铁路5G专网宽带集群通信MC设备组网技术研究.pdf

20 周旸,吕艳芳,傅俊锋,等.5G 专网核心网高可靠组网设计与研究J.邮电设计技术,2021(9):977-981.ZHOU Yang,L Yanfang,FU Junfeng,et al.Design and Research on High Reliability Core Network of 5G Private NetworkJ.Desig-ning Techniques of Posts and Telecommunications,2021(9):977-981.21 冯征.面向应用的 5G 核心网组网关键技术研究J.移动通信,2019,43(6):2-9.FENG Zheng.Research on Key Technology of Application Oriented 5G Core NetworkingJ.Mobile Communications,2019,43(6):2-9.收稿日期:20220623;修回日期:20220705基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司科研重点项目(2021YJ109);中 国 铁 道 科 学 研 究 院 集 团 有 限 公 司 所 基 金 重 点 课 题(2020HT13)作者简介:李 辉(1968),男,研究员,1991 年毕业于北京航空航天大学电子工程系,工学学士,主要从事铁路通信研究工作,E-mail:tkthlh 。通信作者:郭强亮(1988),男,副研究员,2018 年毕业于北京航空航天大学检测技术与自动化装置专业,工学博士,主要从事铁路通信研究工作,E-mail:guoqiangliang2008 。第 67 卷 第 11 期2023 年 11 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.11Nov.2023文章编号:10042954(2023)11016506铁路 5G 专网宽带集群通信 MC 设备组网技术研究李 辉1,2,郭强亮1,2,王开锋1,2(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)摘 要:为满足智能铁路的发展需要,我国铁路通信正在逐步向 5G 专网演进,其中,宽带集群通信 MC 设备是铁路5G 典型应用的关键装备。智能铁路的发展对保障关键业务安全可靠提出了更高的要求,MC 设备组网技术与集群和调度通信业务可靠性、稳定性密切相关。首先,阐释 MC 设备的系统架构和互联互通接口,提出 MC 业务功能需求,为组网技术研究奠定基础;其次,基于铁路 5G 专网建设规划,提出 MC 设备总体部署方案,并结合 MC 系统特点,提出相适应的云部署建议;最后,紧密结合铁路应用需求,通过研究主备、负荷分担、双活等技术,提出一种业务容灾能力更强的 MC 设备容灾备份方案。研究结果表明,所提出的部署和容灾备份等组网技术,能够为 MC 设备的工程应用提供指导,以提高系统和业务的可靠性;铁路宽带集群通信 MC 设备的应用,能够提供多媒体集群通信服务,为智能铁路发展提供有力的通信保障。关键词:智能铁路;铁路 5G 专网;集群通信;MC 设备;组网技术;容灾备份中图分类号:U285;TN929.5 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202206230003Research on Networking Technology of 5G-R Broadband Trunking Communication MC EquipmentLI Hui1,2,GUO Qiangliang1,2,WANG Kaifeng1,2(1.Signal and Communication Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China;2.National Research Center of Railway Intelligence Transportation System Engineering Technology,Beijing 100081,China)Abstract:In order to meet the development needs of intelligent railroad,Chinas railroad communication is gradually evolving to 5G-R,among which,broadband trunking communication MC equipment is the key system for typical application of 5G-R.The development of intelligent railroad puts forward higher requirements to guarantee the safety and reliability of key services,and the networking technology of MC equipment is