D2D ProSe技術與鐵路應用場景分析

周宏偉，李輝，梁軼群

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京100081）

0 引言

隨著我國鐵路業務與信息化、數字化、智能化的不斷深入融合，鐵路對專用移動通信系統的業務容量、帶寬、速率以及時延等指標的要求都有所提高。此外，鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設備供應商也將在10～15年內終止對GSM-R提供維護與服務。因此，無論從鐵路業務需求還是從產業支撐方面考慮，GSM-R都將不再適合作為長期發展和使用的鐵路移動通信系統。我國和歐洲近幾年都開展了關于新一代鐵路移動通信技術的研究工作。我國鐵路于2018年底發布了《鐵路下一代移動通信業務和需求暫行規范》［1］。國際鐵路聯盟（UIC）也在2020年2月更新了《未來鐵路移動通信系統（FRMCS）用戶需求規范（V5.0.0）》［2］。中外需求規范均提及在基礎設施缺失、故障等情況下仍可進行通信的需求［1-2］，這也是GSM-R系統一直未能解決的技術瓶頸。同時，GSM-R本身能力有限，現階段未能承載全部鐵路通信業務，非行車安全相關的通信業務不得不借助數字對講或Wi-Fi等網絡作為通信網絡的補充手段。因此，在鐵路新一代移動通信系統中，盡可能將鐵路通信業務部署在同一張通信網上，以提高作業效率，同時，實現基礎設施共享，降低建設和運維成本也十分必要。第三代合作伙伴項目（3GPP）制定LTE標準時，已針對鄰近服務（ProSe）的可行性進行了深入研究，在5G標準制定中，ProSe再次成為備受關注的重點技術之一。ProSe是設備到設備（D2D）、車到車（V2V）以及車到萬物（V2X）實現的基礎，可支持鄰近脫網通信和直接通信，技術特點符合鐵路對新一代移動通信的要求，為故障弱化、廣覆蓋、大連接以及其他衍生應用提供了技術支撐。

1 D2D ProSe技術

1.1 關鍵技術

D2D ProSe的設計理念為:無論用戶終端是否在有效的蜂窩網絡覆蓋下，用戶終端間均可實現鄰近發現、直接通信和中繼功能。

（1）鄰近發現是指用戶終端在可通信范圍內發現能與之匹配的終端的過程。3GPP早在LTE相關規范中就定義了D2D ProSe鄰近發現模式分為模式A和模式B［3］。5G下的D2D ProSe發現模式沿用LTE的發現模式。在模式A中，終端被定義為廣播終端和監聽終端2種角色。廣播終端按照預設置的廣播間隔周期性地廣播D2D ProSe相關發現消息，監聽終端接收廣播并與之進行業務匹配。模式B則是終端之間以“請求—響應”的方式進行發現匹配［4］。

（2）直接通信分為有網絡參與和無網絡參與2種方式。有網絡參與的直接通信，網絡只提供通信過程中的信令控制，終端間直接進行數據交互；無網絡參與的直接通信，用戶的控制消息和業務數據在傳輸過程中均不需任何網絡節點參與。直接通信支持點對點通信和點對多點通信。

（3）中繼功能分為終端中繼到網絡和終端中繼到終端。在LTE階段，對中繼功能的研究僅局限在終端中繼到網絡，小區邊緣或盲區下的終端以鄰近終端作為中繼節點，經過單跳或多跳接入蜂窩網絡。而在5G階段，新增了終端中繼到終端的功能，在拓展網絡覆蓋的同時，也為萬物互聯提供了技術方案。

1.2 網絡架構

3GPP給出5G系統的ProSe網絡架構建議（見圖1）［4］。由于5G核心網采用基于服務、云化的網絡架構，核心網各邏輯功能單元可靈活地在原有功能基礎上加載D2D ProSe相關功能，用戶終端也相應地增加了D2D ProSe功能。在5G核心網外圍，針對不同ProSe業務應用，需設置相應的ProSe應用服務器。

