LTE-R系统架构研究

王 芳邸士萍

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；

2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

LTE-R系统架构研究

王 芳1，2邸士萍1

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；

2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

简要介绍国内外铁路下一代移动通信系统的研究现状，提出我国的LTE-R系统架构，主要包括EPC系统、无线接入网和用户设备。为实现语音业务，重点分析EPC的构成，引入IMS系统。对无线接入网的组成进行描述，并提出用户设备的分类和功能需求。对LTE-R系统架构研究具有参考意义。关键词：LTE-R；系统架构；EPC；无线；用户设备

1 概述

2011年12月，国际铁路联盟（International Union of Railways，UIC）在综合技术和产业等多方面因素后，于第七届高速铁路大会上明确提出，铁路移动通信系统将跨越3G技术，直接向LTE-R发展。2014年4月，UIC在土耳其伊斯坦布尔召开的第11届ERTMS国际会议，提出LTE-R发展规划。2016年3月，UIC发布未来铁路移动通信系统用户需求规范（Future Railway Mobile Communication System User Requirements Specification，FRMCS URS）V2.0文档，针对此需求，3GPP启动了铁路新一代通信系统调查，调查FRMCS URS通过3GPP Release 14的功能能否支持，以及是否需要基于Release 15进行研究，调查结束后，将以实现FRMCS URS所需的标准为目标，确定标准化所必须的项目。

UIC关于铁路下一代移动通信系统的功能需求和系统需求规范要分别到2017年和2018年才能发布，国内相关规范正处于研究当中，LTE-R系统架构尚未完全明确。本文中的LTE-R系统架构是在对国内LTE-R相关功能和系统需求研究的基础上提出的，供相关人员参考。

2 LTE-R系统架构

演进分组系统（Evolved Packet System，EPS）是3GPP标准委员会制定的3G UMTS演进标准，主要包括无线接口长期演进（Long Term Evolution，LTE）和系统结构演进（System Architecture Evolution，SAE）。

整个EPS系统由核心网（EPC，与SAE对等）、基站（eNodeB）和用户设备（UE）3部分组成。其中，EPC负责核心网部分，EPC的信令处理部分称移动性管理实体（MME）；数据处理部分称为服务网关（S-GW）；eNodeB负责接入网部分，也称E-UTRAN；UE指用户终端设备。

2.1 EPC系统

铁路应用的EPC系统既需要实现数据业务，还需要实现语音业务以及集群调度业务等，因此需要在目前公网应用比较成熟的实现数据业务的EPC系统架构基础上增加实现语音以及集群调度功能的网络单元。

语音业务主要有3种解决方案：

电路域回落方案（Circuit Switched FallBack，CSFB），公网中目前主要应用的是CSFB方案，严格说来，CSFB并不是一种真正的LTE VoIP技术。在CSFB方案中，终端开机优选LTE网络，由LTE重选至2G/3G。LTE网络不提供话音业务时，利用2G/3G提供话音的能力，终端空闲态驻留在LTE，呼叫建立前需先回落至2G/3G，由其电路域提供话音。

IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）方案， IMS是3GPP/3GPP2（移动）和TISPAN/ITU-T（固定）、PacketCable（IPTV）、Wimax定义的网络架构的核心。2005年Release 6冻结后，对IMS的功能进行增强，达到了商用要求。IMS是个开放的网络架构，提供了基于IP承载的、与接入无关的IP多媒体业务控制能力。IMS基于IP的传输、会话控制和业务实现，是语音、视频、图片、文本等多种媒体的组合，并在多种接入基础之上具有不同能力的终端组合，其依赖于现有网络技术和网络设备发展的系统，最大程度重用现有网络系统，在无线网络中把PS/GPRS网络作为承载网络，在固定网络中把基于固定接入IP系统作为承载网络。IMS不仅可以实现基本的VoIP业务，更重要的是IMS将更有效的对网络资源、用户资源及应用资源进行管理，提高网络的智能化。

集群方案，3GPP集群标准工作组包括5大专题：

1）GCSE（Group Communication System Enabler）：主要规范与PTT（Push To Talk）相关的无线承载方面，目前确定了GCSE架构，在EPC之外引入GCSE应用服务器，LTE系统作为传输通道，可以采用PTP（Precision Time Protocol）或者MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）机制。

