铁路新一代移动通信专网互联互通关键技术研究

丁建文，郑鹏，李海鹰，孙斌，费丹

（1.北京交通大学国家轨道交通安全评估研究中心，北京100044；2.北京交通大学电子信息工程学院，北京100044；3.北京交通大学北京市高速铁路宽带移动通信工程技术研究中心，北京100044；4.上海申铁投资有限公司，上海200003；5.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044）

1 概述

高速铁路的便捷性、高效性和高安全性使其成为大众化的交通工具，同时高速铁路也是国家关键基础设施和重要的基础产业之一［1］。近年来，由于信息通信技术的突飞猛进，智能化技术取得了突破性进展，铁路数字移动通信系统（GSM-R）的瓶颈开始逐渐凸显。当前GSM-R系统瓶颈主要体现在以下方面:

（1）承载业务量有限:GSM-R系统只有4 MHz频段，带宽为200 kHz，属于窄带通信，因此其容量受限。

（2）GSM产业链逐渐萎缩:2020年5月中华人民共和国工业和信息化部发文推动存量2G/3G物联网业务向NB-IoT/4G（Cat1）/5G网络迁移。

（3）传输效率低:无法提供图像、视频等多媒体业务，无法满足大带宽的通信业务要求［2］。

随着我国铁路信息技术的发展，车地间的通信业务需求不断扩展，多媒体调度通信、新一代列控系统、列车车况实时监测、智能运维、铁路物联网等各种新业务需求不断涌现，以上新型业务的推出都离不开铁路新一代宽带移动通信的泛在支持［3-5］。2020年8月，中国国家铁路集团有限公司发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，提出要统筹推进新一代移动通信专网建设，构建泛在先进、安全高效的现代铁路信息基础设施体系。通过铁路5G专网技术，可为行车调度指挥和列车控制等提供更大容量、更低时延的车地信息传送能力，有利于提升铁路安全保障水平［6］。通过铁路5G专网技术，可实时回传桥梁、隧道、路堑、站房等重点区域传感数据，及时有效掌控重要结构的使用状态和变化趋势，提高铁路沿线基础设施安全监测水平。铁路5G专网技术有助于构建铁路移动装备信息综合传输平台，实现状态趋势实时分析和故障提前预警，提高铁路移动装备安全监测水平。

针对上述需求，构建铁路5G专网系统，需要实现全路不同铁路局集团公司间铁路5G专网系统的互联互通，铁路局集团公司内铁路5G专网无线网络与核心网的互联互通、不同种类终端与网络的互联互通，形成互联互通接口技术要求和测试规范等系列标准，确保基于铁路5G专网的各项应用业务的实现，形成全程全网解决方案，保护工程投资，降低运行成本，提升运营效率，最大限度发挥总体效益［7-8］。

2 铁路5G专网系统架构和互联互通需求分析

2.1 系统架构

铁路5G专网系统包括核心网（5GC）、无线接入网（RAN）、用户设备（UE）和运营与支撑系统（OSS）四部分（见图1）。

图1 铁路5G专网系统架构示意图

铁路5G专网核心网采用应用与承载分离的架构，核心网承载部分由接入与移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、用户面功能（UPF）、统一数据管理（UDM）、鉴权服务功能（AUSF）、策略控制功能（PCF）等逻辑网元构成。核心网应用部分由远端拨入用户验证服务（RADIUS）、域名服务器（DNS）、关键业务系统（MC system）组成。

MC system由SIP数据库（SIP database）、关键业务用户数据库（MC service user database）、公共业务核心（CSC）、HTTP代理（HTTP Proxy）、关键语音业务服务器（MCPTT server）、关键视频业务服务器（MCVideo server）、关键数据业务服务器（MCData server）、SIP核心（SIP core）等构成［9］。

SIP core由服务呼叫会话控制功能/查询呼叫会话控制功能（S-CSCF/I-CSCF）、代理呼叫会话控制功能（P-CSCF）、IP多媒体业务交换功能（IM-SSF）、媒体网关控制功能（MGCF）、IP多媒体网关（IM-MGW）、互联边界控制功能（IBCF）、转换网关（TrGW）等构成［9］。

