鐵路5G-R語音調度通信系統研究

肖正杰，張 亮，孫 迪

（通號通信信息集團上海有限公司，上海 200071）

1 鐵路5G-R標準進展

為滿足鐵路數字化轉型的需要，考慮GSM-R產品的生命周期，國際鐵路聯盟（UIC）計劃到2030年將GSM-R逐步過渡到下一代鐵路移動通信系統，并于2016年3月發布未來鐵路移動通信系統（Future Railway Mobile Communication System，FRMCS）用戶需求規范。同年3GPP工作組SA1開始著手研究該用戶需求規范，并完成R14標準中網絡已經具備功能的差距分析，并將這些差距列為3GPP R15標準中的研究工作。在R15、R16標準中，3GPP SA6分別完成了第一、第二階段鐵路移動通信系統的研究，并確定了FRMCS需求與第二階段任務關鍵業務規范之間的差距。在R17標準中，將完成第三階段鐵路移動通信系統的研究，改善FRMCS的通信網絡架構，完成鐵路移動通信系統的差距分析。在R18標準中，將進行鐵路智能客站服務、鐵路通信系統互連及遷移方面的研究。

2 5G-R與GSM-R語音調度通信系統的主要區別

語音調度通信系統是保證鐵路行車安全和運輸安全的重要支撐系統，主要用于鐵路沿線工作人員的內部語音通信。因此，鐵路從GSM-R演進到5G-R時，5G-R也必須支持現有的語音調度通信功能。GSM-R語音調度通信系統屬于數字窄帶通信系統，核心技術是在GSM電路交換的基礎上，疊加組呼VGCS、廣播VBS、優先級搶占eMLPP等鐵路專用功能，滿足鐵路語音調度通信業務的需求。5G-R語音調度通信系統則屬于寬帶通信系統，其核心是基于業務與網絡承載分離的理念，利用5G實現數據的IP承載和移動性管理，基于端到端全IP交換的技術，在業務層利用MCPTT技術實現語音呼叫流程，實現鐵路移動語音調度通信功能。因此，從GSM-R演進到5G-R，對鐵路語音調度通信業務來說是一次巨大的技術變革，5G-R與GSM-R語音調度通信系統的主要區別如表1所示。

表1 5G-R與GSM-R語音調度通信系統的主要區別Tab.1 The main differences between 5G-R and GSM-R voice dispatching communication systems

3 5G-R語音調度通信系統

3.1 系統架構

3GPP對基于LTE/5G移動網絡的關鍵任務(Mission Critical，MC)通信標準進行了大量研究，并將MC通信業務從關鍵任務語音通信（Mission Critical Push To Talk，MCPTT） 拓展到關鍵任務視頻通信(Mission Critical Video，MCVideo）和關鍵任務短消息通信（Mission Critical Data，MCData）。 在 R13時，3GPP提出基于組呼業務使能器(Group Communication Service Enabler，GCSE)的基于 LTE的 MCPTT架構，用于寬帶多媒體集群業務的發展；目前3GPP在R17中正在研究基于5G的MCX網絡架構，也將基于現有的MCPTT體系架構，并做好與5G系統的適配。

5G-R語音調度通信系統將基于3GPP 5G相關標準，結合鐵路的功能號業務等特殊應用需求，對5G相關標準進行定制化改造來實現。其總體的網絡架構如圖1所示。

圖1 基于5G-R的語音調度通信系統架構Fig.1 5G-R voice dispatching communication system architecture

5G-R語音調度通信系統主要包括如下網絡實體。

MCPTT服務實體：通過集成的MCPTT服務器、SIP CORE，為用戶提供集群語音業務功能，包括語音各類呼叫控制、話權控制、媒體面處理、優先級搶占、配置管理、身份管理、群組管理、秘鑰管理等，也包含SIP域的注冊、業務選擇和信令路由功能。