2）MCPTT（Mission Critical Push To Talk）：目标是实现PTT端到端业务，主要规范集群服务器和终端应用层方面，利用LTE提供的GCSE和ProSe能力，在应用层设计呼叫控制过程，实现完善的语音集群功能。预计2017年冻结的Release 14阶段，MCPTT在漫游、抢占、业务连续性方面还将得到增强；集群通信将增加视频、数据功能，并支持350km/h及以上的高速列车运行。

3）IOPS（Isolated E-UTRAN Operation for Public Safety）：类似单站系统，在接入网和核心网间的连接中断时为公共安全人员继续提供语音、视频和群组通信服务，或者在无网络覆盖/网络覆盖由于自然灾害等原因被破坏的区域建立临时的无线网络。在Release 14阶段IOPS功能还将得到增强。

4）ProSe（Proximity-based Service）：类似DMO（Direct Mode Operation），在Release 12阶段仅完成了网络辅助的D2D（Device to Device）通信和无网络覆盖下的点到多点广播通信。还不能完全替代窄带的脱网直通功能，ProSe在Release 13阶段完成了无网络覆盖下两个终端之间的通信。

5）SC-PTM（Single Cell Point to Multipoint）：在MBMS的架构下，在空口引入单小区广播方案，通过共享信道为群组用户传输数据，特点是组播区域动态、组播区域可为单小区。

语音业务方案比选：

CSFB方案，主被叫均需回落后才能接续，呼叫建立时延增长。LTE-R网络建成以后，考虑到维护的压力和GSM-R网络产品的生命周期，不太可能长期保留GSM-R网络，所以该方案作为过渡方案尚可，不适合铁路专网作为目标网络长期使用。

IMS是3GPP标准的基于EPC架构的话音解决方案，已经在公网运营商中广泛部署，其技术方案、设备成熟度得到实际验证，属于成熟稳定的解决方案；IMS提供基于QoS（Quality of Service）的各种不同等级的呼叫管理，包括紧急呼叫、普通呼叫等，并可以保证终端在不同网络之间移动时话音业务的连续性，如LTE网络之间、LTE与2G网络之间；IMS相关网元和接口较多，组网相对复杂，但IMS的部署形式比较灵活，简化的配置仅需要部署CSCF（Call Session Control Function）、SBC（Session Border Controller）、HSS（Home Subscriber Server），物理形态仅需要新增一台服务器即可，而且可考虑将EPC功能与IMS功能整合；IMS系统经过长时间的发展，从系统架构合理性、后期扩展性以及与各传统设备如PSTN （Public Switched Telephone Network）、MSC （Mobile Switching Center）等的接口定义比较清楚，有利于互联互通的实现；IMS实现富媒体通信，如增强型通讯录、即时消息、群组聊天、文件传输等业务比较容易，有利于将来铁路业务的创新。其中网络承载层/网络业务层采用分层结构，IMS为业务层的一个层面。NG2R成员包括国际铁路联盟（UIC）、欧洲铁路局（ERA）、工业界（Industry）和运营者（Operator），在NG2R目前的系统架构中，IMS作为业务层的一个层面，但尚未达成最终的一致意见。

3GPP Release 13版本MCPTT技术标准涵盖了GSM-R集群语音及增强需求，特别针对铁路应用的需求包括如功能号码、基于位置的路由、接入矩阵、区域限制呼叫、区域动态重组等业务，Release 14还增加视频多媒体和数据业务功能等需求；3GPP MCPTT技术标准采用一个应用服务器（MCPTT Server）+终端APP，即可解决目前铁路的语音业务需求，MCPTT Server实际上是GCSE架构下的一种应用服务器（AS），可内置一个SIP Core，从而具备语音和业务交换及控制的能力，网络结构简单，易于维护。未来3GPP MCPTT技术标准有可能作为铁路应用的主要无线通信候选技术之一。

综上所述，从国际化角度考虑，建议积极跟踪NG2R及3GPP研究情况，再进一步确定EPC系统网络结构。根据NG2R目前的系统架构，EPC及整个LTE-R系统示意如图1所示。

