铁路5G-R语音调度通信系统研究

肖正杰，张 亮，孙 迪

（通号通信信息集团上海有限公司，上海 200071）

1 铁路5G-R标准进展

为满足铁路数字化转型的需要，考虑GSM-R产品的生命周期，国际铁路联盟（UIC）计划到2030年将GSM-R逐步过渡到下一代铁路移动通信系统，并于2016年3月发布未来铁路移动通信系统（Future Railway Mobile Communication System，FRMCS）用户需求规范。同年3GPP工作组SA1开始着手研究该用户需求规范，并完成R14标准中网络已经具备功能的差距分析，并将这些差距列为3GPP R15标准中的研究工作。在R15、R16标准中，3GPP SA6分别完成了第一、第二阶段铁路移动通信系统的研究，并确定了FRMCS需求与第二阶段任务关键业务规范之间的差距。在R17标准中，将完成第三阶段铁路移动通信系统的研究，改善FRMCS的通信网络架构，完成铁路移动通信系统的差距分析。在R18标准中，将进行铁路智能客站服务、铁路通信系统互连及迁移方面的研究。

2 5G-R与GSM-R语音调度通信系统的主要区别

语音调度通信系统是保证铁路行车安全和运输安全的重要支撑系统，主要用于铁路沿线工作人员的内部语音通信。因此，铁路从GSM-R演进到5G-R时，5G-R也必须支持现有的语音调度通信功能。GSM-R语音调度通信系统属于数字窄带通信系统，核心技术是在GSM电路交换的基础上，叠加组呼VGCS、广播VBS、优先级抢占eMLPP等铁路专用功能，满足铁路语音调度通信业务的需求。5G-R语音调度通信系统则属于宽带通信系统，其核心是基于业务与网络承载分离的理念，利用5G实现数据的IP承载和移动性管理，基于端到端全IP交换的技术，在业务层利用MCPTT技术实现语音呼叫流程，实现铁路移动语音调度通信功能。因此，从GSM-R演进到5G-R，对铁路语音调度通信业务来说是一次巨大的技术变革，5G-R与GSM-R语音调度通信系统的主要区别如表1所示。

表1 5G-R与GSM-R语音调度通信系统的主要区别Tab.1 The main differences between 5G-R and GSM-R voice dispatching communication systems

3 5G-R语音调度通信系统

3.1 系统架构

3GPP对基于LTE/5G移动网络的关键任务(Mission Critical，MC)通信标准进行了大量研究，并将MC通信业务从关键任务语音通信（Mission Critical Push To Talk，MCPTT） 拓展到关键任务视频通信(Mission Critical Video，MCVideo）和关键任务短消息通信（Mission Critical Data，MCData）。 在 R13时，3GPP提出基于组呼业务使能器(Group Communication Service Enabler，GCSE)的基于 LTE的 MCPTT架构，用于宽带多媒体集群业务的发展；目前3GPP在R17中正在研究基于5G的MCX网络架构，也将基于现有的MCPTT体系架构，并做好与5G系统的适配。

5G-R语音调度通信系统将基于3GPP 5G相关标准，结合铁路的功能号业务等特殊应用需求，对5G相关标准进行定制化改造来实现。其总体的网络架构如图1所示。

图1 基于5G-R的语音调度通信系统架构Fig.1 5G-R voice dispatching communication system architecture

5G-R语音调度通信系统主要包括如下网络实体。

MCPTT服务实体：通过集成的MCPTT服务器、SIP CORE，为用户提供集群语音业务功能，包括语音各类呼叫控制、话权控制、媒体面处理、优先级抢占、配置管理、身份管理、群组管理、秘钥管理等，也包含SIP域的注册、业务选择和信令路由功能。

