鐵路新一代移動通信專網互聯互通關鍵技術研究

丁建文，鄭鵬，李海鷹，孫斌，費丹

（1.北京交通大學國家軌道交通安全評估研究中心，北京100044；2.北京交通大學電子信息工程學院，北京100044；3.北京交通大學北京市高速鐵路寬帶移動通信工程技術研究中心，北京100044；4.上海申鐵投資有限公司，上海200003；5.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044）

1 概述

高速鐵路的便捷性、高效性和高安全性使其成為大眾化的交通工具，同時高速鐵路也是國家關鍵基礎設施和重要的基礎產業之一［1］。近年來，由于信息通信技術的突飛猛進，智能化技術取得了突破性進展，鐵路數字移動通信系統（GSM-R）的瓶頸開始逐漸凸顯。當前GSM-R系統瓶頸主要體現在以下方面:

（1）承載業務量有限:GSM-R系統只有4 MHz頻段，帶寬為200 kHz，屬于窄帶通信，因此其容量受限。

（2）GSM產業鏈逐漸萎縮:2020年5月中華人民共和國工業和信息化部發文推動存量2G/3G物聯網業務向NB-IoT/4G（Cat1）/5G網絡遷移。

（3）傳輸效率低:無法提供圖像、視頻等多媒體業務，無法滿足大帶寬的通信業務要求［2］。

隨著我國鐵路信息技術的發展，車地間的通信業務需求不斷擴展，多媒體調度通信、新一代列控系統、列車車況實時監測、智能運維、鐵路物聯網等各種新業務需求不斷涌現，以上新型業務的推出都離不開鐵路新一代寬帶移動通信的泛在支持［3-5］。2020年8月，中國國家鐵路集團有限公司發布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，提出要統籌推進新一代移動通信專網建設，構建泛在先進、安全高效的現代鐵路信息基礎設施體系。通過鐵路5G專網技術，可為行車調度指揮和列車控制等提供更大容量、更低時延的車地信息傳送能力，有利于提升鐵路安全保障水平［6］。通過鐵路5G專網技術，可實時回傳橋梁、隧道、路塹、站房等重點區域傳感數據，及時有效掌控重要結構的使用狀態和變化趨勢，提高鐵路沿線基礎設施安全監測水平。鐵路5G專網技術有助于構建鐵路移動裝備信息綜合傳輸平臺，實現狀態趨勢實時分析和故障提前預警，提高鐵路移動裝備安全監測水平。

針對上述需求，構建鐵路5G專網系統，需要實現全路不同鐵路局集團公司間鐵路5G專網系統的互聯互通，鐵路局集團公司內鐵路5G專網無線網絡與核心網的互聯互通、不同種類終端與網絡的互聯互通，形成互聯互通接口技術要求和測試規范等系列標準，確保基于鐵路5G專網的各項應用業務的實現，形成全程全網解決方案，保護工程投資，降低運行成本，提升運營效率，最大限度發揮總體效益［7-8］。

2 鐵路5G專網系統架構和互聯互通需求分析

2.1 系統架構

鐵路5G專網系統包括核心網（5GC）、無線接入網（RAN）、用戶設備（UE）和運營與支撐系統（OSS）四部分（見圖1）。

圖1 鐵路5G專網系統架構示意圖

鐵路5G專網核心網采用應用與承載分離的架構，核心網承載部分由接入與移動性管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、用戶面功能（UPF）、統一數據管理（UDM）、鑒權服務功能（AUSF）、策略控制功能（PCF）等邏輯網元構成。核心網應用部分由遠端撥入用戶驗證服務（RADIUS）、域名服務器（DNS）、關鍵業務系統（MC system）組成。

MC system由SIP數據庫（SIP database）、關鍵業務用戶數據庫（MC service user database）、公共業務核心（CSC）、HTTP代理（HTTP Proxy）、關鍵語音業務服務器（MCPTT server）、關鍵視頻業務服務器（MCVideo server）、關鍵數據業務服務器（MCData server）、SIP核心（SIP core）等構成［9］。

SIP core由服務呼叫會話控制功能/查詢呼叫會話控制功能（S-CSCF/I-CSCF）、代理呼叫會話控制功能（P-CSCF）、IP多媒體業務交換功能（IM-SSF）、媒體網關控制功能（MGCF）、IP多媒體網關（IM-MGW）、互聯邊界控制功能（IBCF）、轉換網關（TrGW）等構成［9］。

