基于IMS 构架的铁路通信网和发展建议
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目前，铁路通信系统已经发展成拥有14个子系统的庞大网络，由于各子系统建设时间不同，所采用的技术也不同(有20世纪80年代的PSTN、ISDN技术，也有21世纪的移动通信和多媒体通信技术)，因此存在着系统复杂、接口种类繁多、网络扩展性差、维护难度较大、运营成本高、信息共享代价大等问题。随着铁路信息化的深入，继续采用不断叠加新系统的方式将使铁路通信网系统更复杂和更难维护。IMS作为下一代通信网(NGN)实现了大融合方案的网络架构，恰恰是在通信业务爆炸式发展的背景下提出的，它不仅可以实现最初的VoIP业务，更重要的是能更有效地对网络资源、用户资源及应用资源进行管理，提高网络的智能，使用户可以跨越各种网络并使用多种终端，感受融合的通信体验，成为公认的通信网演进目标。
1IMS技术简介
IMS由3GPP(3rdGenerationPartnershipPro-ject)在R5阶段引入，目的是将公众IP互联网的体验引入到移动网络，结合两者的优点。IMS问世之后立即得到了众多标准化组织的认同，IMS核心架构也得到了这些组织的完全重用。IMS除全面考虑了会话控制、业务提供、业务触发、移动、计费、寻址方式等特性之外，还考虑了QoS(QualityofService)、安全、NAT(NetworkAddressTranslation)穿透、与PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)和PLMN(PublicLandMobileNetwork)网络互通、固定移动融合等问题。IMS是IP网上进行多媒体通信的可运营、可管理、可增值的一种完整解决方案。
2.1系统构成
铁路IMS通信网络可以采用连接层、控制层、应用层三层结构。基于IMS构架的铁路通信网如图1所示。
2.1.1连接层连接层完成使用终端与网络的连接。由于IMS与接入无关，现有的铁路调度电话、办公电话、GSM-R终端等各种现场使用的设备，可以采用无线网络、光缆、电缆、甚至卫星等最优化、快捷的方式完成与网络的连接。这对铁路点多线长、自然环境各异的现状尤其适合。
2.1.2控制层控制层作为网络的核心，担负着业务触发、鉴权、与各种现有网络对接等重要的控制功能。其中，HSS(归属用户服务器)负责存储用户和业务的相关数据、身份、注册信息、接入参数、业务触发信息，并对用户鉴权、用户授权和漫游进行管理，是所有用户和业务的数据库。CSCF(呼叫会话控制功能)负责承载网络授权和策略，SIP的压缩及解压缩，SIP信令的安全性和完整性保护，处理注册请求，从HSS下载用户相关数据激活相应的业务，访问AS以向用户提供业务，进行呼叫会话控制等功能，是整个业务的处理中心，各种业务的触发集中在这里进行。MGCF(媒体网关控制功能)主要完成各种网络连接协议的转换。CS-MS(媒体服务器)、NBG(窄带网络边缘网关)、ABG(宽带网络边缘网关)等各种网关、控制服务器，负责与既有各种通信网络的互联互通。强大的控制层是IMS网络正常运行的保障。具体到铁路网络，通过在HSS中进行相关数据设置，可以将通信网络中几乎所有的语音、数据、图像等业务触发和调度集中处理。例如，现有铁路通信网中的调度(ISDN)、办公(PSTN)、GSM-R业务，完全可以集成为一个统一的控制平台，避免不同体制、不同设备的兼容、维护方面的问题。甚至在特殊情况下，可以临时调整数据，完成应急指挥中心指挥调度任务，完成将视频监控图像接入会议视频等现有系统很难完成的任务。在统一的SIP协议下，各系统的资源可以共享;并且随着IMS的发展、各类网关的健全，可以很方便地与既有网络进行对接。
2.1.3应用层应用层由各种不同的应用服务器与资源服务器组成，提供各种业务及业务能力。通过统一的基于IP的SIP协议与控制层连接，通过控制层的信息，为用户提供各种业务。由于协议和接口的统一，现有的各种铁路通信业务可以很容易实现，新的业务开发也容易接入网络。各种应用成为模块化的结构，接入和撤除都很方便，完全避免了为了一个需求开发一个大系统的情况发生。统一的制式也使维护管理效率更高，为铁路通信安全提供更好地保证。
