浅谈铁路调度通信与列车控制系统

浅谈铁路调度通信与列车控制系统

铁路专用车辆通信系统是保证铁路运输安全的重要基础设施。铁路运输工艺和列车控制是涉及铁路运营安全的重要业务。目前，铁路数字移动通信系统（GSM-R）承载的调度通信和列车控制业务均基于电路域技术实现。随着5G技术不断的成熟、公网大规模商用，铁路专网也将采用5G技术。5G网络承载与应用分离、全IP化组网，不再支持电路域业务。1铁路业务1.1调度的调度铁路调度通信业务包括：列车调度、货运调度、机务调度、动车调度、客运调度、供电调度、电务调度、工务调度等。业务应用涉及移动终端、移动与固定终端（调度台）之间的个呼及组呼1.2列车控制及控制2009年武广高铁开通运营，基于GSM-R网络的CTCS-3级列控系统在我国高速铁路开始运用。GSM-R网络采用电路交换数据（CSD）业务通道承载列车控制系统的安全数据，与调度通信一样均是电路域业务。电路域是电路交换技术，不同用户独占各自分配的时隙，特点是数据量小、时延低。GSM-R网络的电路域技术很好地满足了铁路调度通信和列车控制业务的需求。5G网络基于分组域架构，分组域采用包交换方式，其特点是业务数据可以共享通道资源。面对网络承载技术的重大变化，铁路调度通信、列车控制业务需要在技术上进行演进，才能适应5G网络。2g公民通信IP多媒体子系统（IMS）最初由IMS网络主要包括：代理会话控制（P-CSCF）、服务/查询呼叫会话控制（S-CSCF/I-CSCF）、VoLTE应用服务（VoLTE-AS）、归属用户服务（HSS）、会话边界控制（SBC）等功能4G网络主要包括：移动性管理实体（MME）、服务网关（SGW）、应用网络网关（PGW）、策略与计费功能（PCRF）、无线接入网（RAN）、信令路由代理节点（DRA）等网元目前公众移动通信5G网络仅支持数据业务，语音呼叫业务仍然要使用4G网络的VoLTE技术，基于5G的语音业务称为VoNR(VoiceOverNR），其技术标准正在研究。mc技术下的调度指挥MC（关键业务）技术，早期称为“关键业务一键通”（MCPTT），是一种基于分组无线网络的语音集群通信技术，面向特定行业的调度指挥应用，属于专用无线通信技术。MC技术的特点是大量用户共享少量无线信道，具备快速的语音建立和抢占能力。MCPTT基于IMS技术，简化了IMS复杂的网络结构，具有大带宽、低时延、互联互通、易于规模建网等优点，支持鉴权、组管理、个呼、组呼、呼叫优先级、发言权控制、位置上报等功能2016年4调度系统终端对接参考基于铁路5G专网的MC集群通信系统架构主要包括：5G核心网（5GC）、无线网（RAN）、MC集群通信系统（简称MC系统）、MC移动终端。MC系统与铁路多媒体调度系统互联，实现调度固定用户与5G移动用户之间的多媒体通信，铁路多媒体调度系统兼容MC系统的接口和协议。MC系统主要包括：会话初始协议（SIPcore）、MC业务（MCservice）、公共管理（Commonservicecore）、用户数据库（SIPdatabase、MCuserdatabase）等功能模块4.1sip创造的应用SIPcore是MC系统控制面的核心，负责信令控制面的注册、业务选择和信令消息处理，负责管理与SIPcore功能相关的应用业务数据、服务注册标识、鉴权信息等。SIPcore与公共管理、用户数据库、MC业务等功能模块中的SIP应用（SIPAS）共同实现MC系统中SIP协议的控制及处理根据外部系统所采用的协议，SIPcore配置对应的协议处理功能。MC系统与5GC控制面的策略控制功能（PCF）之间采用基于SBI架构的HTTP/TCP协议4.2mc业务用户身份管理公共管理模块是MCPTT、MCVideo、MC-Data业务的公共逻辑功能实体，包括MC业务配置、身份、密钥、组、迁移、位置等管理功能。公共管理模块的各管理功能采用C/S（客户端/服务器）方式实现1）配置管理，用于配置MC相关的业务信息。