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铁路5G专网集群通信技术方案研究

摘要：首先介绍铁路调度通信、列车控制系统基本特点；在分析基于LTE的语

音业务（VoLTE）技术和MC（关键业务）集群通信技术的基础上，针对铁路5G

专网MC系统架构以及铁路5G专网集群通信技术应用方案进行研究。

关键词：铁路5G专网；基于LTE的语音业务；MC（关键业务）；集群通信技

术；铁路调度通信业务

铁路专用移动通信系统是保障铁路运输安全的关键基础设施,调度通信、列

车控制是涉及铁路行车安全的重要业务。目前,铁路数字移动通信系统（GSM-R）

承载的调度通信和列车控制业务均基于电路域技术实现。随着5G技术不断的成

熟、公网大规模商用,铁路专网也将采用5G技术。5G网络承载与应用分离、全

IP化组网,不再支持电路域业务。3GPP国际标准组织定义了MC（关键任务）集

群通信技术体系,满足行业专网、公共安全等领域对传统电信业务的需求。为此,

本文对铁路5G专网集群通信技术应用方案进行研究。

1铁路业务

1.1铁路调度通信

铁路调度通信业务包括:列车调度、货运调度、机务调度、动车调度、客运调

度、供电调度、电务调度、工务调度等。业务应用涉及移动终端、移动与固定终

端（调度台）之间的个呼及组呼。以列车调度通信为例,“车机联控”是调度通

［1］

信的术语,指车务、机务等行车有关人员使用铁路专用移动通信设备,按规定进行

语音联络,提示行车安全信息,确认行车要求。铁路调度通信从无线列车调度系统

发展至GSM-R系统,“车机联控”应用模式一直延续。GSM-R网络根据调度通

信业务的呼叫场景、用户使用习惯,通过智能网设备为调度通信业务提供了接入

矩阵、位置寻址、功能寻址、基于位置呼叫限制等功能。

［2］

1.2铁路列车控制

2009年武广高铁开通运营,基于GSM-R网络的CTCS-3级列控系统在我国

高速铁路开始运用。GSM-R网络采用电路交换数据（CSD）业务通道承载列车

控制系统的安全数据,与调度通信一样均是电路域业务。电路域是电路交换技术,

不同用户独占各自分配的时隙,特点是数据量小、时延低。GSM-R网络的电路域

技术很好地满足了铁路调度通信和列车控制业务的需求。5G网络基于分组域架

构,分组域采用包交换方式,其特点是业务数据可以共享通道资源。面对网络承载

技术的重大变化,铁路调度通信、列车控制业务需要在技术上进行演进,才能适应

5G网络。

2VoLTE技术

IP多媒体子系统（IMS）最初由3GPP第5版定义,能够满足多样化的多媒

体业务应用需求,在分组承载网络的基础上综合实现语音、视频、数据业务,并支

持与既有电路域网络的互联互通。IMS是一种开放的网络架构,使用会话初始协

议（SIP）实现对多媒体业务的交换控制。移动通信技术发展到第4代（LTE）后

网络完全分组化,运营商移动通信网络的语音业务回落到2G/3G的电路域实现,

随后3GPP提出了基于LTE的语音业务（VoLTE）技术,在语音业务通话的基础

上增加了视频通话业务,而且通话接通时间更短,VoLTE接通时间约为0.5～2

s,2G/3G约为5～8s。VoLTE由4G和IMS网络组成,其网络架构见图1。

图1VoLTE网络架构图

IMS网络主要包括:代理会话控制（PCSCF）、服务/查询呼叫会话控制（S-

CSCF/ICSCF）、VoLTE应用服务（VoLTE-AS）、归属用户服务（HSS）、会话

边界控制（SBC）等功能。P-CSCF是VoLTE业务的接入节点,负责SIP（会话

［3］

初始协议）信令的代理。S-CSCF/I-CS