铁路LTE-R网络MCPTT的应用研究

2019-05-16李春铎

铁道标准设计 2019年6期

李春铎,李辉,蔺伟

(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081; 2.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

作为交通强国的先行者，铁路对促进我国交通行业的发展起着至关重要的作用。随着我国高铁技术不断取得突破，GSM-R作为窄带通信系统已逐渐不能满足未来铁路多样化业务的需求。2015年，中国铁路总公司科技管理部和运输局成立中国铁路下一代移动通信技术研究工作组，全面开展LTE-R技术研究[1]。LTE-R在LTE网络的基础上加入了适用于铁路应用场景的新特性并适用于高速场景。调度语音通信作为铁路通信中最关键的业务之一，势必要引入更先进的技术来实现。MCPTT是3GPP组织针对公共安全和铁路运输提供的全新语音功能，关键优势在于基于LTE架构，实现关键任务的即按即通。

1 现网系统的铁路调度通信

1.1 现网系统的调度语音通信

目前我国铁路所使用的调度语音通信系统为GSM-R+FAS(固定用户接入交换机)无线+有线系统混合组网[2]。车站台和调度台通过FAS连接到GSM-R的移动交换中心(MSC)，以实现无线通信系统与有线通信系统间的互联。具体组网如图1所示[3]。这种组网方式可以满足移动台和固定终端间的调度语音业务。

图1 GSM-R+FAS方式组网

组呼作为铁路通信中一种调度语音呼叫，在提升列车运行效率、确保运输安全方面起着重要作用[4]。组呼是典型的点对多点通信方式，有多个成员参与(移动台或固定终端)，同一时刻只有一人可以讲话，其余成员聆听。签约了同一组ID的所有成员可以接收组呼业务，如果用户想要讲话，需按下PTT键，便可以以主叫身份讲话[5]。组呼打破了点对点呼叫的限制，可以快速地建立如列车调度员、车站值班员、机车司机间的多方通信。

1.2 现网系统调度语音通信的局限性

(1)GSM-R网络架构相比于LTE-R，采用了非扁平化的网络结构，网络结构更加复杂(如包含基站控制器)，这使通信的语音、数据时延更大。

(2)GSM-R系统在进行组呼时，组内想要发言的成员必须发送信号申请发言权。成为讲话成员的权利以先到先得的方式分配，不设置排队机制，且不限制用户讲话的时间，这样就不能保证组内其他同优先级的成员及时的获得话权[6]。

2 LTE-R网络的MCPTT调度语音通信

MCPTT为3GPP在R13版本中提出的一种支持多用户通信(如个呼、组呼)的服务，是未来公网对讲发展的主要方向之一。每个用户都可以以一种仲裁的方式获得讲话许可[7]。当发生多个连接请求时，根据用户优先级特征来决定接受哪个用户的请求、拒绝哪个用户的请求或安排用户排队等待。 MCPTT服务可以让具有较高优先级的用户(例如MCPTT紧急会话)覆盖当前讲话者的通信。除此之外，MCPTT服务还支持一种限制用户谈话时间的机制，从而允许相同或较低优先级的用户获得发言权。图2为MCPTT系统架构图。

图2 MCPTT系统架构

系统由LTE接入网、LTE核心网、MCPTT客户端、MCPTT服务器组成。接入网包括用户终端设备UE和分布式基站(BBU+RRU)[8]。LTE核心网络包括MME(移动性管理实体)、S-GW(服务网关)和P-GW(PDN网关)、HSS(归属用户服务器)、PCRF(策略和计费规则功能)、MCE(多小区/组播协调实体)、MBMS-GW(多媒体广播组播服务网关)、BM-SC(广播组播业务中心)。在用户数据面进行多播业务时，MCE负责为eMBMS业务协调时频资源并配置MCS等无线参数。MBMS-GW通过M1接口向所有eNodeB同步广播用户数据，并通过MME向eNodeB发送会话控制信令。BM-SC提供eMBMS业务，同时使用SYNC同步协议以保证MBMS-GW广播给所有eNodeB的数据同步[9]。在进行单播业务时， MCPTT服务器通过Rx接口向PCRF申请业务资源，PCRF可根据业务类型为其建立专有承载，保证业务的传输速率。在信令控制面，MCPTT服务器和MCPTT客户端使用会话发起协议(SIP)，通过SIP core来传输SIP消息。SIP core定义了SIP实体的特定类别[10]。