closely related to the reliability and stability of trunking and dispatch communication services.Firstly,the system architecture and interoperability interface of MC equipment are explained,and the MC service functional requirements are given,which lay the foundation for the research of networking technology.Secondly,based on the construction planning of 5G-R,the overall deployment scheme of MC equipment is proposed,and the compatible cloud deployment is suggested in combination with the characteristics of MC system.Finally,closely combining with the railroad application requirements,a disaster-tolerant backup scheme for MC equipment with stronger service disaster recovery capability is proposed by studying technologies such as primary-standby,load-sharing and dual-active.The research results show that the proposed networking technologies,such as deployment and disaster-tolerant backup,can provide guidance for the engineering application of MC equipment to improve the reliability of the system and services.The application of MC equipment can provide multimedia trunking communication services,and enable powerful communication guarantee for the development of intelligent railway.Key words:intelligent railway;5G-R;trunking communication;mission critical system;networking technology;disaster-tolerant backup引言智能铁路是我国高速铁路的必然发展方向1。随着移动通信2-3、云计算4-5、人工智能6-7、大数据8、物联网9等新技术的协同发展,以及近年来智能京张和智能京雄的投入运营,我国智能铁路的发展进入新阶段,走在了世界前列10。5G 具有大带宽、大连接、低时延等技术优势,可实现人与物、物与物的泛在互联,是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键型基础设施。加快推进 5G 技术应用,是推动智能铁路高质量发展、实现交通强国铁路先行的重要基础3,11-12。2020 年,国铁集团发布了相关推进 5G 技术铁路应用的意见和行动计划,并明确指出了推进 5G 专网承载铁路业务关键技术研究,针对铁路调度通信等关键业务,研究基于 5G 专网的集群通信、多媒体技术、业务优先级等高可靠通信保障技术及装备,为 5G 专网承载铁路业务提供技术支撑。基于 5G-R 承载的集群通信技术必将成为铁路典型应用首要解决的问题。我国铁路已经明确将采用 3GPP MCX(关键业务通信)技术实现铁路集群通信业务。近年来,国内外学者在铁路 MCX 技术应用研究方面卓有成效。文献12探究了 5G 专网集群通信技术方案和系统架构;文献13研究了基于 MCX 技术实现铁路智能调度通信的关键技术;文献14阐释了 MCX 多媒体集群通信系统在重载铁路的应用,并实现了铁路领域的首次工程应用;文献15提出了 5G-R 与 GSM-R 双网络列车调度通信业务的平滑过渡方案。以上工作为MCX 技术应用奠定了基础,然而,尚未对铁路 5G 专网MC 设备组网技术进行深入研究。当前,智能铁路发展对各业务系统和设备的稳定性和安全性提出了更高的要求。MC 设备作为铁路重要的通信保障,其组网技术直接影响着集群通信业务的可靠性,因此,开展铁路 5G 专网宽带集群通信 MC设备组网技术的研究具有重要意义。1 铁路宽带集群通信 MC 设备系统架构及业务功能随着铁路 5G 专网的研究和推进,逐步形成了5G-R 总体架构,并提出了 MC 设备的系统架构和业务功能需求11-13。