(diào)度臺等。

總調(diào)度臺在調(diào)度中心對在線列車、車站及相關(guān)設(shè)備進行監(jiān)控和指揮，處理隨機發(fā)生的問題，保障運營安全；行車調(diào)度臺負責在線列車的行車調(diào)度，根據(jù)功能號或列車運行圖進行調(diào)度通信；維修調(diào)度臺在故障情況下負責各線機電設(shè)備的維修管理中的通信，對維修組人員進行調(diào)度指揮；環(huán)控調(diào)度臺放置于環(huán)境監(jiān)控中心，用于環(huán)境監(jiān)控事務(wù)的日常通信；車輛段調(diào)度臺放置于車輛段調(diào)度中心，處理車輛段范圍內(nèi)的行車調(diào)度。

4.2 調(diào)度臺功能需求

不同的調(diào)度臺在應用需求上略有不同，但共有的功能特性歸納如下。

集群語音功能：單呼、組呼、列車廣播、業(yè)務(wù)身份呼叫、一鍵呼叫。

集群多媒體功能：可視單呼、可視組呼、視頻推送、視頻上拉、視頻回傳、組呼疊加視頻轉(zhuǎn)發(fā)。

集群數(shù)據(jù)功能：實時短數(shù)據(jù)、組播短消息、廣播短消息、彩信。

集群補充功能：緊急呼叫、動態(tài)重組、遙暈/遙斃/復活、調(diào)度臺訂閱、環(huán)境監(jiān)聽/監(jiān)視、強插/強拆。

信息管理功能：行車圖、權(quán)限管理、手動轉(zhuǎn)組、通話記錄、用戶信息管理、通訊錄管理。

系統(tǒng)管理功能：快捷鍵設(shè)置、日志管理、中英雙語切換、文件管理、接口管理。

4.3 調(diào)度臺硬件

調(diào)度臺采用通用PC機加視頻輸入設(shè)備和音頻輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。

PC機為支持音視頻編解碼和通話記錄存儲功能，需采用4核2 GHz以上處理器，1 TB以上硬盤。另外，為更清晰地顯示列車運行圖，應采用多屏技術(shù)，一臺主機連接2個顯示屏，分別顯示列車運行圖和呼叫調(diào)度主界面。

視頻輸入設(shè)備采用高清USB接口高分辨率攝像頭。

音頻輸入輸出設(shè)備包括MIC設(shè)備和揚聲器。

4.4 調(diào)度臺技術(shù)指標

調(diào)度臺將在城市軌道交通與大鐵等不同場景使用，現(xiàn)場情況復雜，不僅需要滿足語音、視頻和混合數(shù)據(jù)傳輸和編解碼等基本功能，還需滿足RAMS技術(shù)指標，主要包括以下：

可靠性：平均注冊登錄失敗等待時長＜15 s；語音呼叫消息延遲＜1 s；語音呼叫聲音延時＜3 s；視頻業(yè)務(wù)消息延遲＜1 s；視頻業(yè)務(wù)畫面延時＜5 s；

可用性：平均故障間隔時間（MTBF）＞43 800 h（5年）；支持管理用戶數(shù)＞200個，系統(tǒng)容量可隨工程規(guī)模配置擴展；支持B-TrunC R1的A類功能要求；

可維修性：平均修復時間（MTTF）＜30 min；

安全性：發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)丟失率為0。

5 調(diào)度臺設(shè)計

調(diào)度臺系統(tǒng)分為UI操作界面與業(yè)務(wù)邏輯兩部分。UI操作界面分為8個功能模塊；業(yè)務(wù)邏輯層分為兩部分，分別是調(diào)度服務(wù)器接口及集群業(yè)務(wù)模塊。

5.1 UI操作界面

UI操作界面按業(yè)務(wù)功能劃分共8個模塊，登錄注冊、人員信息、在線狀態(tài)、呼叫業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、廣播、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和位置信息模塊。

登錄注冊：調(diào)度臺向集群核心網(wǎng)驗證身份并登錄；向調(diào)度服務(wù)器注冊業(yè)務(wù)身份。

人員信息：調(diào)度臺可通過訂閱功能從核心網(wǎng)獲取到人員和組信息，并對組進行動態(tài)重組管理。

在線狀態(tài)：在調(diào)度臺界面可直觀顯示用戶在線狀態(tài)以及正在進行的通話狀態(tài)。

呼叫業(yè)務(wù)：調(diào)度臺可對手持終端、車載臺等設(shè)備進行語音單呼、組呼，視頻單呼、組呼業(yè)務(wù)，同時可對終端進行搖暈搖斃復活操作。

廣播：調(diào)度臺可對列車組或區(qū)域內(nèi)用戶進行發(fā)起單工的廣播業(yè)務(wù)。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：調(diào)度臺可發(fā)送短消息到終端，保存聊天記錄并可查看管理。