2.2 核心网承载部分网络架构

铁路5G专网核心网承载部分采用控制转发分离架构，同时独立进行会话管理和移动性管理，在用户面上解耦了承载性，基于不同用户面的网元可同时建立不同会话，并通过多个控制面网元实现管理。参考点模式与服务化架构（SBA）模式是核心网承载部分的2种主要方式［10］（见图2）。

图2 核心网承载部分网络架构

与参考点模式架构相比，基于SBA模式的专网核心网较为常见。SBA更多地参考了互联网行业架构模式，通过API技术在控制面进行信令传输。在SBA架构下，核心网承载部分网元之间的接口为基于服务的接口（SBI），改变了传统通信行业中点对点的网元架构。同时SBI采用HTTP-2/TCP协议［11］，有效统一了不同网元的协议栈，为不同网元间互联互通的实现和测试提供了更大可能。

2.3 核心网承载部分网元间的互联互通

根据铁路组网的实际需求、业务演进及产业链情况，未来全路5G专网核心网承载部分可能采用不同供应商供货，形成多供应商设备组成全路核心网承载部分、实现全程全网全互通，因此，需要实现不同厂商核心网承载部分网元间的互联互通。核心网承载部分架构设计原则主要包括控制和承载分离、统一的数据管理、公共接入功能设计、通用用户面架构等。因此，对于服务化架构来说，各控制网元间彼此通过SBI接口互联。控制信令可共享总线，从1个网元的SBI接口出发，到达目标网元相应的SBI接口。基于SBI接口，核心网承载部分网元间可实现高效的互联互通。

铁路5G专网核心网承载部分中的控制面功能网元是基于服务化架构实现的，各个NF通过SBI实现彼此通信。SBI协议栈见图3［12］，核心网承载部分的传输层统一采用HTTP-2协议，所有服务化接口都可在同一总线上传输，在该总线上每个NF又可通过各自的服务化接口对外提供服务，并允许其他获得授权的NF访问或调用自身服务。根据未来全路核心网承载部分组网架构及业务模式，互联互通SBI接口可包括:Namf、Nsmf、Nudm、Nausf、Nnrf、Nnssf、Nnef、Nsmsf、Npcf、N5g-eir，对应的互联互通参考点可包括:N5、N7、N8、N10、N11、N12、N14、N15、N17、N20、N21、N22。

图3 SBI协议栈

铁路5G专网核心网承载部分中的用户面主要通过UPF实现，N4接口负责UPF与SMF之间的信令交互、控制面功能（CP）和用户面功能（UP）之间的接口，其协议栈见图4［13］。该接口功能包括会话管理、终端IP地址分配、数据检测与转发、路由协议支持、隧道管理、QoS控制等，控制面功能通过建立、修改或删除分组前传控制协议（PFCP）会话报文来控制用户面功能中数据包处理。UPF是铁路5G专网各项业务数据处理和转发的核心网元，当前，针对N4接口的互联互通要求还在进一步研究和探索，N4接口的开放和互通会更加有助于形式多样的应用定制网络的能力，有助于促进铁路5G专网能力开放，将铁路5G专网系统与边缘计算进一步融合，为不同类型业务选择不同级别的UPF。

图4 N4接口协议栈

2.4 核心网承载部分与RAN的互联互通

在一个铁路局集团公司管辖范围内，可能会建设不同厂商的无线接入网，接入同一个铁路5G专网核心网承载部分，因此在这种情况下需要实现RAN与核心网的互联互通。RAN由1组通过NG接口连接到铁路5G专网核心网承载部分的gNB构成（见图5）。gNB之间通过Xn接口互连，gNB可由基带单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）构成，或由中心单元（CU）+分布单元（DU）+RRU构成［14］。

图5 核心网承载部分与RAN互联互通架构

当终端发起注册流程（初始注册、周期注册或移动更新注册）时，接入网首先会根据UE携带的参数选择合适的AMF，然后通过N2消息将NAS层的注册请求消息发送给AMF。在RAN与核心网承载部分的通信过程中，主要负责发送来自UE的注册信息、传递注册请求和接收来自AMF的建立响应，上述相关业务主要通过N2接口完成［15］。

N2接口是RAN与铁路5G专网AMF之间的接口，主要负责RAN与AMF间的信令交互，其协议栈见图6。N2接口采用基于流控制传输协议（SCTP）的NG应用协议（NGAP），主要负责PDU会话资源的分配、建立UE上下文及切换等。