1.1 MC 设备系统架构铁路宽带集群通信 MC 设备是最具铁路通信应用特色的核心装备和系统,承担着下一代铁路通信中集群和调度通信业务,主要由 SIP Core、MC 应用和接口网关等组成,其系统架构如图 1 所示。图 1 MC 设备系统架构Fig.1 System architecture of MC equipment在互通接口方面,MC 设备需要互联互通的设备和系统众多,更突显了其重要程度。MC 设备通过N6 接口与 5GC UPF 互联,主要实现与移动终端MCX-1 接口类业务;通过 N5 接口与 5GC PCF 互联,主要用于专用承载协商和控制,保障通信业务的服务质量;通过 MCX-3 接口与其他 MC 设备和多媒体调度系统互联,实现系统间业务交互;与全路共用智能网5G-IN 互联,实现智能业务功能;通过接口网关实现661铁 道 标 准 设 计第 67 卷与既有通信系统的互联互通,如 GSM-R 网络、FAS 系统等,保障业务的平滑升级和兼容性。一方面,MC 设备承担着 5G-R 网络移动终端设备的集群通信服务,以及与各业务系统互联互通、保障5G-R 集群和调度通信的功能;另一方面,MC 设备是5G-R 和 GSM-R 双网络业务互通和平滑过渡的重要装备。因此,MC 设备组网方式将直接影响业务的通信过程,也对整体业务的可靠性起到了至关重要的作用。1.2 业务功能需求通过整合既有调度通信功能需求和智能铁路提出的新需求,MC 业务功能主要包括以下方面。(1)语音业务提供支持语音个呼、语音组呼(预定义和自定义组呼)、话权控制等功能。(2)视频业务提供支持视频个呼、视频组呼(预定义和自定义组呼)、视频传输控制、视频上拉和推送等功能。(3)数据业务提供支持点对点和点对多点的短数据、文件分发等功能。(4)铁路特定业务提供支持功能寻址、基于位置寻址、基于位置的呼叫限制、铁路紧急呼叫等功能。(5)多司机通信业务提供支持多司机通信(重联组呼)管理和呼叫等功能。(6)业务优先级与处理提供支持 MC 业务多优先级控制功能。(7)与呼叫相关的业务提供支持呼叫保持、等待、前转等功能。(8)其他功能提供信令监测与分析、录音录像等功能。2 MC 设备部署技术MC 设备部署技术和方案是该设备落地应用的关键。根据铁路 5G 专网建设部署和应用分析,以及保障铁路安全、高效运用的需要,本次提出了符合铁路应用特色的 MC 设备部署方案。2.1 总体部署架构MC 设备总体部署架构如图 2 所示,MC 设备将按局集团公司集中部署,采用同城异址冗余备份组网方式,即在局集团公司同城异址部署 2 套 MC 设备,且单套 MC 设备采用本址双机冗余备份方式实现。各铁路局集团公司 MC 设备,负责局管内线路 5G 专网移动终端设备的集群通信服务。图 2 MC 设备总体部署架构Fig.2 Overall deployment architecture of MC equipment 本地冗余极大地提高了单系统的可用性和可靠性;异地容灾有助于保障在极端情况下的系统可靠性,同时提高了业务系统的易维护性。智能铁路的发展对各业务系统的安全性、可靠性和容灾能力等要求越来越高,因此,MC 设备采用本地冗余和异址容灾方式进行部署,能够在总体系统架构层面保障系统和业务的高可靠性和可用性,解决极端情况下业务不可用的问题。2.2 云化部署技术随着云计算技术的发展和应用,云计算平台正在成为铁路行业新型通信基础设施的重要组成部分,为智能铁路的发展提供数字底座16-17。如图 3 所示,云平台通过分布式计算和虚拟资源管理等技术,能够将各项软硬件资源集中起来形成共享资源池,实现按需、761第 11 期李 辉,郭强亮,王开锋铁路 5G 专网宽带集群通信 MC 设备组网技术研究可度量的向用户提供服务18-19。宽带集群通信系统 MC 设备采用云化部署技术,即 MC 设备地面系统统一部署在云计算平台上,能够显著提高业务应用的便捷性、可靠性和扩展性。图 3 云平台技术特点Fig.3 Technology features of cloud platform但是,与其他业务系统不同,MC 设备作为铁路通信专用设备,承担着列车指挥通信的关键任务,且部分功能单元或网关设备必须采用专用硬件设置。因此,建议 MC 设备采用专用私有云部署+实体专用硬件方式布设,即主体可云化部分部署在 MC 私有云上,其他无法实现云部署的单元设备设置采用专用硬件部署。该方式既发挥了云平台的高可靠性作用,又符合系统设备实际运用需要,同时,能够避免与其他业务系统承载在统一的云平台上带来的安全和稳定性问题。3 MC 设备容灾备份技术上述章节给出了 MC 设备总体部署方案,采用同城异址容灾备份方式实现局集团公司部署,其中,同城异址的两套 MC 设备的具体容灾备份工作方式将直接决定业务流程和可靠性,是当前 MC 设备组网技术关注的核心问题20-21。通过对当前主流的容灾备份技术进行研究22-23,如主备、负荷分担和双活等,提出了一种业务容灾能力更强的 MC 设备容灾备份技术。3.1 主备方式典型的主备方式分为热备和冷备。热备情况下,只有主设备承担业务服务,备设备热备,实时同步主设备的数据;当主设备不可用时,根据系统内部切换控制,启动备设备服务,此时备设备承担业务。冷备与热备的主要区别在于,冷备情况下备设备不会实施同步主设备数据,仅周期性地进行备份,或者不进行备份,只有当主设备不可用时,才启用备设备并进行数据同步。