2.2铁路通信应用1．语音应用。现有铁路电话业务、调度通信业务、GSM-R业务和应急通信业务中的语音通信业务，整合进入语音中心。通过统一的基于SIP协议的服务器组，完成对各类语音业务的承载。通过HSS对不同用户权限、业务进行设置，保证正常情况下办公电话、调度通信、GSM-R通信的隔离，在必要时也可以实现本网与运营商的公众电话网互通。由于会议视频中心采用相同的协议，可以通过与会议视频中心的交联，实现多媒体可视化调度或电话视频通信。语音中心可以进行录音、录像，不需要设置专用的运输语音记录仪系统。2．会议视频应用。铁路现有会议视频系统可以整合进入会议视频中心。现有的铁路会议视频覆盖面有限，只能完成铁道部→路局→站段间的通信，很难为其他系统提供信息共享。在IMS构架下的会议视频业务将具备更大的容量，可以解决铁路车间和班组的会议视频需求，且由于IMS网络与接入无关，可以用各种终端予以接入。在IMS构架下的会议视频业务由于采用统一的控制层进行触发，可以为多媒体调度、应急通信甚至铁路多媒体办公电话提供会议视频服务。3．远程监控应用。现有铁路综合视频监控业务、应急通信业务中的现场图像业务和动力环境监控业务可以整合进入监控中心。视频监控业务和动力环境监控业务在现有系统中只实现了有限的联动，应急通信业务中的图像传送业务自成系统。而在IMS构架中，完全可以由监控中心统一承载，日常情况下监控重要无人值守地点的各种信息和数据，在应急情况下事故现场设备通过最快捷的手段接入中心实现图像的交互。4．网络管理。现有的铁路通信体制中，由于各种设备制式不同，无法实现统一的通信综合网管，每个系统设置各自的网管在效率和安全上存在诸多弊端。而在IMS构架下，所有的应用系统全部采用统一的触发体制、统一的SIP协议，使通信综合网管系统成为可能，极大地提高通信维护的效率和质量，提高了通信网的安全性。
2.3IMS构架铁路通信网的搭建可以将现有铁路通信构架下的6个业务网子系统和专用移动通信系统(GSM-R)整合为3个子系统，并且整合后的系统统一接口、统一触发、统一维护，减小系统复杂性，增加维护工作效率，提高系统可靠性。IMS构架使通信的综合网管系统成为可能，实现整个铁路通信网统一监控、统一管理、统一指挥。IMS也为铁路通信网提供了强大的扩展功能和各系统交联的能力，由于采用统一的接口、协议、触发机制，使新业务的开发和运行变得更加简单，可以使铁路通信网及时响应铁路运输对通信的各种需求;而且能够方便地实现信息共享，避免投资浪费。IMS网络是基于IP网的多媒体通信系统，统一的IP承载网可以为信息、运营调度、供电、工务等部门提供统一的数据网(FE)接口，避免重复投资2Mb/s转FE的协议转换器和重复占用带宽，为铁路各专业的专用系统提供更高效和经济的数据传送服务。
3现有铁路通信网向IMS发展建议
1．完成全路数据网的搭建。IMS网络基于IP网的多媒体通信系统，首先完成通信IP数据网的搭建，是IMS网络在铁路上应用的必要条件。
2．由易到难，逐步推进。由于IMS网络强大的网关支持能力，在IMS网络的搭建中，现有铁路通信网可以很方便的与IMS网络实现互联互通，保证既有业务的正常进行和投资不浪费。铁路通信网的IMS化改造应本着“由易到难，逐步推进”的原则进行。铁路通信14个子系统中，铁路电话系统还在租用运营商的网络，每年付出大量的租用费，且由于铁路电话系统与铁路运输没有直接关系，技术风险最小。铁路IMS构架通信网搭建中，可以考虑首先建设铁路电话系统，通过电话系统的建设积累各种经验;接下来进行会议视频系统的IMS化整合改造，为铁路高清会议视频和多媒体通信打好基础;然后进行综合视频监控和动力环境监控系统的IMS化整合改造，实现监控系统的提升;最后进行铁路调度电话和GSM-R系统的IMS化整合改造，利用前期积累的经验，将涉及行车业务平滑整合进入铁路IMS网络。
4结束语
随着中国铁路的高速发展，必将需要更强有力的铁路通信网络提供支撑。铁路通信网从当初单纯提供语音电话通信发展到今天提供包括视频、各类监控数据在内的各种业务，并且随着铁路的不断发展，对铁路通信还会有更多、更可靠的需求。目前，每个系统单独发展的模式已经越来越不能适应铁路高速发展对通信的需求，IMS技术提供的这种灵活的组网方式、硬件化、层次化、模块化的网络结构，既提升了网络可靠性，又可以在提高资源利用率的基础上，实现多业务可靠、统一开展，因此是一种非常好的选择。并且IMS技术从2002年提出标准(3GPPR5版)，到2007年大规模在电信领域商用，不管是技术体系还是系统设备都已经成熟。在铁路通信网方面，大秦铁路已经在使用华为公司提供的软交换(3GPPR4)GSM-R系统，北京交通大学等单位也进行了基于IMS构架的IPTV-R的研究。IMS作为国际权威标准组织普遍认可的NGN网络融合，以及业务和技术创新的核心标准，必将能够为铁路的发展提供更好的支撑。
