重载铁路MCX多媒体调度通信技术应用研究——以靖神铁路为例

郭强亮,王开锋,李 辉,付文刚,闫晓宇,李春铎

(1.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； 2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081)

引言

靖神铁路北起于包西铁路神木西站起鸡哈浪线路所，南与浩吉铁路靖边北站相接，是国家“公转铁”“铁路货运增量三年行动方案”重点推进项目，对完善矿区交通基础设施、促进榆林地区能源开发、优化北煤南运通道、保障国家能源运输安全具有重要意义[1-3]。新建靖神铁路采用LTE(Long Term Evolution Mobile Communication System，长期演进移动通信系统)无线宽带技术作为通信网络承载，并构建实现了铁路多媒体调度通信，为货运增量提供了可靠的通信保障[4-5]。

随着铁路移动通信技术的不断发展[6-10]，迫切需要相适应的调度通信技术作为支撑。目前，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)发布的MCX(MCPTT、MCData和MCVideo的统称)关键业务通信系列标准，已成为实现铁路下一代移动通信系统中调度通信的解决方案[11-15]。

在靖神铁路调度通信系统中，无线侧采用MCX技术实现多媒体调度通信服务。靖神铁路是我国首次采用自主研发的MCX技术实现多媒体调度通信的重载铁路，具有重要的示范和引领作用，为铁路下一代调度通信研究和落地应用提供有力支撑[16-18]。

1 调度通信业务需求分析

既有靖神铁路调度通信采用传统450 MHz列车无线调度通信系统实现，该系统仅提供基本的语音调度通信和部分数据传输功能，技术较为落后，且功能单一，不能提供多样化的调度通信服务，无法满足重载铁路货运增量的发展需求。

随着通信技术的飞速发展，以及货运铁路的发展需要，重载铁路对调度通信提出了全新的需求[15]。

(1)多媒体调度通信

支持基于语音、视频、数据业务的多媒体调度通信，能够提供更加直观、丰富的调度通信交互方式，极大地满足了智能货运铁路的发展需要，有助于推动智能运维、智能调度、远程指挥、应急通信的发展[19-20]。

(2)远程视频查看

当发生紧急情况时，指挥人员能够快速查看远程现场视频，第一时间掌握现场情况，并制定应对策略，进而实现远程指挥，如图1所示。

图1 远程指挥示意

(3)多样化调度通信方式

既有450 MHz仅支持语音调度，而多媒体调度通信能够提供语音呼叫、视频呼叫、紧急组呼、车站组呼等调度通信方式。此外，针对重载铁路实际需求，迫切地需要支持重联组呼、临时组呼等灵活的、可自定义的集群调度通信方式。

2 MCX多媒体调度通信系统架构

靖神铁路调度通信系统架构如图2所示，主要由移动终端设备、移动通信网络、MCX关键业务系统和有线多媒体数调系统四个部分组成。

图2 靖神铁路MCX多媒体调度通信系统架构

(1)移动终端设备。移动终端设备包括多媒体机车综合无线通信设备(CIR)，以及各类多媒体手持终端，通过无线方式接入移动通信网络，为用户提供调度通信服务。在终端设备上运行MCX客户端程序，用于实现多媒体通信服务。

(2)移动通信网络。靖神铁路新建LTE网络作为无线通信的基础平台，为调度通信系统提供无线数据传输链路和服务。

(3)MCX关键业务系统。即地面MCX集群服务器，该系统是多媒体调度通信实现的核心，负责整个无线侧，以及无线侧与有线侧互通时的会话控制和管理。在架构设计方面，该系统基于IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统)架构，并遵循3GPP关键业务相关规范进行设计。

(4)有线多媒体数调系统。多媒体数调系统是调度员、值班员等固定用户所使用的调度通信系统，以有线的方式接入整个调度通信系统。该系统基于IMS的软交换技术设计，为有线侧用户提供多媒体调度通信服务。

3 关键技术

3.1 基于MCX的铁路调度通信技术

2016年至今，3GPP陆续推出了MCX关键业务通信机制的系列标准：MCPTT(Mission Critical Push To Talk，关键语音业务)、MCData(Mission Critical Data，关键数据业务)和MCVideo(Mission Critical Video，关键视频业务)。MCX基于IMS架构进行设计，具有大带宽、低延迟、易于大规模建网等优点，具备组管理、位置管理、组通信，以及数据和视频通信等功能。由于MCX在业务与承载解耦、支持多种通信制式、支持多播技术、对GSM-R的支持能力、标准国际性等方面具有显著优势，因此，MCX技术已成为实现铁路下一代移动通信系统中的调度通信的解决方案[11-15]。

靖神铁路调度通信系统采用MCX技术，实现了基于语音、视频、数据的多媒体调度通信服务，是我国首个自主研发的基于MCX多媒体调度通信的工程应用，为未来铁路下一代调度通信技术的应用提供了指导。此外，MCX调度通信系统能够极大地降低未来系统再升级的成本。

3.2 互联互通接口技术

如图2所示，在靖神铁路调度通信系统中，无线侧关键业务系统采用基于3GPP MCX的规范设计实现，支持标准的MCX相关接口和协议；而有线侧多媒体数调系统是一种基于IMS架构的软交换技术实现，并不支持3GPP MCX相关规范和接口协议。因此，两系统间的互联互通接口技术是实现无线调度与有线调度互联互通的关键。

针对该问题，在MCX关键业务系统中设计研发了相应的接口网关单元，用于实现会话控制协议的转换。通过SIP-R协议，实现了与有线侧多媒体数调系统的互联互通，保障了无线侧与有线侧的多媒体调度通信服务。