圖1 5G系統的ProSe架構（轉自3GPP）

1.3 接口協議

由圖1可見，PC5接口是具備ProSe功能的用戶終端之間的無線邏輯接口，該接口用于實現設備發現、直接通信和中繼功能，為用戶終端提供控制平面信令和用戶平面數據的交互。PC5接口在控制平面增加了ProSe控制協議，用來建立、保持和釋放用于直接通信的第2層鏈接等，控制平面協議架構見圖2。PC5接口的用戶平面協議與原空口用戶平面協議保持一致（見圖3）。PC3接口是用戶終端與直接發現名稱管理功能 單元（Direct Discovery Name Management Function，DDNMF）間的邏輯接口，向用戶終端發送鄰近發現請求的授權消息，其接口協議見圖4。PC2是各ProSe應用服務方與5G DDNMF之間的邏輯接口，用來交互ProSe各應用服務的授權策略，其接口協議見圖5。

圖2 PC5接口控制平面協議架構

圖3 PC5接口用戶平面協議架構

圖4 PC3接口協議架構

圖5 PC2接口協議架構

1.4 技術優勢

（1）具備完整的端到端服務質量（QoS）機制。針對業務類型配置不同QoS級別，滿足各業務的服務質量需求［5］。

（2）相較其他近距離通信技術（藍牙、Wi-Fi Di?rect等），D2D通信更靈活，既可工作于授權頻譜，也可工作于非授權頻譜［5］。3GPP在基于LTE的D2D技術研究報告中已給出D2D可使用的頻段范圍，包括B2、B3、B4、B7、B14、B20、B26、B28、B31、B41［6］。頻譜適用范圍較廣，支持我國鐵路擬分配的授權頻段。

（3）通信資源分配模式既可使用專用頻譜資源，也可復用蜂窩網絡頻譜資源，資源分配方式靈活。應用中可根據業務需求或網絡負載情況靈活配置，提高頻譜資源利用率，增加系統的吞吐量。

（4）由于直通模式下用戶終端間的數據交互可以不經過蜂窩網絡轉發，有效降低了通信時延，提高了傳輸速率，減輕了基站與核心網的負荷。

（5）中繼功能有效擴展小區覆蓋范圍，起到弱場補強的作用。

2 鐵路潛在應用分析

利用D2D ProSe不但能夠滿足網絡需求規范中提出的“故障弱化，單站點通信和直通模式”場景需求，其在有效網絡覆蓋下的直通模式與中繼模式也可應用于鐵路不同業務場景，具有較強的業務延展性。在此，舉例分析D2D ProSe技術在網絡基礎設施故障和網絡基礎設施工作正常情況下多個鐵路作業場景的可用性。假設場景中所描述的終端都具備ProSe功能，并已簽約ProSe業務。

2.1 網絡故障場景

在傳統蜂窩網絡中，終端的所有信息都必須經由基站或者其他中心控制節點進行轉發［7］，當遭遇核心網故障或基站故障等形成網絡覆蓋盲區等極端情況時，D2D ProSe可作為輔助應急通信在局部范圍內使用，為應急救援工作提供緊急通信保障。D2D ProSe技術使網絡故障區域內的用戶仍可進行通信或通過中繼接入到蜂窩網絡。

（1）當核心網故障時，將導致所有使用蜂窩網絡的業務中斷，此時具備D2D ProSe功能的終端設備可通過鄰近發現模式A或模式B，周期性地在其射頻信號發射范圍內探測是否存在能與之匹配的其他終端設備進行直接通信。例如，采用D2D ProSe點對點或點對多點的方式發送列車位置信息、接近信息或其他緊急信息等。最先接收到信息的終端設備也可將該信息再次通過直接通信的方式轉發給其他鄰近終端設備，以此擴大救援等應急信息傳遞的地理范圍。設備發現和直接通信流程見圖6。

圖6 設備發現和直接通信流程

（2）當單基站故障導致小范圍覆蓋盲區時，終端設備可借助自身的上行無線資源，搜索發現相鄰小區內可正常接入蜂窩網絡的作業終端，以此終端為中繼節點，經一跳或多跳接入網絡，從而繼續使用蜂窩網絡資源收發信息。例如，極端情況下行車區間內的某小區基站發生故障導致覆蓋盲區時，車載終端設備可根據實際鄰近情況，選擇后方或前方小區下的終端設備作為中繼節點發送信息。當作為中繼節點的終端設備不再滿足中繼條件時，盲區下的車載設備可再次選擇新的終端設備作為中繼節點接入網絡。協議規定，D2D ProSe的中繼功能可為被中繼的終端設備提供其業務所需的QoS等級，并保障中繼節點轉發數據的安全性。中繼流程見圖7。當盲區下的終端設備檢測到可用的蜂窩網絡后，可自動從中繼模式切回至蜂窩網絡。這種中繼通信方式也可應用在因地形地勢等原因導致的弱場覆蓋區域，從而間接補足場強。