5G-R核心網：主要為移動用戶提供網絡接入控制、注冊和連接管理、空閑態移動性管理、會話管理、QoS管理、網絡切片、負載控制和應用業務承載等功能。

5G-R基站：完成5G基站側的L1/L2/L3功能，包括無線資源管理、承載控制、連接態移動性控制、無線接入控制和無線資源調度。

終端：實現5G終端側L1/L2/L3/NAS層的功能，內置MCPTT客戶端實現語音業務的呼叫控制、話權控制、媒體收發、業務呈現及用戶相關管理。

在此架構中，5G核心網和5G基站作為承載管道對上層應用提供基于全IP的業務，保證承載的可靠性，MCPP服務器和客戶端配合實現呼叫業務流程。

3.2 協議棧

在5G-R語音調度通信系統中，協議棧主要涉及5G網絡層的協議棧和業務應用層的MCPTT協議棧。MCPTT的控制面和用戶面的數據都承載在5G網絡的用戶面，控制面的信令交互主要采用SIP/SDP協議，在5G網絡中使用5QI為69的資源承載，即表示承載資源的類型為Non-GBR(不提供最低的傳輸比特速率保證)，默認的網絡優先級為5，分組時延預算為60 ms，包錯誤率小于10-6；用戶面的語音數據以RTP數據包的形式在網絡中進行傳輸，在5G網絡中使用5QI為65的資源承載，即表示承載資源的類型為GBR(保證傳輸比特速率)，默認的網絡優先級為7，分組時延預算為75 ms，包錯誤率小于10-2)。各類數據在網絡各網元協議棧中的承載情況如圖2所示。

圖2 基于5G-R的語音調度通信協議棧Fig.2 5G-R voice dispatching communication protocol stack

3.3 關鍵技術實現

如圖3所示，5G-R語音調度通信系統關鍵技術主要包括5G技術和MCPTT技術。其中5G相關技術主要由終端側基帶芯片和5G-R網絡聯合實現，MCPTT技術主要由終端側的客戶端和MCPTT服務器實現。

圖3 5G-R的語音調度通信關鍵技術實現Fig.3 Key technology implementation of 5G-R voice dispatching communication

MCPTT+SIPCore系統主要實現應用層的SIP/HTTP等協議技術，實現用戶關鍵語音通信業務的相關呼叫流程和用戶管理；媒體面主要用RTP/RTCP等技術，實現語音流的控制、語音編解碼轉換及混合、語音流的收發。

對于5G-R網絡來說，除實現5G無線側和網絡側的核心技術外，還需實現MCPTT業務系統通過N5接口與5G網絡的PCF通信，實現對會話業務端到端的QoS控制，保證語音業務的通信質量。

UE側需利用5G終端芯片提供的網絡能力，對會話業務的QoS控制流程進行定制開發，并在IP層之上實現MCPTT協議定義的相關呼叫和管理流程，在媒體面實現AMR-WB的語音編解碼功能，同時考慮基于各類操作系統實現人機接口相關功能。

3.4 MCPTT語音呼叫性能要求

影響MCPTT通話質量的因素有很多，如協議選擇、最小化消息傳遞、承載技術選擇、合適的網絡部署等。考慮這些因素，3GPP定義了MCPTT語音呼叫性能要求。

MCPTT接入時間(KPI1)不包括用戶加入組的時間，定義為從MCPTT用戶通過按終端上的PTT請求說話，到該用戶獲得網絡的話權指示之間的時間，此時間不包括被叫用戶的確認。

端到端MCPTT接入時間（KPI2）定義為從MCPTT用戶通過按終端上的PTT請求說話，到該用戶獲得網絡的話權指示之間的時間，此時間包括被叫用戶的呼叫建立和確認時間。

口-耳延遲（KPI3）定義為發送用戶發出的語音與接收用戶揚聲器回放該語音之間的時間。MCPTT時延指標如圖4所示。

圖4 MCPTT時延指標KPI1/KPI2/KPI3Fig.4 MCPTT delay indexes KPI1/KPI2/KPI3

遲后進入時間（KPI4）用于組呼中用戶遲后進入的場景，即用戶加入組通話時，已有正在進行的語音傳輸。KPI4定義為用戶決定監控正在進行的MCPTT組呼，到用戶揚聲器回放該語音的時間。MCPTT時延性能指標如圖5所示。

圖5 MCPTT時延性能指標KPI4Fig.5 MCPTT delay index KPI4

3GPP對行業用戶進行調研分析后，最終提出行業關鍵任務通信中MCPTT語音業務的性能要求，具體如表2所示。

表2 MCPTT語音呼叫性能要求Tab.2 MCPTT voice call performance requirements

4 總結

鐵路行業是3GPP的5G標準中重點關注的行業之一，隨著鐵路行業與通信的不斷融合發展，5G-R標準將會加速完善，以逐步替代GSM-R系統，滿足鐵路行業信息發展需要。5G-R語音調度通信系統通過采用5G和MCPTT等關鍵技術，實現端到端的全IP移動通信、網絡與業務的解耦，將靈活適配未來鐵路豐富的調度管理需要。