2）组管理，用于管理用户的群组，为终端提供媒体面策略、呼叫控制信息，实现媒体控制及组呼控制功能。）身份管理，用于管理MC业务用户的身份，包括MC用户标识（MCID）、MC业务标识（MCserviceID）、MC业务组标识（MCservicegroupID）。MCID是MC业务用户在身份验证过程中的标识，MCserviceID是MC业务中的全局唯一标识，MCservicegroupID表示一组MC业务用户，MCID和MCserviceID可以相同。4）密钥管理，用于存储和向密钥管理客户端、组管理服务器和MC业务服务器提供安全相关的密钥信息，实现对媒体和信令加密以及完整性保护。5）迁移管理，用于MC系统之间配置信息的交互；终端的配置信息通常在归属MC中，终端在拜访地MC系统中实现相关业务时，需要通过迁移管理功能在MC系统之间传递用户配置信息。6）位置管理，用于接收和存储用户位置信息，并向MC业务服务器提供用户位置信息；位置管理功能还可以获取5G网络的用户位置信息。位置信息通常包括终端的卫星定位经纬度信息、终端在5G网络中所处的基站/小区信息，对于铁路而言，线路号、公里标也是位置信息。mc业务客户端MC业务模块实现MC系统的业务应用，用于语音、视频、数据媒体面的处理和话权控制，主要包含MC业务客户端、MC业务服务器、多播业务等功能实体1)MC业务客户端是MC应用的用户部分，通常在终端侧，能够报告终端当前的位置信息。2)MC业务服务器是实现MC业务的功能实体。属于同一个组的MC客户端应使用同一个MC服务器。如果MC客户端属于多个不同的组，可以关联相关的多个MC业务服务器。MC组管理应用（GCSAS）用于控制组通信的多播和单播功能。）多播业务功能（MBMS）负责配合无线通信系统，实现业务数据流的广播功能。4.4本方案的内容用户数据库主要包括SIP用户数据库（SIPdatabase）和MC用户（MCserviceuserdatabase）数据库1)SIP用户数据库，用于存储用户SIP协议相关的信息，并向SIPcore提供SIP订阅、标识、鉴权、应用服务选择等信息，配合SIPcore完成用户的注册、鉴权、呼叫控制、会话管理、移动性管理等功能。2)MC用户数据库，用于存储MC业务用户的业务功能签约配置文件，该配置文件关联用户的MC业务ID。）用户数据库的设置方式。5技术方案5.1基于网络功能的网络化，nfv5G的网络架构较4G产生了很大变化，采用了基于服务化（SBI）的架构，以网络功能虚拟化（NFV）为载体。传统的网元演变为网络功能，根据业务流程选择所需网络功能，完成控制面的信令交互5.2通信业务的实施计划公众移动通信网络在对于5G网络，MC系统中语音、视频、数据5.2.15g移动用户与gsm-r移动用户语音业务合作方案铁路5G专网MC系统与GSM-R移动交换中心（MSC）设备5.2.2g专网移动用户与多媒体调度系统铁路调度通信业务的呼叫对象主要是调度员/车站值班员（固定用户）、机车司机（移动用户）。机车司机呼叫调度员采用用户号码（ISDN）及短号码的方式。为有线调度系统（FAS）和多媒体调度系统规划不同的ISDN号段，可以区分FAS和多媒体调度系统的用户。调度员呼叫机车司机采用车次功能号的方式1）多媒体调度台发起呼叫。多媒体调度系统无法掌握被叫移动用户所处的移动通信网络时，不能区分被叫车次功能号是被GSM-R还是5G移动用户注册。目前采用双发方式将车次功能号同时送到5G和GSM-R网络中，移动通信网中的智能网设备（5GIN、GSM-RIN）判断被叫功能号的注册情况，正常情况下只有一个网络返回呼叫接续，如果同时返回呼叫接续则选择5G网络。5G网络返回呼叫接续通信流程见图7。5G网络中定义了位置管理功能（LMF），多媒体调度系统可以采用LMF流程获取5G移动用户的位置，有位置信息的被叫用户是5G用户、无位置信息的被叫用户则是GSM-R移动用户，未来可以研究采用该方式来判断被叫用户所属移动通信网络的具体流程。2)FAS调度台发起呼叫。5G网络建