3 MCPTT在铁路中的应用

LTE-R系统中，调度语音通信业务主要包括：个呼、组呼、紧急呼叫、多方通信服务[11]。接下来对MCPTT中移动终端呼叫固定终端、固定终端呼叫移动终端、MCPTT话权控制等过程进行详细分析。

3.1 移动终端呼叫固定终端

3.1.1 UE发起MCPTT个呼

UE发起MCPTT个呼流程如图3所示。MCPTT 移动客户端 UE 和FAS已向业务提供商注册了各自的MCPTT业务[12]。

(1)UE呼叫调度台时，通过SIP core将SIP INVITE消息发送到MCPTT服务器，消息中包含主叫用户MCPTT ID、被叫用户MCPTT ID、携带签约的功能号码的user-to-user和表示本次会话过程中用户的请求方法和优先级的Resource-Priority头域[11]。

(2)MCPTT服务器检查UE是否有权限发起个呼以及FAS是否有权限接受个呼，并向UE发送进展提示，表示请求已经收到，正在处理。权限通过后，向调度台FAS发送SIP INVITE消息。

(3)FAS收到SIP INVITE消息后，向MCPTT服务器返回180 Ringing振铃消息，MCPTT 服务器向UE转发180 Ringing振铃消息。

(4)FAS回送200 OK消息，表示呼叫流程建立完成。

图3 UE 发起MCPTT个呼流程

3.1.2 UE发起MCPTT组呼及话权控制

UE发起MCPTT组呼流程如图4所示。UE和MCPTT客户端2、MCPTT客户端3已经注册MCPTT服务并附属同一MCPTT组[12]。

(1)组内成员UE使用组ID发起组呼，通过SIP core将SIP INVITE消息发送到MCPTT服务器，消息中包含MCPTT组ID、MCPTT客户端媒体参数SDP offer。

(2)MCPTT服务器检查用户是否具备发起组呼的权限。如果该组ID对应的组呼正在进行，服务器将把UE加到现有的组呼中并通知UE组呼正在进行，否则MCPTT服务器根据组管理服务器的信息分解组ID来决定组的成员和归属状态。

(3)MCPTT服务器通过SIP core向组成员MCPTT客户端2和MCPTT客户端3发送组呼请求SIP INVITE消息，用户会收到组呼来电的通知。

(4)MCPTT客户端2和MCPTT客户端3应答组呼，并向MCPTT服务器发送组呼响应200 OK，并携带SDP answer。MCPTT服务器给UE发送组呼响应200 OK，其中包含通过信令通道给UE的媒体参数，以告知呼叫建立成功。

(5)UE及MCPTT客户端2、MCPTT客户端3成功建立媒体面，并建立话权控制。

(6)此时UE申请讲话，将话权请求消息发送到MCPTT服务器，其中包括发言权优先级。服务器根据发言权优先级、竞争者角色类型等决定对话权请求采取什么行动(给予、拒绝或排队等待)。服务器决定同意A的发言权请求，并配置限制用户发言的时间(即占话权的时间)[13]。