图6 N2接口协议栈

N3接口是RAN与铁路5G专网UPF间的接口，主要用于传递RAN与UPF间的上下行用户面数据，其协议栈见图7［16］。N3接口采用用户面GPRS隧道协议（GTP-U），主要负责RAN和UPF之间的路径检测、支持扩展头列表通知、错误指示等。

图7 N3接口协议栈

2.5 核心网承载部分与UE的互联互通

未来铁路5G专网系统中会存在机车综合无线通信设备、手持台、物联网终端等不同供应商的UE，需要实现UE与RAN及铁路5G专网核心网承载部分的互联互通。由图2（b）可知，UE可通过N1接口同AMF相连［13］，N1接口协议栈见图8。

图8 N1接口协议栈

N1是位于UE与AMF之间的逻辑接口，N1接口的非接入层信令消息（NAS）主要应用于UE和SMF之间的会话管理功能以及UE和AMF之间的移动性管理功能。位于AMF的NAS移动性管理主要负责:（1）NAS层加密和完整性保护；（2）维护处理RM/CM状态和对应流程处理；（3）传输会话管理等其他类型NAS信息。

2.6 MC system的互联互通

铁路5G专网除了提供通用的数据承载业务，基于MC system还能够提供关键语音业务、关键视频业务和关键数据业务。未来全路组网中，铁路5G专网核心网应用部分包括MCPTT server、MC service user database、SIP core等网元构成的MC system，不同铁路局集团公司可能采用不同厂商提供的MC system，不同厂商的MC终端需要与不同厂商的MC system实现互联。因此，MC system互联互通接口可包括:MC终端与SIP core之间的SIP-1接口、MC终端与MC服务器之间的HTTP-1接口、CSC-1/2/4/8接口、MCPTT-1/MCVideo-1/MCDa⁃ta-1接口；不同铁路局集团公司MC服务器之间的SIP-3接口、HTTP-3接口、MCPTT-3/MCVideo-3/MCData-3接口（见图9）。MC终端与MC服务器之间的接口用于实现基于铁路5G专网全IP的点对点呼叫、组呼、多优先级与强拆等业务。MCPTT server、MCVideo server和MCData Server作为MC system的核心，负责关键通信业务的发起和话权控制。MC服务器之间的接口属于跨MC服务器会话建立的控制面接口［17］，实现单呼和组呼业务。

图9 MC业务接口协议栈

3 铁路5G专网互联互通测试方案与场景

3.1 核心网承载部分网元间的互联互通测试方案

核心网承载部分既是整个铁路5G专网系统的控制中心，也是整个系统的数据中心。在新需求、新技术和新架构的背景下，铁路5G专网核心网架构实现了虚拟化和切片化，在进行核心网承载部分网元互联互通测试时，一般需要准备2套以上不同厂商的核心网承载部分设备和无线网设备，2套核心网通过数据网进行互联。具体测试方案如下:

（1）核心网承载部分网元与NRF的互联互通。NRF实现了核心网承载部分网元功能服务的自动化管理。NRF用来进行NF登记、管理等功能，当核心网承载部分中的各个网元启动时，需向NRF注册本服务的IP地址、域名、支持的能力等相关信息。同时，当网元关闭时，需向NRF进行去注册。在核心网承载部分中，每个网络功能都会通过NRF寻找合适的对端服务，NRF会根据当前信息向请求者返回对应响应列表。NRF还可与各网络功能之间进行双向定期状态检测，当某个网络功能异常时，NRF会将异常状态通知到与其相关的网络功能。因此，针对服务化架构的测试项目主要包括:服务注册、服务发现、服务更新、服务授权、服务状态订阅通知等。

（2）AMF与AUSF、UDM间，SMF与UDM间的互联互通。该部分互联互通主要解决用户鉴权数据处理、用户数据标识及实现用户移动性和接入管理、会话管理等功能。当UE发起注册、类型为初始接入时，AMF基于IMSI信息选择一个AUSF，为用户接入实行认证；当认证成功后，AMF向UDM发起位置更新请求，同时从UDM获取用户签约策略［18］。该部分互联互通测试项目主要包括:签约数据改变通知AMF、会话数据改变通知SMF、清除用户数据、用户鉴权认证等。