图1 LTE-R系统示意图

EPC由移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）、归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）、服务网关（Serving GateWay，S-GW）、PDN网 关（PDN GateWay，P-GW）、多媒体广播多播服务网关（MBMS GateWay， MBMS-GW）、广播多播业务中心（Broadcast-Multicast Service Centre，BM-SC）、多小区/多播协调实体（Multicell/multicast Coordination Entity，MCE）、策略与计费规则功能（Policy and Charging Rule Function，PCRF）等设备组成。

IMS由呼叫会话控制功能（Call Session Control Function，CSCF）、出口网关控制功能（Breakout Gateway Control Function，BGCF）、媒体网关控制功能（Media Gateway Control Function，MGCF）、IP多媒体网关（IP Multimedia-MGW，IM-MGW）、信令网关（Signalling GateWay，SGW）、互通边界控制功能（Interconnection Border Control Function，IBCF）、转换网关（Transition GateWay，TrGW）、电信应用服务器（Telephony Application Server，TAS）、多媒体资源功能（Multimedia Resource Function，MRF）等设备组成。

2.2 无线接入网

LTE-R无线接入网由eNodeB组成，提供LTE-R网络范围内的无线覆盖。eNodeB采用分布式架构，由基带单元（BaseBand Unit，BBU）和射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）组成。BBU主要完成基带信号处理、协议转换和资源调度等功能，并通过S1接口与MME/S-GW所在的核心网进行数据交互。RRU提供LTE-R网络的无线覆盖，通过Uu口完成用户设备（User Equipment，UE）的接入和无线链路传输功能。RRU通过光纤连接至BBU，呈带状分布于铁路沿线两边，保持对铁路的无缝覆盖，实现与列车的通信。

2.3 用户设备

UE通过空中接口（Uu接口）与基站设备相连，并通过这个基站设备与核心网实体通信，进而完成整个端到端的业务接续。根据用途和功能的不同，UE可分为多种类型。

1）机车综合无线通信设备：为列车司机提供LTE-R语音通信，同时可提供数据、图片和视频传送业务；

2）其他车载终端：为列控系统、机车同步操控系统、监测、监控等系统提供数据、视频接入业务；

3）通用手持台：为铁路生产相关工作人员提供LTE-R网络接入功能，具备基本的语音通信、数据、图片和视频传送功能；

4）作业手持台：为铁路生产工作人员提供LTE-R网络接入功能，具备基本的语音通信，数据、图片和视频传送功能。

LTE-R系统作为宽带移动通信网络，将为铁路生产及相关工作人员提供便利的通信条件，除业务种类丰富，业务带宽增加给用户带来全新的应用体验以外，还可满足用户对终端的更加人性化的需求。通过调研了解到，无论是铁路线上的运营人员，还是铁路线下的现场维护人员，在作业时要携带多套不同制式终端，负担重，使用不灵活。铁路用户对于手持终端的需求，除了基本的语音通信功能之外，动车段、电务段、通信段等用户希望手持终端还可以支持数据、图片、视频回传，照明，定位等功能；客运段用户则希望手持终端除支持语音通信，数据、图片、视频回传功能外，还可以实现移动售票、验票、定位、考勤、文件签收、编制乘务日志等功能。所以，LTE-R用户终端应集成多种功能，同时可以考虑在形式上的多样化，适应各类铁路用户使用场景。

3 需要解决的问题

1）目前，西班牙、韩国等国家已开展高速铁路下一代移动通信的相关试验，我国也将在京沈客专建设LTE-R试验段，预计2018年开始对LTE-R系统的功能及性能进行测试。目前京沈客专的试验系统架构语音通信通过MCPTT AS解决，建议引入IMS系统后的架构在后续试验阶段进行验证。

2）目前，铁路下一代多媒体调度通信产品基于IMS进行研发，中国铁路总公司正组织开展铁路多业务统一通信关键技术的研究，涉及IMS架构，本文在LTE-R系统中也引入了IMS系统，各系统独立建设IMS系统，还是实现统一组网，需要开展研究工作。

This paper briefl y introduces the research status of the next generation mobile communication system for railways at home and abroad, and puts forward Chinese LTE-R system architecture, including EPC system, radio access network and user equipment. In order to realize voice services, it analyzes the structure of EPC, introduces the IMS system and the composition of the radio access network, and proposes the classification and functional requirements of user equipment. The paper can provide significant reference for the research on LTE-R system architecture.

LTE-R; system architecture; EPC; radio; subscriber equipment

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.007

2016-09-26）

中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题项目（2015X010-D）