2.2 核心網承載部分網絡架構

鐵路5G專網核心網承載部分采用控制轉發分離架構，同時獨立進行會話管理和移動性管理，在用戶面上解耦了承載性，基于不同用戶面的網元可同時建立不同會話，并通過多個控制面網元實現管理。參考點模式與服務化架構（SBA）模式是核心網承載部分的2種主要方式［10］（見圖2）。

圖2 核心網承載部分網絡架構

與參考點模式架構相比，基于SBA模式的專網核心網較為常見。SBA更多地參考了互聯網行業架構模式，通過API技術在控制面進行信令傳輸。在SBA架構下，核心網承載部分網元之間的接口為基于服務的接口（SBI），改變了傳統通信行業中點對點的網元架構。同時SBI采用HTTP-2/TCP協議［11］，有效統一了不同網元的協議棧，為不同網元間互聯互通的實現和測試提供了更大可能。

2.3 核心網承載部分網元間的互聯互通

根據鐵路組網的實際需求、業務演進及產業鏈情況，未來全路5G專網核心網承載部分可能采用不同供應商供貨，形成多供應商設備組成全路核心網承載部分、實現全程全網全互通，因此，需要實現不同廠商核心網承載部分網元間的互聯互通。核心網承載部分架構設計原則主要包括控制和承載分離、統一的數據管理、公共接入功能設計、通用用戶面架構等。因此，對于服務化架構來說，各控制網元間彼此通過SBI接口互聯。控制信令可共享總線，從1個網元的SBI接口出發，到達目標網元相應的SBI接口。基于SBI接口，核心網承載部分網元間可實現高效的互聯互通。

鐵路5G專網核心網承載部分中的控制面功能網元是基于服務化架構實現的，各個NF通過SBI實現彼此通信。SBI協議棧見圖3［12］，核心網承載部分的傳輸層統一采用HTTP-2協議，所有服務化接口都可在同一總線上傳輸，在該總線上每個NF又可通過各自的服務化接口對外提供服務，并允許其他獲得授權的NF訪問或調用自身服務。根據未來全路核心網承載部分組網架構及業務模式，互聯互通SBI接口可包括:Namf、Nsmf、Nudm、Nausf、Nnrf、Nnssf、Nnef、Nsmsf、Npcf、N5g-eir，對應的互聯互通參考點可包括:N5、N7、N8、N10、N11、N12、N14、N15、N17、N20、N21、N22。

圖3 SBI協議棧

鐵路5G專網核心網承載部分中的用戶面主要通過UPF實現，N4接口負責UPF與SMF之間的信令交互、控制面功能（CP）和用戶面功能（UP）之間的接口，其協議棧見圖4［13］。該接口功能包括會話管理、終端IP地址分配、數據檢測與轉發、路由協議支持、隧道管理、QoS控制等，控制面功能通過建立、修改或刪除分組前傳控制協議（PFCP）會話報文來控制用戶面功能中數據包處理。UPF是鐵路5G專網各項業務數據處理和轉發的核心網元，當前，針對N4接口的互聯互通要求還在進一步研究和探索，N4接口的開放和互通會更加有助于形式多樣的應用定制網絡的能力，有助于促進鐵路5G專網能力開放，將鐵路5G專網系統與邊緣計算進一步融合，為不同類型業務選擇不同級別的UPF。

圖4 N4接口協議棧

2.4 核心網承載部分與RAN的互聯互通

在一個鐵路局集團公司管轄范圍內，可能會建設不同廠商的無線接入網，接入同一個鐵路5G專網核心網承載部分，因此在這種情況下需要實現RAN與核心網的互聯互通。RAN由1組通過NG接口連接到鐵路5G專網核心網承載部分的gNB構成（見圖5）。gNB之間通過Xn接口互連，gNB可由基帶單元（BBU）+射頻拉遠單元（RRU）構成，或由中心單元（CU）+分布單元（DU）+RRU構成［14］。

圖5 核心網承載部分與RAN互聯互通架構

當終端發起注冊流程（初始注冊、周期注冊或移動更新注冊）時，接入網首先會根據UE攜帶的參數選擇合適的AMF，然后通過N2消息將NAS層的注冊請求消息發送給AMF。在RAN與核心網承載部分的通信過程中，主要負責發送來自UE的注冊信息、傳遞注冊請求和接收來自AMF的建立響應，上述相關業務主要通過N2接口完成［15］。

N2接口是RAN與鐵路5G專網AMF之間的接口，主要負責RAN與AMF間的信令交互，其協議棧見圖6。N2接口采用基于流控制傳輸協議（SCTP）的NG應用協議（NGAP），主要負責PDU會話資源的分配、建立UE上下文及切換等。