（3）SMF与UPF间的互联互通。SMF与UPF通过N4接口相连，N4会话管理流程用于控制UPF，SMF可在UPF中创建、更新和删除N4会话上下文。SMF和UPF的通信主要存在于会话建立过程:SMF首先收到建立新的PDU会话请求，然后向UPF发送会话建立请求消息，UPF返回会话建立响应信息。该部分互联互通测试项目主要包括:N4关联建立、N4关联更新、N4关联释放、N4心跳检测、N4会话建立、N4会话更新、N4会话删除、N4用量上报等。

3.2 核心网承载部分与RAN间的互联互通测试方案

在进行核心网承载部分与RAN间的互联互通测试时，一般需要准备来自不同厂商的RAN设备和核心网承载部分设备，通过N2和N3接口实现互联。N2接口主要负责提供RAN与AMF之间的信令服务。信令服务分为2类:非UE相关服务（与RAN节点和AMF之间的整个NG接口实例相关）、UE相关服务（与UE相关信令连接相关）。N2接口主要存在如下功能:UE上下文管理、建立、修改、释放，PDU会话管理，NAS传输，UE无线能力管理等。可从以下方面进行AMF与RAN之间的互联互通验证:

（1）PDU会话管理:通过在AMF和RAN之间进行PDU会话资源建立，为UE建立相关DRB，将QoS关联到DRB。随后RAN向UE传 递PDU会 话NAS-PDU信元，AMF收到请求消息后透明传输给SMF。同时在PDU会话管理过程中，AMF与RAN之间也会传递PDU会话资源释放、PDU会话信息修改、PDU会话资源通知等信令。该部分互联互通测试项目主要包括:PDU会话资源建立过程、PDU会话资源释放过程、PDU会话资源修改过程、PDU会话资源通知过程、PDU会话资源修改指示等。

（2）NAS消息传输:RAN将分配到的RAN UE NGAP ID包含在Initial UE Message中传递给AMF，随后AMF开始下行NAS传输，RAN也将收到的无线接口NAS消息传输给AMF。当NAS未送达时，AMF会向RAN发送重新路由请求。该部分互联互通测试项目主要包括:注册、注销、NAS消息重路由、非接入层不传递指示、寻呼等。

（3）UE移动性管理:UE移动性管理主要是基于Xn接口和基于N2接口的RAN间切换。基于N2的切换流程分为准备阶段和执行阶段:在准备阶段，主要完成目标侧核心网和无线网的资源分配，包括目标UPF选择、目标RAN分配无线资源、N3接口隧道建立、目标AMF建立上下文；在执行阶段，源RAN通知UE切换，UE切换完成后，目标RAN通知AMF，SMF通知UPF完成下行数据通道切换［19］。该部分互联互通测试项目主要包括:无重选UPF时基于Xn的切换、重选I-UPF时基于Xn的切换、无重选UPF时基于N2的切换、重选I-UPF时基于Xn的切换。

（4）上下文管理:上下文管理主要是RAN和AMF之间进行初始上下文建立，从而建立PDU会话资源，或在会话结束后进行上下文释放。该部分互联互通测试项目主要包括:UE上下文建立过程、UE上下文释放过程、UE上下文修改过程。

3.3 核心网承载部分与UE间的互联互通测试方案

在铁路5G专网系统中，UE通过N1接口与AMF网元相连，AMF、UDM和AUSF可实现对UE的连接、注册、移动性管理。在进行铁路5G专网核心网承载部分与UE间的互联互通测试时，需准备1套铁路5G专网核心网承载部分设备和无线网设备以及与其测试的UE。该部分互联互通测试项目主要包括:初始注册、移动性注册更新、签约禁止区域接入限制、正常注销、关机注销、UE发起业务请求、网络发起业务请求、UE配置更新、UE请求PDU会话建立、UE请求PDU会话释放、PDU会话修改、PDU会话释放等。以UE的注册流程为例，概述注册过程的测试方案。

注册管理用于UE和核心网承载部分间的注册和注销，在网络上建立用户上下文。注册流程又可分为:初始注册、移动更新注册和周期性注册三大类［11］。当UE与RAN成功建立RRC连接后，RAN会通过N2接口向AMF发送初始UE信息；随后，AMF会获取UE的上下文信息，同时选择相应的鉴权服务器，实现UE与核心网间的鉴权过程；成功选择UDM后，AMF将UE注册到UDM，从UDM获得UE的接入和移动订阅数据、SMF选择订阅数据、UE在SMF的上下文信息等。UE注册流程见图10，可以得出UE与铁路5G专网核心网承载部分之间互联互通的流程。