位置信息：調(diào)度臺可通過行車圖直觀了解列車實時運行位置。

5.2 業(yè)務(wù)邏輯層

調(diào)度臺系統(tǒng)對外連接到兩個系統(tǒng)，調(diào)度服務(wù)器和B-Trunc集群業(yè)務(wù)核心網(wǎng)。

5.2.1 調(diào)度服務(wù)器

調(diào)度臺與調(diào)度服務(wù)器主要交互業(yè)務(wù)身份、通話短信記錄、列車位置等數(shù)據(jù)并保存文件信息。調(diào)度臺在登錄時向調(diào)度服務(wù)器注冊業(yè)務(wù)身份，便于調(diào)度服務(wù)器統(tǒng)一管理并獲取用戶在線狀態(tài)；通話記錄，短信記錄通過Json數(shù)據(jù)封裝和解析，儲存在服務(wù)器上，便于備份和查看；調(diào)度服務(wù)器外接至列車控制系統(tǒng)ATS模塊，獲取列車實時運行位置，并將位置信息傳給調(diào)度臺，以便在調(diào)度臺上查看行車圖，并在行車圖上對列車上車載臺及車站固定臺發(fā)起集群業(yè)務(wù)；可在調(diào)度服務(wù)器上保存文件日志信息。

DCS接口是集群調(diào)度臺與調(diào)度服務(wù)器之間的接口，基于socket UDP（TCP/IP協(xié)議）進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型由調(diào)度臺和調(diào)度服務(wù)器自行定義。

調(diào)度臺通過DCS接口獲取調(diào)度服務(wù)器中用戶信息、車輛和位置信息等列車運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。調(diào)度臺獲取用戶信息，通過調(diào)度臺和用戶主動進行業(yè)務(wù)注冊和調(diào)度服務(wù)器業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)推動來實現(xiàn)。列車位置信息通過調(diào)度服務(wù)器對外接入信號ATS系統(tǒng)獲取，可獲得列車車次號、車組號、位置信息等數(shù)據(jù)，調(diào)度服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后進行分析，抽取，封裝，通過DCS接口發(fā)送至調(diào)度臺，調(diào)度臺解析后在上層UI行車圖中顯示。

5.2.2 集群業(yè)務(wù)核心網(wǎng)

調(diào)度臺與B-Trunc集群業(yè)務(wù)核心網(wǎng)交互主要實現(xiàn)調(diào)度通信業(yè)務(wù)。集群業(yè)務(wù)部分封裝了B-TrunC集群系統(tǒng)中D接口的各項功能，如登錄、呼叫、多媒體業(yè)務(wù)、廣播、終端遙暈遙斃等。上層模塊通過調(diào)用集群接業(yè)務(wù)口封裝的方法，向D接口接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了集群業(yè)務(wù)。

D接口由B-TrunC標準協(xié)議定義，分為控制面和用戶面。其上承載了調(diào)度臺與集群核心網(wǎng)間的控制、媒體業(yè)務(wù)，是實現(xiàn)調(diào)度臺功能的主要接口。

D接口控制面協(xié)議棧采用SIP協(xié)議，SIP協(xié)議廣泛應用于電路交換、下一代網(wǎng)絡(luò)以及IP多媒體子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，可以支持并應用于語音、視頻、數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務(wù)。在本系統(tǒng)調(diào)度臺中SIP協(xié)議主要用于實現(xiàn)以下功能：集群呼叫控制；集群業(yè)務(wù)調(diào)度，包括動態(tài)重組、遙暈遙斃復活、強插強拆；調(diào)度臺登錄管理等。控制面協(xié)議棧架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制面協(xié)議棧Fig.2 Protocol stack of control plane

D接口用戶面采用實時傳輸協(xié)議（RTP）， RTP是一個傳輸層子層協(xié)議，主要用于在單播或多播網(wǎng)絡(luò)中傳輸實時數(shù)據(jù)，如音視頻會議。在本系統(tǒng)調(diào)度臺中RTP協(xié)議用于傳輸集群網(wǎng)絡(luò)的單呼、組呼語音、視頻、圖像等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并建立在UDP之上。集群業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流自上而下（通過RTP、UDP傳輸層、IP網(wǎng)絡(luò)層、L2數(shù)據(jù)鏈路層及L1物理層）和自下而上的傳輸，實現(xiàn)集群業(yè)務(wù)功能。用戶面協(xié)議棧架構(gòu)如圖3所示。

圖3 用戶面協(xié)議棧Fig.3 Protocol stack of user plane

6 總結(jié)展望

未來軌道交通集群通信將向更大帶寬，更高傳輸能力，更豐富的應用發(fā)展，在后續(xù)版本中將會有一系列的變化，例如在共線場景下，實現(xiàn)跨核心網(wǎng)和基站共享模式；跨線運行時，調(diào)度信息服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)位置數(shù)據(jù)的及時獲取和更新；實現(xiàn)與地鐵系統(tǒng)現(xiàn)有的專用電話用戶語音單呼業(yè)務(wù)互聯(lián)互通；支持一些新的集群調(diào)度功能，如站管呼叫、調(diào)度臺位置呼叫、全呼等。

本文介紹的基于B-TrunC網(wǎng)絡(luò)的無線集群的調(diào)度臺，很好的替代了現(xiàn)有Tetra窄帶集群調(diào)度臺，能夠滿足在軌道交通各應用場景下實現(xiàn)調(diào)度功能，并且可以隨著軌道交通通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，很好服務(wù)于軌道交通行業(yè)，為廣大人民出行提供了安全保障。