圖6 N2接口協議棧

N3接口是RAN與鐵路5G專網UPF間的接口，主要用于傳遞RAN與UPF間的上下行用戶面數據，其協議棧見圖7［16］。N3接口采用用戶面GPRS隧道協議（GTP-U），主要負責RAN和UPF之間的路徑檢測、支持擴展頭列表通知、錯誤指示等。

圖7 N3接口協議棧

2.5 核心網承載部分與UE的互聯互通

未來鐵路5G專網系統中會存在機車綜合無線通信設備、手持臺、物聯網終端等不同供應商的UE，需要實現UE與RAN及鐵路5G專網核心網承載部分的互聯互通。由圖2（b）可知，UE可通過N1接口同AMF相連［13］，N1接口協議棧見圖8。

圖8 N1接口協議棧

N1是位于UE與AMF之間的邏輯接口，N1接口的非接入層信令消息（NAS）主要應用于UE和SMF之間的會話管理功能以及UE和AMF之間的移動性管理功能。位于AMF的NAS移動性管理主要負責:（1）NAS層加密和完整性保護；（2）維護處理RM/CM狀態和對應流程處理；（3）傳輸會話管理等其他類型NAS信息。

2.6 MC system的互聯互通

鐵路5G專網除了提供通用的數據承載業務，基于MC system還能夠提供關鍵語音業務、關鍵視頻業務和關鍵數據業務。未來全路組網中，鐵路5G專網核心網應用部分包括MCPTT server、MC service user database、SIP core等網元構成的MC system，不同鐵路局集團公司可能采用不同廠商提供的MC system，不同廠商的MC終端需要與不同廠商的MC system實現互聯。因此，MC system互聯互通接口可包括:MC終端與SIP core之間的SIP-1接口、MC終端與MC服務器之間的HTTP-1接口、CSC-1/2/4/8接口、MCPTT-1/MCVideo-1/MCDa?ta-1接口；不同鐵路局集團公司MC服務器之間的SIP-3接口、HTTP-3接口、MCPTT-3/MCVideo-3/MCData-3接口（見圖9）。MC終端與MC服務器之間的接口用于實現基于鐵路5G專網全IP的點對點呼叫、組呼、多優先級與強拆等業務。MCPTT server、MCVideo server和MCData Server作為MC system的核心，負責關鍵通信業務的發起和話權控制。MC服務器之間的接口屬于跨MC服務器會話建立的控制面接口［17］，實現單呼和組呼業務。

圖9 MC業務接口協議棧

3 鐵路5G專網互聯互通測試方案與場景

3.1 核心網承載部分網元間的互聯互通測試方案

核心網承載部分既是整個鐵路5G專網系統的控制中心，也是整個系統的數據中心。在新需求、新技術和新架構的背景下，鐵路5G專網核心網架構實現了虛擬化和切片化，在進行核心網承載部分網元互聯互通測試時，一般需要準備2套以上不同廠商的核心網承載部分設備和無線網設備，2套核心網通過數據網進行互聯。具體測試方案如下:

（1）核心網承載部分網元與NRF的互聯互通。NRF實現了核心網承載部分網元功能服務的自動化管理。NRF用來進行NF登記、管理等功能，當核心網承載部分中的各個網元啟動時，需向NRF注冊本服務的IP地址、域名、支持的能力等相關信息。同時，當網元關閉時，需向NRF進行去注冊。在核心網承載部分中，每個網絡功能都會通過NRF尋找合適的對端服務，NRF會根據當前信息向請求者返回對應響應列表。NRF還可與各網絡功能之間進行雙向定期狀態檢測，當某個網絡功能異常時，NRF會將異常狀態通知到與其相關的網絡功能。因此，針對服務化架構的測試項目主要包括:服務注冊、服務發現、服務更新、服務授權、服務狀態訂閱通知等。

（2）AMF與AUSF、UDM間，SMF與UDM間的互聯互通。該部分互聯互通主要解決用戶鑒權數據處理、用戶數據標識及實現用戶移動性和接入管理、會話管理等功能。當UE發起注冊、類型為初始接入時，AMF基于IMSI信息選擇一個AUSF，為用戶接入實行認證；當認證成功后，AMF向UDM發起位置更新請求，同時從UDM獲取用戶簽約策略［18］。該部分互聯互通測試項目主要包括:簽約數據改變通知AMF、會話數據改變通知SMF、清除用戶數據、用戶鑒權認證等。