5G-R核心网：主要为移动用户提供网络接入控制、注册和连接管理、空闲态移动性管理、会话管理、QoS管理、网络切片、负载控制和应用业务承载等功能。

5G-R基站：完成5G基站侧的L1/L2/L3功能，包括无线资源管理、承载控制、连接态移动性控制、无线接入控制和无线资源调度。

终端：实现5G终端侧L1/L2/L3/NAS层的功能，内置MCPTT客户端实现语音业务的呼叫控制、话权控制、媒体收发、业务呈现及用户相关管理。

在此架构中，5G核心网和5G基站作为承载管道对上层应用提供基于全IP的业务，保证承载的可靠性，MCPP服务器和客户端配合实现呼叫业务流程。

3.2 协议栈

在5G-R语音调度通信系统中，协议栈主要涉及5G网络层的协议栈和业务应用层的MCPTT协议栈。MCPTT的控制面和用户面的数据都承载在5G网络的用户面，控制面的信令交互主要采用SIP/SDP协议，在5G网络中使用5QI为69的资源承载，即表示承载资源的类型为Non-GBR(不提供最低的传输比特速率保证)，默认的网络优先级为5，分组时延预算为60 ms，包错误率小于10-6；用户面的语音数据以RTP数据包的形式在网络中进行传输，在5G网络中使用5QI为65的资源承载，即表示承载资源的类型为GBR(保证传输比特速率)，默认的网络优先级为7，分组时延预算为75 ms，包错误率小于10-2)。各类数据在网络各网元协议栈中的承载情况如图2所示。

图2 基于5G-R的语音调度通信协议栈Fig.2 5G-R voice dispatching communication protocol stack

3.3 关键技术实现

如图3所示，5G-R语音调度通信系统关键技术主要包括5G技术和MCPTT技术。其中5G相关技术主要由终端侧基带芯片和5G-R网络联合实现，MCPTT技术主要由终端侧的客户端和MCPTT服务器实现。

图3 5G-R的语音调度通信关键技术实现Fig.3 Key technology implementation of 5G-R voice dispatching communication

MCPTT+SIPCore系统主要实现应用层的SIP/HTTP等协议技术，实现用户关键语音通信业务的相关呼叫流程和用户管理；媒体面主要用RTP/RTCP等技术，实现语音流的控制、语音编解码转换及混合、语音流的收发。

对于5G-R网络来说，除实现5G无线侧和网络侧的核心技术外，还需实现MCPTT业务系统通过N5接口与5G网络的PCF通信，实现对会话业务端到端的QoS控制，保证语音业务的通信质量。

UE侧需利用5G终端芯片提供的网络能力，对会话业务的QoS控制流程进行定制开发，并在IP层之上实现MCPTT协议定义的相关呼叫和管理流程，在媒体面实现AMR-WB的语音编解码功能，同时考虑基于各类操作系统实现人机接口相关功能。

3.4 MCPTT语音呼叫性能要求

影响MCPTT通话质量的因素有很多，如协议选择、最小化消息传递、承载技术选择、合适的网络部署等。考虑这些因素，3GPP定义了MCPTT语音呼叫性能要求。

MCPTT接入时间(KPI1)不包括用户加入组的时间，定义为从MCPTT用户通过按终端上的PTT请求说话，到该用户获得网络的话权指示之间的时间，此时间不包括被叫用户的确认。

端到端MCPTT接入时间（KPI2）定义为从MCPTT用户通过按终端上的PTT请求说话，到该用户获得网络的话权指示之间的时间，此时间包括被叫用户的呼叫建立和确认时间。

口-耳延迟（KPI3）定义为发送用户发出的语音与接收用户扬声器回放该语音之间的时间。MCPTT时延指标如图4所示。

图4 MCPTT时延指标KPI1/KPI2/KPI3Fig.4 MCPTT delay indexes KPI1/KPI2/KPI3

迟后进入时间（KPI4）用于组呼中用户迟后进入的场景，即用户加入组通话时，已有正在进行的语音传输。KPI4定义为用户决定监控正在进行的MCPTT组呼，到用户扬声器回放该语音的时间。MCPTT时延性能指标如图5所示。

图5 MCPTT时延性能指标KPI4Fig.5 MCPTT delay index KPI4

3GPP对行业用户进行调研分析后，最终提出行业关键任务通信中MCPTT语音业务的性能要求，具体如表2所示。

表2 MCPTT语音呼叫性能要求Tab.2 MCPTT voice call performance requirements

4 总结

铁路行业是3GPP的5G标准中重点关注的行业之一，随着铁路行业与通信的不断融合发展，5G-R标准将会加速完善，以逐步替代GSM-R系统，满足铁路行业信息发展需要。5G-R语音调度通信系统通过采用5G和MCPTT等关键技术，实现端到端的全IP移动通信、网络与业务的解耦，将灵活适配未来铁路丰富的调度管理需要。