铁路LTE-R语音组呼业务实现方案探讨

李洪宇

（通号通信信息集团有限公司，北京 100070）

1 概述

目前，以GSM-R为代表的数字集群标准在全球铁路市场获得广泛应用，但随着通信技术不断的更新换代，国际铁路联盟（UIC）的E-Train项目通过调研铁路公司的现状和需求，发现未来的铁路移动通信系统需要提供超过200种信息服务。铁路公司希望采用新技术，以一张统一的无线网络承载宽带专业集群、视频、数据等多种业务，满足未来铁路信息化的需求。另一方面，随着公网运营商逐步关闭GSM网络，GSM设备供应商也会在未来10年内由于GSM市场的萎缩而逐渐淘汰相关设备。因此铁路行业的无线通信急需一种全新的无线宽带网络满足未来发展的需求。从历史发展的经验来看，铁路无线技术的应用一般采用在公网最新技术成熟应用的基础上，加上铁路自身的业务需求，形成适合铁路行业自身规律的技术标准。因此，作为目前商用的最先进的LTE技术，其在公网已经经历近10年的大规模商用部署，LTE整个产业生态已比较成熟，UIC已明确把LTE-R作为未来铁路无线通信技术的演进方向。

GSM-R最主要的业务功能是实现语音组呼的功能，由于LTE是一个纯IP的数据网络，如何在LTE-R网络中实现语音组呼业务是一个值得探讨的课题。

2 用eMBMS技术实现铁路LTE-R语音组呼业务的无线承载

要在LTE-R中实现语音组呼功能，涉及到点到多点的通信，对于珍贵的无线信道资源来说，组呼在无线承载上采用点对点的通信是对信道资源的巨大浪费。因此，对于LTE-R组呼业务的承载，可使用LTE网络的多播组播技术，即通过增强型广播与组播技术（eMBMS）实现LTE语音组呼业务的无线承载，这个功能主要由LTEeMBMS相关网元配合实现。

eMBMS的特点是通过共享无线和传输资源，并以点对多点的方式传输语音、视频等流媒体业务，这样既提升网络无线资源利用率，也可以提升多播用户的业务体验。LTE系统中支持eMBMS功能的网络结构,如图1所示。主要由LTE核心网EPC相关功能实体（MME和MBMS-GW）、E-UTRAN相关功能实体(MCE和eNodeB)、BM-SC广播多播业务中心等构成[1]。内容提供商将多播业务接入BM-SC业务中心,BM-SC将多播业务汇聚并通过LTE网络分发给相应的授权用户。LTE网络中eMBMS方案架构和相关接口描述如下[2]。

图1 LTE eMBMS网络架构Fig.1 LTE eMBMS network framework

1）M1接 口：MBMS-GW网 关 和eNodeB基站之间的接口，该接口是一个纯粹的用户面接口。MBMS-GW网关可以通过M1接口连接到多个eNodeB基站，实现IP多播数据的分发。因此M1接口具有实现管理IP多播组的功能。由于M1接口没有上行数据，为实现eNodeB之间多播数据内容的同步，BM-SC和eNodeB之间通过SYNC同步协议实现业务的同步，因此M1接口中也包含SYNC同步协议的信息[3]。

2）M2接口：eNodeB基站和MCE之间的接口，一个MCE可以通过M2接口连接到一个或者多个eNodeB基站。M2接口主要实现基站的多播模式的无线参数配置、多播会话信令控制和管理、MBMS调度信息的传输、MBMS信令同步、M2接口的管理等[4]。

3）M3接口：MCE和MME之间的接口。M3接口主要用于MBMS会话的管理信令承载。MBMS会话的管理信令主要实现多播会话的开始、更新和停止等业务过程；MME通过M3接口实现MBMS E-RAB无线资源的管理功能，从而实现对E-UTRAN无线资源的建立、更新和释放等管理功能[5]。

4）SGimb/SGmb接口：实现BM-SC对LTE系统提供和传送移动多播组播业务。主要功能包括负责建立和控制核心网中MBMS的传输承载、负责MBMS传输的调度和传送、向终端设备提供业务通知、负责管理组播模式下的安全问题。

5）MB2接口：主要实现TMGI的管理和控制、MBMS的承载控制、BM-SC的选择及过载管理[6]。

3 用MCPTT技术在应用层实现铁路LTE-R的语音组呼业务

虽然eMBMS实现了LTE-R语音组呼业务点到多点的无线承载，由于LTE是一个纯粹的数据网络，为了支持语音组呼业务，还要实现语音的编码、语音组呼的业务控制、身份管理、配置管理等功能。

公网LTE网络为实现语音业务功能，使用IMS等相关网元做支撑，但在LTE-R专网还需要实现点到多点的语音和视频等业务通信，如果在网络业务层面采用组呼转点呼的方案，将对无线空口资源产生极大浪费，而且对整个业务的时延也有比较大的影响。因此，3GPP对LTE如何应用到专网领域有很多的研究，并在3GPP R13标准中，针对公共安全方面的业务需求，提出LTE MCPTT解决方案[7]。因此对于LTE-R语音组呼业务，可在业务应用层面采用MCPTT相关技术来实现。

3GPP R13协议规范中对MCPTT的业务框架做了详细的描述，并提出一系列的协议规范建议。LTE MCPTT系统架构如图2所示。MCPTT实现多播功能的主要接口描述如下。

图2 MCPTT网络架构Fig.2 MCPTT network framework

MCPTT-1接口：MCPTT服务器和MCPTT终端之间的接口，主要用于MCPTT信令的建立和控制，采用SIP协议来传输承载相关信令。同时,MCPTT-1接口还需提供服务器和终端之间组播业务的TMGI等位置信息。

MCPTT-8接口：用于实现MCPTT服务器和MCPTT终端之间多播业务媒体资源的承载功能。可通过多播通路LTE MB2接口实现[8]。

MCPTT-9接口：用于实现MCPTT服务器和MCPTT终端之间多播业务的话权优先级控制功能。可通过多播通路LTE MB2接口实现。

MCPTT-7接口：用于实现MCPTT服务器和MCPTT终端之间单播媒体资源的承载功能。可通过单播通路LTE SGi实现。

MCPTT-4接口：用于实现MCPTT服务器和MCPTT终端之间单播业务的话权优先级控制功能。可通过单播通路LTE SGi实现。

MCPTT-5接口：利用LTE EPS的Rx接口，在MCPTT服务器进行媒体资源分发时，实现对EPS单播业务的QOS进行控制功能。

MCPTT-6接 口:MCPTT服务器和BMSC之间的接口，用于实现在LTE网络内对多播组播业务的承载建立、控制和媒体资源的分发功能。

CSC接口：主要是实现MCPTT服务器和MCPTT终端之间的组管理、配置管理、身份管理以及密钥管理，其承载协议一般采用SIP或HTTP协议。

4 总结

在LTE-R网络中要实现语音组呼功能，利用eMBMS技术实现无线多播承载的功能，通过MCPTT服务器打通经过LTE网络的BM-SC等无线设备网元到MCPTT终端的无线多播通道；应用层面利用MCPTT技术，实现用户之间的语音组呼业务等功能。