3.3 重载铁路特色调度通信技术

既有铁路群组通信大都基于位置范围设定，即在特定位置才能进行组呼。根据需求分析，以靖神铁路为代表的重载铁路，除了常见的调度通信功能需求外，还迫切地需要支持重联组呼和临时组呼等便于用户自定义的组呼功能，这些组呼不受地域位置限制。

重联组呼主要用于解决多机牵引时，各列车之间的通信问题，即重联列车中的所有列车都可加入同一个重联组中，在网络覆盖范围内均可进行组呼通信，不受地域位置限制。

临时组呼主要用于解决用户临时群组通信问题，如当执行同一个任务的多个用户需要群组通信时，则可通过临时组呼来实现。临时组呼支持用户创建、删除、加入、退出、查询等操作，便于用户灵活使用。

4 试验验证

为了验证靖神铁路MCX多媒体调度通信系统的性能，2020年9月初在靖神铁路线孟家湾车站(K66+460)至黄蒿界车站(K214+410)进行了动态测试，并对测试结果数据进行了统计和分析。动态测试内容主要包括：语音呼叫(移动终端呼固定终端、移动终端呼移动终端)、车站基站区组呼(移动终端发起)、紧急呼叫(移动终端发起)、视频呼叫(移动终端呼固定终端、移动终端呼移动终端)。

动态测试采用铁路通信FESAMES检测系统进行测试，系统架构如图3所示。由FESAMES系统控制车载台CIR发起各类测试呼叫，并采集统计测试结果。

图3 动态测试系统架构

4.1 性能指标

为了验证调度通信系统的性能，主要统计和分析的关键指标包括呼叫建立时间和呼叫建立失败概率[21]。

(1)呼叫建立时间

呼叫建立时间是指从呼叫发起到呼叫建立成功之间的时间间隔，是调度通信业务的重要指标，计算方法如下

Ts=tstart-tsucc

(1)

式中，Ts为呼叫建立时间；tstart为呼叫发起时刻；tsucc为呼叫建立成功时刻。

按照标准，一般主要统计95%和99%情况下的呼叫建立时间和百分比。呼叫建立时间百分比计算方法如下

(2)

式中，Pt

(2)呼叫建立失败概率

呼叫建立失败概率是不成功的呼叫建立次数与呼叫尝试总次数的比值，计算公式如下

(3)

式中，Pf为呼叫建立失败概率；Nf为呼叫建立失败的次数；Na为总呼叫次数。

4.2 试验结果与分析

通过对动态测试数据的统计、处理和分析，靖神铁路调度通信系统性能测试结果如下，其中，标准值为现行GSM-R系统规定的指标要求。

(1)车载台CIR语音呼叫FAS台

如表1所示，车载台CIR语音呼叫FAS台收集样本数为711个，呼叫建立时间平均值为994 ms，95%统计值为1 756 ms，99%统计值为2 367 ms，呼叫建立失败概率为0，优于标准值要求。

表1 移动终端语音呼叫固定终端结果对比

(2)车载台CIR语音呼叫手持台

如表2所示，车载台CIR语音呼叫手持台收集样本数为418个，呼叫建立时间平均值为388 ms，95%统计值为530 ms，99%统计值为737 ms，呼叫建立失败概率为0，优于标准值要求。

表2 移动终端语音呼叫移动终端结果对比

(3)车站基站区组呼

如表3所示，车载台CIR发起的车站基站区210组呼收集样本数为124个，呼叫建立时间平均值为340 ms，95%统计值为458 ms，99%统计值为552 ms，呼叫建立失败概率为0，优于标准值要求。

表3 车站基站区组呼结果对比

(4)紧急呼叫

如表4所示，车载台CIR发起的紧急呼叫299组呼收集样本数为546个，呼叫建立时间平均值为444 ms，95%统计值为734 ms，99%统计值为914 ms，呼叫建立失败概率为0，优于标准值要求。

表4 紧急呼叫结果对比

(5)车载台CIR视频呼叫FAS台

如表5所示，车载台CIR视频呼叫FAS台收集样本数为1 055个，呼叫建立时间平均值为393 ms，95%统计值为937 ms，99%统计值为2 322 ms，呼叫建立失败概率为0，优于标准值要求。

表5 移动终端视频呼叫固定终端结果对比

(6)车载台CIR视频呼叫手持台

如表6所示，车载台CIR视频呼叫手持台收集样本数为698个，呼叫建立时间平均值为409 ms，95%统计值为654 ms，99%统计值为1 061 ms，呼叫建立失败概率为0，优于标准值要求。

表6 移动终端视频呼叫移动终端结果对比

根据以上数据分析，MCX调度通信系统不仅能够提供语音、视频、数据等多媒体调度通信功能，而且在呼叫建立时间和呼叫建立失败概率等关键指标方面均优于既有标准值。此外，以上动态测试均在默认承载下进行，且车载台CIR均使用便携式棒状天线，如果使用车顶天线，测试数据结果更优。

5 结语

针对MCX多媒体调度通信技术在重载铁路的应用进行研究，以靖神铁路为例，分析了重载铁路对调度通信业务的全新需求；阐释了MCX多媒体调度通信系统架构及关键技术；开展了现场动态测试，结果表明，该调度通信系统不仅能够实现各项多媒体调度功能，而且在呼叫建立时间和呼叫建立失败概率等关键指标方面均优于既有标准值。

靖神铁路MCX多媒体调度通信系统的工程实施，标志着我国铁路自主研发的基于MCX技术实现调度通信的首次落地应用，为铁路下一代调度通信技术的发展积累了丰富的经验。