（3）SMF與UPF間的互聯互通。SMF與UPF通過N4接口相連，N4會話管理流程用于控制UPF，SMF可在UPF中創建、更新和刪除N4會話上下文。SMF和UPF的通信主要存在于會話建立過程:SMF首先收到建立新的PDU會話請求，然后向UPF發送會話建立請求消息，UPF返回會話建立響應信息。該部分互聯互通測試項目主要包括:N4關聯建立、N4關聯更新、N4關聯釋放、N4心跳檢測、N4會話建立、N4會話更新、N4會話刪除、N4用量上報等。

3.2 核心網承載部分與RAN間的互聯互通測試方案

在進行核心網承載部分與RAN間的互聯互通測試時，一般需要準備來自不同廠商的RAN設備和核心網承載部分設備，通過N2和N3接口實現互聯。N2接口主要負責提供RAN與AMF之間的信令服務。信令服務分為2類:非UE相關服務（與RAN節點和AMF之間的整個NG接口實例相關）、UE相關服務（與UE相關信令連接相關）。N2接口主要存在如下功能:UE上下文管理、建立、修改、釋放，PDU會話管理，NAS傳輸，UE無線能力管理等。可從以下方面進行AMF與RAN之間的互聯互通驗證:

（1）PDU會話管理:通過在AMF和RAN之間進行PDU會話資源建立，為UE建立相關DRB，將QoS關聯到DRB。隨后RAN向UE傳 遞PDU會 話NAS-PDU信元，AMF收到請求消息后透明傳輸給SMF。同時在PDU會話管理過程中，AMF與RAN之間也會傳遞PDU會話資源釋放、PDU會話信息修改、PDU會話資源通知等信令。該部分互聯互通測試項目主要包括:PDU會話資源建立過程、PDU會話資源釋放過程、PDU會話資源修改過程、PDU會話資源通知過程、PDU會話資源修改指示等。

（2）NAS消息傳輸:RAN將分配到的RAN UE NGAP ID包含在Initial UE Message中傳遞給AMF，隨后AMF開始下行NAS傳輸，RAN也將收到的無線接口NAS消息傳輸給AMF。當NAS未送達時，AMF會向RAN發送重新路由請求。該部分互聯互通測試項目主要包括:注冊、注銷、NAS消息重路由、非接入層不傳遞指示、尋呼等。

（3）UE移動性管理:UE移動性管理主要是基于Xn接口和基于N2接口的RAN間切換。基于N2的切換流程分為準備階段和執行階段:在準備階段，主要完成目標側核心網和無線網的資源分配，包括目標UPF選擇、目標RAN分配無線資源、N3接口隧道建立、目標AMF建立上下文；在執行階段，源RAN通知UE切換，UE切換完成后，目標RAN通知AMF，SMF通知UPF完成下行數據通道切換［19］。該部分互聯互通測試項目主要包括:無重選UPF時基于Xn的切換、重選I-UPF時基于Xn的切換、無重選UPF時基于N2的切換、重選I-UPF時基于Xn的切換。

（4）上下文管理:上下文管理主要是RAN和AMF之間進行初始上下文建立，從而建立PDU會話資源，或在會話結束后進行上下文釋放。該部分互聯互通測試項目主要包括:UE上下文建立過程、UE上下文釋放過程、UE上下文修改過程。

3.3 核心網承載部分與UE間的互聯互通測試方案

在鐵路5G專網系統中，UE通過N1接口與AMF網元相連，AMF、UDM和AUSF可實現對UE的連接、注冊、移動性管理。在進行鐵路5G專網核心網承載部分與UE間的互聯互通測試時，需準備1套鐵路5G專網核心網承載部分設備和無線網設備以及與其測試的UE。該部分互聯互通測試項目主要包括:初始注冊、移動性注冊更新、簽約禁止區域接入限制、正常注銷、關機注銷、UE發起業務請求、網絡發起業務請求、UE配置更新、UE請求PDU會話建立、UE請求PDU會話釋放、PDU會話修改、PDU會話釋放等。以UE的注冊流程為例，概述注冊過程的測試方案。

注冊管理用于UE和核心網承載部分間的注冊和注銷，在網絡上建立用戶上下文。注冊流程又可分為:初始注冊、移動更新注冊和周期性注冊三大類［11］。當UE與RAN成功建立RRC連接后，RAN會通過N2接口向AMF發送初始UE信息；隨后，AMF會獲取UE的上下文信息，同時選擇相應的鑒權服務器，實現UE與核心網間的鑒權過程；成功選擇UDM后，AMF將UE注冊到UDM，從UDM獲得UE的接入和移動訂閱數據、SMF選擇訂閱數據、UE在SMF的上下文信息等。UE注冊流程見圖10，可以得出UE與鐵路5G專網核心網承載部分之間互聯互通的流程。

