鐵路5G專網寬帶集群通信MC設備組網技術研究

李 輝，郭強亮，王開鋒

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081; 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081)

引言

智能鐵路是我國高速鐵路的必然發展方向[1]。隨著移動通信[2-3]、云計算[4-5]、人工智能[6-7]、大數據[8]、物聯網[9]等新技術的協同發展,以及近年來智能京張和智能京雄的投入運營,我國智能鐵路的發展進入新階段,走在了世界前列[10]。5G具有大帶寬、大連接、低時延等技術優勢,可實現人與物、物與物的泛在互聯,是支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵型基礎設施。加快推進5G技術應用,是推動智能鐵路高質量發展、實現交通強國鐵路先行的重要基礎[3,11-12]。

2020年,國鐵集團發布了相關推進5G技術鐵路應用的意見和行動計劃,并明確指出了推進5G專網承載鐵路業務關鍵技術研究,針對鐵路調度通信等關鍵業務,研究基于5G專網的集群通信、多媒體技術、業務優先級等高可靠通信保障技術及裝備,為5G專網承載鐵路業務提供技術支撐?；?G-R承載的集群通信技術必將成為鐵路典型應用首要解決的問題。

我國鐵路已經明確將采用3GPP MCX(關鍵業務通信)技術實現鐵路集群通信業務。近年來,國內外學者在鐵路MCX技術應用研究方面卓有成效。文獻[12]探究了5G專網集群通信技術方案和系統架構;文獻[13]研究了基于MCX技術實現鐵路智能調度通信的關鍵技術;文獻[14]闡釋了MCX多媒體集群通信系統在重載鐵路的應用,并實現了鐵路領域的首次工程應用;文獻[15]提出了5G-R與GSM-R雙網絡列車調度通信業務的平滑過渡方案。以上工作為MCX技術應用奠定了基礎,然而,尚未對鐵路5G專網MC設備組網技術進行深入研究。

當前,智能鐵路發展對各業務系統和設備的穩定性和安全性提出了更高的要求。MC設備作為鐵路重要的通信保障,其組網技術直接影響著集群通信業務的可靠性,因此,開展鐵路5G專網寬帶集群通信MC設備組網技術的研究具有重要意義。

1 鐵路寬帶集群通信MC設備系統架構及業務功能

隨著鐵路5G專網的研究和推進,逐步形成了5G-R總體架構,并提出了MC設備的系統架構和業務功能需求[11-13]。

1.1 MC設備系統架構

鐵路寬帶集群通信MC設備是最具鐵路通信應用特色的核心裝備和系統,承擔著下一代鐵路通信中集群和調度通信業務,主要由SIP Core、MC應用和接口網關等組成,其系統架構如圖1所示。

在互通接口方面,MC設備需要互聯互通的設備和系統眾多,更突顯了其重要程度。MC設備通過N6接口與5GC UPF互聯,主要實現與移動終端MCX-1接口類業務;通過N5接口與5GC PCF互聯,主要用于專用承載協商和控制,保障通信業務的服務質量;通過MCX-3接口與其他MC設備和多媒體調度系統互聯,實現系統間業務交互;與全路共用智能網5G-IN互聯,實現智能業務功能;通過接口網關實現與既有通信系統的互聯互通,如GSM-R網絡、FAS系統等,保障業務的平滑升級和兼容性。

一方面,MC設備承擔著5G-R網絡移動終端設備的集群通信服務,以及與各業務系統互聯互通、保障5G-R集群和調度通信的功能;另一方面,MC設備是5G-R和GSM-R雙網絡業務互通和平滑過渡的重要裝備。因此,MC設備組網方式將直接影響業務的通信過程,也對整體業務的可靠性起到了至關重要的作用。