圖7 中繼流程

2.2 編組場調車作業

結合編組場作業范圍和作業人員相對集中這一特點，編組場調車作業無線通信方式可考慮蜂窩通信和D2D ProSe相結合的方式。以平面調車為例，調車區長、調車長、調車司機、調車員之間以點對點或點對多點的方式傳送調車指令以及調車作業單等作業信息［8］。在作業環境空曠區域，無線電波傳播環境較好，可優先采用D2D ProSe直接方式完成編組作業。無線資源的分配可根據編組場的網絡負載量和業務對QoS的等級需求情況進行規劃，為D2D ProSe分配專用頻譜資源或與蜂窩用戶共享頻譜資源。正在進行直接通信的作業終端可同時與其他作業終端進行蜂窩通信。當通信距離超過直通距離時，網絡自動為正在進行信息交互的作業終端切換到蜂窩通信模式。

2.3 客站作業

鐵路客站是旅客列車的交通樞紐，是鐵路運輸的重要環節之一，但目前鐵路客站的無線通信并沒有納入GSM-R系統。隨著越來越多的客運專線和高鐵線路投入運營，客站的作業組織與服務壓力隨之加大，為了提升客運服務質量，提高應對突發事件的指揮、協調和處理能力［9］，將客運的無線通信納入新一代移動通信系統勢在必行。

鑒于客站通信除了承擔行車運營業務外，還需為客運作業人員提供語音和數據服務來傳送作業計劃、通告和圖像等，因此網絡負載較大。基于以上因素，可在客站使用D2D ProSe技術實現網絡流量的卸載。針對數據量較大且實時性要求不高的作業任務，可配置客站作業近端服務節點，通過蜂窩網絡提前將作業數據下載至近端服務節點，再通過近端服務節點為有作業需求的終端提供點對點或點對多點的直通數據交互。直接通信流程見圖8。同樣，根據站臺、車廂內乘務人員間的通信特點，也可為其選擇D2D ProSe直接通信以取代現有的模擬/數字對講通信方式。由于各作業終端不直接使用蜂窩網絡收發數據，有效降低了蜂窩網絡的業務負載，使蜂窩網絡有充裕的資源為其他QoS等級較高的業務提供服務。

圖8 直接通信流程

3 D2D ProSe應用面臨的問題

鑒于無線電管理部門為鐵路新一代移動通信系統授權的專用頻譜帶寬資源有限，因此，不可能毫無限制地將全部業務都納入到鐵路新一代移動通信系統中。如何充分利用D2D ProSe的技術優勢，發掘更多適用于D2D ProSe場景的應用，還有待于進一步探索。

（1）D2D ProSe的無線資源分配方式分為共享資源和獨占資源，在應用中需規劃D2D ProSe的資源分配方式，使其在對蜂窩通信影響最小的情況下，最大限度提高頻譜資源利用率，充分發揮技術優勢，從而滿足鐵路作業需求以及業務的QoS需求。

（2）D2D ProSe應用的前提是終端設備支持D2D ProSe功能，因此，需設計開發支持D2D ProSe功能的多種作業終端。

（3）聚焦業務需求與D2D ProSe技術優勢，探索既有業務以及未來新型業務對D2D ProSe的適用性。

（4）需在多種作業場景下開展D2D ProSe試驗，驗證D2D ProSe的鄰近發現時延、直接通信吞吐量和丟包率等指標，為廣泛拓展D2D ProSe應用提供有效指導。

4 結束語

新一代鐵路移動通信網絡是鐵路信息化、數字化、智能化的重要基礎設施和關鍵技術裝備。在新一代鐵路移動通信系統應用中，既要考慮既有業務如何向新一代移動通信遷移與升級，也要考慮如何利用新型業務服務于鐵路生產運營。D2D ProSe技術在很大程度上提高了網絡的健壯性和業務容量，為更多非行車安全相關的鐵路業務能夠使用鐵路新一代移動通信網絡搭建了橋梁，便于基礎設施共享，節約建設投資和維護成本，推進鐵路新一代移動通信網絡的綠色發展。