(7)服务器向UE发送话权授予消息，包括保持话权的最大时长，同时向客户端2、客户端3发送话权占用消息，包括拿到话权者的信息。

(8)开始建立语音会话。此时，客户端3想要讲话并发送话权请求。服务器进行话权仲裁，最终决定拒绝客户端3的话权请求。并通知客户端3请求被拒绝。

图4 UE发起MCPTT组呼及话权控制流程

3.2 固定终端呼叫移动终端

3.2.1 寻呼机制分析

固定终端呼叫移动终端一般指FAS向UE发起的呼叫。在铁路语音呼叫中，由于FAS台为有线用户，移动终端呼叫FAS时只需交换机根据数据指向进行相应的呼叫流程，呼叫建立时间较短；但FAS呼叫移动终端时，由于移动终端分布在各个小区，寻呼信令将通过LTE-R网络在整个TA List内发送[14-15]，呼叫建立延时会大大增加，因此FAS发起呼叫的延时要大于移动终端发起呼叫的延时，接下来对FAS台的寻呼过程进行分析。

LTE物理层中引入了非连续接收(DRX)方式，能够有效节省UE功耗，延长待机时间。处于空闲状态的终端可以通过DRX模式监听寻呼消息[16]。寻呼消息在PDSCH(物理下行共享信道)上发送，而物理下行控制信道(PDCCH)用于传输寻呼无线网络临时标识(P-RNTI)。UE周期性地监听PDCCH，若在PDCCH中解析出P-RNTI，意味着有寻呼消息，随后终端解码相应PDSCH的数据块以得到寻呼消息。

DRX周期包括默认DRX周期和UE特定DRX周期，取值为32，64，128，256，单位是无线帧。SIB2中广播默认DRX周期，UE特定DRX周期存储在UE中。UE在计算寻呼无线帧帧号SFN时，会将两个周期中较小的值作为寻呼周期。

在LTE物理层协议中，SFN的取值范围为0～1 023。1个无线帧包含10个子帧，子帧编号取值范围是0～9，每个子帧1 ms。SFN的值由以下公式确定

SFNmodT=(T/N)×(UE_ID) modN

(1)

公式中参数定义如下：

UE_ID=IMSImod 1024；

T:T为DRX周期，取值为min(默认DRX周期，UE特定DRX周期)；

N：N=min(T，nB)，表示一个DRX周期有多少个无线帧可以承载寻呼消息。nB在网络的SIB(系统资源块)中广播，表征寻呼密度，值为4T、2T、T、T/2、T/4、T/6、T/16、T/32[17-18]。

假设FAS台在发起呼叫时，T=128，系统消息中广播nB=T，假定UE_ID=147，由式(1)可知，N=128，SFN=19。因此终端在帧号为19的无线帧上监听PDCCH。

3.2.2 寻呼时延分析

以单呼为例，建立平均呼叫时延模型。由于寻呼消息到达的时间是随机的，但服务用户的时间T是固定的。假设寻呼消息是泊松到达，可以用M/D/1队列模型描述寻呼过程[19]。服务时间T为

其中，T取值为DRX周期，1/μC为寻呼消息的平均发送时间，记为D。ρ=λT/nB，nB的值代表寻呼组的数量[20]。假定每条寻呼消息能够容纳1个UE_ID，无线帧内的寻呼消息和寻呼区域内的用户均匀分布。周期T内共到达λ个寻呼消息，每个寻呼组T时间内到达λ/nB个寻呼消息，即每个寻呼组寻呼消息的到达率为λ/nB。则平均寻呼时延为

当T=32，64，128，256时的平均寻呼时延变化如图5所示，随着DRX的周期增大，寻呼时延变大。

图5 寻呼时延与DRX周期关系

4 MCPTT应用结果验证

在实验室环境下使用测试手机、机车综合无线通信设备 (CIR)、eNodeB，MCPTT服务器、FAS系统、调度台测试个呼/组呼呼叫建立延时及建立成功率并对数据进行统计。测试环境如图6所示。UE发起呼叫时发送SIP INVITE消息至MCPTT 服务器，当UE收到返回的200 Ok时表示被叫已经接听。FAS发起的呼叫流程与UE发起的呼叫流程相同[21]。

呼叫建立延时=T200 Ok-TINVITE

(3)