3.4 MC system互聯互通測試方案

在鐵路5G專網系統中，MC system的互聯互通可包括MC終端與MC服務器間的互聯互通、MC服務器相互間的互聯互通。在進行鐵路5G專網MC system互聯互通測試時，需準備1套鐵路5G專網核心網承載部分設備和無線網設備、2套MC服務器、3套MC終端。具體測試方案如下:

（1）MC終端與MC服務器間的互聯互通:MC終端與MC服務器之間接口主要完成SIP注冊、業務層認證與安全、事件訂閱與通知、信令消息傳送、會話管理、媒體協商等，從而實現關鍵任務語音、視頻和數據等的互聯互通。該部分互聯互通測試項目主要包括:MC用戶認證和服務授權、組配置、組管理、組呼業務、單呼業務、話權控制、預建立會話等。

（2）MC服務器相互間的互聯互通:MC服務器與MC服務器之間接口主要完成事件訂閱與通知、會話管理、媒體協商、單呼和組呼、媒體傳送控制等，從而實現跨多個MC服務器時的關鍵任務語音、視頻和數據等的互聯互通。該部分互聯互通測試項目主要包括:組呼業務、單呼業務、話權控制等。

4 基于開源平臺的互聯互通測試方法

傳統互聯互通測試主要采用不同廠商的核心網、無線網、終端、應用系統等組網，進行相關接口的信令和業務測試。這種方法存在一定局限性，即只能測試正常業務流程的交互，對于異常流程、發送的信令消息不規范等異常處理機制無法進行仿真測試。因此，提出一種基于開源平臺的互聯互通測試方法，與傳統核心網仿真平臺相比，該方法基于開源平臺，開發了鐵路5G專網基本網元功能，網元可獨立運行，也可與商用網絡或第三方接入網仿真平臺進行信令發送和數據傳輸。開源平臺架構見圖11，列出了平臺內部網元及接口，利用該測試平臺，可靈活測試不同廠商鐵路5G專網核心網承載部分之間、核心網與無線網之間的互聯互通、協議一致性及協議容錯性。

圖10 UE注冊流程

圖11 開源平臺架構

4.1 接口協議棧設計與實現

協議棧的多樣性給互聯互通實現及測試平臺維護和開發帶來了挑戰，鐵路5G專網基于服務化架構，核心網中主要網元都通過SBI實現互聯，提高了核心網的靈活性，便于統一管理。

3GPP采用表征狀態轉移（REST）體系結構設計范例，該體系詳細描述了API的設計，因此可向第三方或其他組織展示系統內部通信的類型［20］。在鐵路5G專網互聯互通平臺設計中，可基于3GPP標準提供的YAML文件和開源軟件OpenAPI Generator實現SBI生成。

4.2 信令自定義設計

基于開源平臺進行二次設計與開發，可對主要接口信令、主要過程進行自定義開發。終端附著網絡的代碼架構見圖12，可為后續自定義信令的設計提供參考。

圖12 終端附著網絡的代碼架構

3GPP協議給出了5G網絡的主要功能及相關信令流程，開發者可參照3GPP標準中制定的流程，在分析協議棧架構、網元交互、進程模擬的前提下，進行信令開發設計。

5 結束語

鐵路5G專網是鐵路信息化、現代化、智能化的重要基礎設施。系統的互聯互通是鐵路5G專網網絡規劃、優化設計和建設的前提和基礎，只有實現良好的互聯互通，才能保證整個網絡按照統一規劃、統一標準、統一資源的原則進行組網，使整個網絡構成一個有機整體，共享基礎設施和資源，最大限度發揮總體效益，才能保證基于鐵路5G專網的各項業務的可用性和可靠性。首先提出鐵路5G專網系統架構和組成，分析鐵路5G專網核心網承載部分各網元間互聯互通、核心網承載部分與RAN的互聯互通以及鐵路5G專網網絡與終端、MC system的互聯互通需求，提出互聯互通測試方案與場景。最后提出一種基于開源平臺的互聯互通測試方法，該平臺采用SBA架構，靈活應用API技術，可基于規范自行設計所需的業務或信令，能夠進行異常信令流程交互測試、設備對異常信令的容錯能力測試，全面衡量網元的功能與穩定性。該測試方法可作為今后開展鐵路5G專網互聯互通和協議一致性測試的重要手段。