1.2 業務功能需求

通過整合既有調度通信功能需求和智能鐵路提出的新需求,MC業務功能主要包括以下方面。

(1)語音業務

提供支持語音個呼、語音組呼(預定義和自定義組呼)、話權控制等功能。

(2)視頻業務

提供支持視頻個呼、視頻組呼(預定義和自定義組呼)、視頻傳輸控制、視頻上拉和推送等功能。

(3)數據業務

提供支持點對點和點對多點的短數據、文件分發等功能。

(4)鐵路特定業務

提供支持功能尋址、基于位置尋址、基于位置的呼叫限制、鐵路緊急呼叫等功能。

(5)多司機通信業務

提供支持多司機通信(重聯組呼)管理和呼叫等功能。

(6)業務優先級與處理

提供支持MC業務多優先級控制功能。

(7)與呼叫相關的業務

提供支持呼叫保持、等待、前轉等功能。

(8)其他功能

提供信令監測與分析、錄音錄像等功能。

2 MC設備部署技術

MC設備部署技術和方案是該設備落地應用的關鍵。根據鐵路5G專網建設部署和應用分析,以及保障鐵路安全、高效運用的需要,本次提出了符合鐵路應用特色的MC設備部署方案。

2.1 總體部署架構

MC設備總體部署架構如圖2所示,MC設備將按局集團公司集中部署,采用同城異址冗余備份組網方式,即在局集團公司同城異址部署2套MC設備,且單套MC設備采用本址雙機冗余備份方式實現。各鐵路局集團公司MC設備,負責局管內線路5G專網移動終端設備的集群通信服務。

圖2 MC設備總體部署架構

本地冗余極大地提高了單系統的可用性和可靠性;異地容災有助于保障在極端情況下的系統可靠性,同時提高了業務系統的易維護性。智能鐵路的發展對各業務系統的安全性、可靠性和容災能力等要求越來越高,因此,MC設備采用本地冗余和異址容災方式進行部署,能夠在總體系統架構層面保障系統和業務的高可靠性和可用性,解決極端情況下業務不可用的問題。

2.2 云化部署技術

隨著云計算技術的發展和應用,云計算平臺正在成為鐵路行業新型通信基礎設施的重要組成部分,為智能鐵路的發展提供數字底座[16-17]。如圖3所示,云平臺通過分布式計算和虛擬資源管理等技術,能夠將各項軟硬件資源集中起來形成共享資源池,實現按需、可度量的向用戶提供服務[18-19]。

圖3 云平臺技術特點

寬帶集群通信系統MC設備采用云化部署技術,即MC設備地面系統統一部署在云計算平臺上,能夠顯著提高業務應用的便捷性、可靠性和擴展性。

但是,與其他業務系統不同,MC設備作為鐵路通信專用設備,承擔著列車指揮通信的關鍵任務,且部分功能單元或網關設備必須采用專用硬件設置。因此,建議MC設備采用專用私有云部署+實體專用硬件方式布設,即主體可云化部分部署在MC私有云上,其他無法實現云部署的單元設備設置采用專用硬件部署。該方式既發揮了云平臺的高可靠性作用,又符合系統設備實際運用需要,同時,能夠避免與其他業務系統承載在統一的云平臺上帶來的安全和穩定性問題。

3 MC設備容災備份技術

上述章節給出了MC設備總體部署方案,采用同城異址容災備份方式實現局集團公司部署,其中,同城異址的兩套MC設備的具體容災備份工作方式將直接決定業務流程和可靠性,是當前MC設備組網技術關注的核心問題[20-21]。通過對當前主流的容災備份技術進行研究[22-23],如主備、負荷分擔和雙活等,提出了一種業務容災能力更強的MC設備容災備份技術。

3.1 主備方式

典型的主備方式分為熱備和冷備。熱備情況下,只有主設備承擔業務服務,備設備熱備,實時同步主設備的數據;當主設備不可用時,根據系統內部切換控制,啟動備設備服務,此時備設備承擔業務。冷備與熱備的主要區別在于,冷備情況下備設備不會實施同步主設備數據,僅周期性地進行備份,或者不進行備份,只有當主設備不可用時,才啟用備設備并進行數據同步。

考慮業務的可靠性需要,MC設備采用主備工作方式時,宜采用熱備實現,即正常情況下,僅主設備提供業務,備設備不處理業務,但備設備實時同步主設備的數據。MC設備采用主備工作方式時的組網示意如圖4所示。