考虑业务的可靠性需要,MC 设备采用主备工作方式时,宜采用热备实现,即正常情况下,仅主设备提供业务,备设备不处理业务,但备设备实时同步主设备的数据。MC 设备采用主备工作方式时的组网示意如图 4 所示。图 4 MC 设备主备容灾组网Fig.4 Main-standby disaster recovery networking of MCMC 设备采用主备工作方式的优势主要表现为业务逻辑清晰,同一时刻,业务仅运行在单套 MC 设备上,便于维护和管理。但是,如图 4 中标注所示,当主用系统本身无故障,仅是与外部系统或终端互联的链路有故障时,外部系统或终端按照既定策略与主用系统业务失败后,向备用系统(此时不处理业务)发起业务尝试仍然会失败,即此种场景下会直接出现业务失败的问题。因此,主备方式对此类链路故障场景处理能力不足。3.2 负荷分担方式负荷分担方式一般是通过横向设置多个设备,前置设置负载均衡器,通过负载均衡策略使得多个设备可以同时独立工作,有利于提高系统的性能及并发能力,其中一个设备损坏不会影响整体业务。图 5 MC 设备负荷分担容灾组网Fig.5 Load-sharing disaster recovery networking of MCMC 设备采用负荷分担方式时,组网示意如图5 所示。如果异地容灾的两套 MC 设备采用负荷分担方式,局内终端发起的注册以及外部互联系统发起业务,都会按照负荷分担策略被随机分配给任何一套MC 设备上,主叫方无法知晓被叫终端具体注册在哪861铁 道 标 准 设 计第 67 卷个 MC 设备上,当被叫终端并没有注册在当前处理业务的 MC 设备时,会导致业务失败。因此,同城异址的两套 MC 设备整体不宜采用负荷分担方式,但是鉴于负荷分担方式的优势,可以在单套 MC 设备内部,针对不区分状态的网元采用负荷分担的方式,以提高单系统的性能和可靠性。3.3 双活方式双活方式是一种常见的容灾手段,该方式的典型特点是双套系统同时对外提供服务,双系统互为备份,数据实时备份。一般而言主系统的负载会多一些,备系统分担部分业务,避免其中某一系统发生故障时,造成业务无法处理的情况。与热备相比,双活能够进一步发挥备系统的业务处理能力。与负荷分担的问题类似,当被叫用户终端未注册在当前处理呼叫的系统上时,单纯的双活方式无法保障业务正常进行。3.4 双活主备用方式针对 MC 业务的特点,并结合铁路对业务系统的高可靠要求,提出一种业务保障性更强的容灾备份方法,称为双活主备用方式。双活主备用方式可以概括为:2 套 MC 设备双活,对外区分主备用,内部角色单元(如 MC 应用等)可采用负荷分担。图 6 MC 设备双活主备用容灾组网Fig.6Dual-active main standby disaster recovery networ-king of MC如图 6 所示,双套 MC 设备同时对外提供服务,但区分主用和备用角色,外部系统或终端可以设置优先访问的目标为主用,访问主用失败时,访问备用。MC设备采用双活主备用方式的另一个关键点为:主用系统和备用系统间能够互通业务,可以有效解决被叫用户注册在另一个系统时无法访问的问题,业务容灾能力更强,互通接口可采用 MCX-3 接口。MC 设备采用双活主备用的冗余模式,一方面,可以有效解决当互联链路出现故障,但系统本身工作正常没有发生主备切换带来的业务失败问题;另一方面,可以有效利用系统资源,为提高系统整体的容量。对比主备方式,双活主备用方式下系统整体复杂度相对较高,且由于主备用系统同时工作,相应会增加系统设备维护的投入。但是,采用该方式 MC 设备系统整体的链路故障容灾能力更强,能够保障更多的故障情况下业务有效性,满足铁路对业务高可靠性和可用性的要求。4 结语针对铁路 5G 专网宽带集群通信 MC 设备的组网问题,研究智能铁路对集群通信系统和业务提出的需求,阐释了 MC 设备系统架构和业务功能;针对 MC 设备工程运用场景,提出了总体部署方案和云部署建议;在此基础上,探究并提出了双活主备用的 MC 设备容灾备份技术,保障链路故障场景下业务的可靠性。综上所述,提出的 MC 设备部署方案和容灾备份方案,具有可行性和前瞻性,能够为铁路 5G 专网 MC设备的实际运用提供指导和借鉴,有助于推进智能铁路的发展。参考文献:1 王同军.智能铁路总体架构与发展展望J.铁路计算机应用,2018,27(7):1-8.WANG Tongjun.Overall Framework and Development Prospect of In-telligent RailwayJ.Railway Computer Application,2018,27(7):1-8.2 陈瑞凤,李君,徐春婕,等.5G 在铁路智能车站中的应用J.电信科学,2021,37(7):86-95.CHEN Ruifeng,LI Jun,XU Chunjie,et al.Application of 5G in Railway Smart Stations J.Telecommunications Science,2021,37(7):86-95.3 丁建文,孙斌,郑鹏,等.铁路 5G 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