3.4 MC system互联互通测试方案

在铁路5G专网系统中，MC system的互联互通可包括MC终端与MC服务器间的互联互通、MC服务器相互间的互联互通。在进行铁路5G专网MC system互联互通测试时，需准备1套铁路5G专网核心网承载部分设备和无线网设备、2套MC服务器、3套MC终端。具体测试方案如下:

（1）MC终端与MC服务器间的互联互通:MC终端与MC服务器之间接口主要完成SIP注册、业务层认证与安全、事件订阅与通知、信令消息传送、会话管理、媒体协商等，从而实现关键任务语音、视频和数据等的互联互通。该部分互联互通测试项目主要包括:MC用户认证和服务授权、组配置、组管理、组呼业务、单呼业务、话权控制、预建立会话等。

（2）MC服务器相互间的互联互通:MC服务器与MC服务器之间接口主要完成事件订阅与通知、会话管理、媒体协商、单呼和组呼、媒体传送控制等，从而实现跨多个MC服务器时的关键任务语音、视频和数据等的互联互通。该部分互联互通测试项目主要包括:组呼业务、单呼业务、话权控制等。

4 基于开源平台的互联互通测试方法

传统互联互通测试主要采用不同厂商的核心网、无线网、终端、应用系统等组网，进行相关接口的信令和业务测试。这种方法存在一定局限性，即只能测试正常业务流程的交互，对于异常流程、发送的信令消息不规范等异常处理机制无法进行仿真测试。因此，提出一种基于开源平台的互联互通测试方法，与传统核心网仿真平台相比，该方法基于开源平台，开发了铁路5G专网基本网元功能，网元可独立运行，也可与商用网络或第三方接入网仿真平台进行信令发送和数据传输。开源平台架构见图11，列出了平台内部网元及接口，利用该测试平台，可灵活测试不同厂商铁路5G专网核心网承载部分之间、核心网与无线网之间的互联互通、协议一致性及协议容错性。

图10 UE注册流程

图11 开源平台架构

4.1 接口协议栈设计与实现

协议栈的多样性给互联互通实现及测试平台维护和开发带来了挑战，铁路5G专网基于服务化架构，核心网中主要网元都通过SBI实现互联，提高了核心网的灵活性，便于统一管理。

3GPP采用表征状态转移（REST）体系结构设计范例，该体系详细描述了API的设计，因此可向第三方或其他组织展示系统内部通信的类型［20］。在铁路5G专网互联互通平台设计中，可基于3GPP标准提供的YAML文件和开源软件OpenAPI Generator实现SBI生成。

4.2 信令自定义设计

基于开源平台进行二次设计与开发，可对主要接口信令、主要过程进行自定义开发。终端附着网络的代码架构见图12，可为后续自定义信令的设计提供参考。

图12 终端附着网络的代码架构

3GPP协议给出了5G网络的主要功能及相关信令流程，开发者可参照3GPP标准中制定的流程，在分析协议栈架构、网元交互、进程模拟的前提下，进行信令开发设计。

5 结束语

铁路5G专网是铁路信息化、现代化、智能化的重要基础设施。系统的互联互通是铁路5G专网网络规划、优化设计和建设的前提和基础，只有实现良好的互联互通，才能保证整个网络按照统一规划、统一标准、统一资源的原则进行组网，使整个网络构成一个有机整体，共享基础设施和资源，最大限度发挥总体效益，才能保证基于铁路5G专网的各项业务的可用性和可靠性。首先提出铁路5G专网系统架构和组成，分析铁路5G专网核心网承载部分各网元间互联互通、核心网承载部分与RAN的互联互通以及铁路5G专网网络与终端、MC system的互联互通需求，提出互联互通测试方案与场景。最后提出一种基于开源平台的互联互通测试方法，该平台采用SBA架构，灵活应用API技术，可基于规范自行设计所需的业务或信令，能够进行异常信令流程交互测试、设备对异常信令的容错能力测试，全面衡量网元的功能与稳定性。该测试方法可作为今后开展铁路5G专网互联互通和协议一致性测试的重要手段。