MC設備采用主備工作方式的優勢主要表現為業務邏輯清晰,同一時刻,業務僅運行在單套MC設備上,便于維護和管理。但是,如圖4中標注所示,當主用系統本身無故障,僅是與外部系統或終端互聯的鏈路有故障時,外部系統或終端按照既定策略與主用系統業務失敗后,向備用系統(此時不處理業務)發起業務嘗試仍然會失敗,即此種場景下會直接出現業務失敗的問題。因此,主備方式對此類鏈路故障場景處理能力不足。

3.2 負荷分擔方式

負荷分擔方式一般是通過橫向設置多個設備,前置設置負載均衡器,通過負載均衡策略使得多個設備可以同時獨立工作,有利于提高系統的性能及并發能力,其中一個設備損壞不會影響整體業務。

MC設備采用負荷分擔方式時,組網示意如圖5所示。如果異地容災的兩套MC設備采用負荷分擔方式,局內終端發起的注冊以及外部互聯系統發起業務,都會按照負荷分擔策略被隨機分配給任何一套MC設備上,主叫方無法知曉被叫終端具體注冊在哪個MC設備上,當被叫終端并沒有注冊在當前處理業務的MC設備時,會導致業務失敗。因此,同城異址的兩套MC設備整體不宜采用負荷分擔方式,但是鑒于負荷分擔方式的優勢,可以在單套MC設備內部,針對不區分狀態的網元采用負荷分擔的方式,以提高單系統的性能和可靠性。

圖5 MC設備負荷分擔容災組網

3.3 雙活方式

雙活方式是一種常見的容災手段,該方式的典型特點是雙套系統同時對外提供服務,雙系統互為備份,數據實時備份。一般而言主系統的負載會多一些,備系統分擔部分業務,避免其中某一系統發生故障時,造成業務無法處理的情況。與熱備相比,雙活能夠進一步發揮備系統的業務處理能力。

與負荷分擔的問題類似,當被叫用戶終端未注冊在當前處理呼叫的系統上時,單純的雙活方式無法保障業務正常進行。

3.4 雙活主備用方式

針對MC業務的特點,并結合鐵路對業務系統的高可靠要求,提出一種業務保障性更強的容災備份方法,稱為雙活主備用方式。雙活主備用方式可以概括為:2套MC設備雙活,對外區分主備用,內部角色單元(如MC應用等)可采用負荷分擔。

如圖6所示,雙套MC設備同時對外提供服務,但區分主用和備用角色,外部系統或終端可以設置優先訪問的目標為主用,訪問主用失敗時,訪問備用。MC設備采用雙活主備用方式的另一個關鍵點為:主用系統和備用系統間能夠互通業務,可以有效解決被叫用戶注冊在另一個系統時無法訪問的問題,業務容災能力更強,互通接口可采用MCX-3接口。MC設備采用雙活主備用的冗余模式,一方面,可以有效解決當互聯鏈路出現故障,但系統本身工作正常沒有發生主備切換帶來的業務失敗問題;另一方面,可以有效利用系統資源,為提高系統整體的容量。

圖6 MC設備雙活主備用容災組網

對比主備方式,雙活主備用方式下系統整體復雜度相對較高,且由于主備用系統同時工作,相應會增加系統設備維護的投入。但是,采用該方式MC設備系統整體的鏈路故障容災能力更強,能夠保障更多的故障情況下業務有效性,滿足鐵路對業務高可靠性和可用性的要求。

4 結語

針對鐵路5G專網寬帶集群通信MC設備的組網問題,研究智能鐵路對集群通信系統和業務提出的需求,闡釋了MC設備系統架構和業務功能;針對MC設備工程運用場景,提出了總體部署方案和云部署建議;在此基礎上,探究并提出了雙活主備用的MC設備容災備份技術,保障鏈路故障場景下業務的可靠性。

綜上所述,提出的MC設備部署方案和容災備份方案,具有可行性和前瞻性,能夠為鐵路5G專網MC設備的實際運用提供指導和借鑒,有助于推進智能鐵路的發展。