eCALL 技术原理及信令流程探讨

［关丹竹 杜春生］

1 引言

eCALL（Emergency-CALL，紧急呼叫)是一种车辆事故紧急呼叫系统，使用移动通信和卫星定位功能，在发生交通事故后，与最近的救援中心的统一号码（如欧盟的112）建立电话连接，除语音通话之外，车载eCALL 系统还上报事故位置和车辆等信息。eCALL 基本理念是缩短应急响应时间，减少伤亡等事故。从20 世纪90 年代开始，汽车里陆续装备了基于2G、3G 和4G 的移动通信设备和eCALL 车载系统，在车辆发生事故时，eCALL 车载系统可自动触发报警或者乘员选择手动报警，在建立语音通话的同时，将车辆位置、行驶方向、车架号和车型、乘员数量等信息发送给救援中心，使得救援中心能够快速定位事故车辆并组织救援。

2018 年4 月1 日起，在欧盟销售的所有新车都被强制要求配备eCALL 设备，日本也在2019 年将eCALL 纳入J-NCAP(日本的专业汽车安全测试机构)评价，其他地区如中东、俄罗斯也相继提出类似要求。我国还没有强制执行紧急救援的计划，2018 年1 月工信部网站首次公开征集对《车载事故紧急呼叫系统》强制性国家标准计划项目的意见；2020 年发布了相关eCALL 标准系列如《基于公众电信网的车载报警系统无线传输技术要求》、《基于公众电信网的车载紧急报警系统 基于IMS 的数据传输技术要求》等；2022 年3 月，工信部发布2022 年汽车标准化工作要点，启动车载事故紧急呼叫系统标准研制立项。在不久的将来，我们将迎来自己的国家标准。[1～3]

2 eCALL 的系统构成及简要流程

如图1 所示，eCALL 系统单元通常由车载系统IVS、移动网络、救援派遣平台三部分组成。事故发生时，eCALL 的触发方式有两种：其一是车辆发生碰撞致使安全气囊弹出时自动触发；另外是手动触发，通过车内eCALL 按钮触发或语音呼叫触发。

图1 eCALL 系统构成

IVS（The in-vehicle system，车载系统），包括了传感器、检测到事故后的自动触发或者手动按SOS 按键触发紧急呼叫进行报警。

MNO（Mobile network operators,移动网络运营商）支持电路域语音业务的蜂窝网络，可通过紧急呼叫建立消息中携带的“eCALL flag”标志识别eCALL 呼叫，并将呼叫路由到最合适的救援平台。

PSAP（Public safety answering point，公共安全应答点），是专门处理eCALL 的节点（救援平台），PSAP 通过带内调制解调器和IVS连接，接收与事故相关的MSD（Minimum set of data，最小数据集）数据。[4]

当车辆启动时，eCALL 车载系统上电并初始化，IVS完成网络注册。事故发生后，会自动触发eCALL 发起紧急呼叫。运营商网络通过终端发起的呼叫建立消息中携带的“eCALL flag”识别为eCALL 类型的紧急呼叫，移动网将此呼叫路由到eCALL 对应的PSAP，建立IVS 和PSAP 的连接。随后IVS 触发eCALL MSD 传输，目前采用的是In-band Modem 带内调制解调传送MSD，使用带内调制技术将最小数据集（MSD）时分复用和调制到数字语音通带，然后通过2G/3G 话音通道传送到PSAP，传递的信息中含重要的信息，包括车辆类型、车辆位置、触发时间等等。MSD 消息传送完毕或传送失败超时后，自动切换到通话模式，PSAP 救护员可以和呼救人建立语音通话。[5]

3 eCALL 技术原理及信令流程

前文论述eCALL 的简要流程，接下来分别介绍为实现eCALL 功能的重要技术步骤，包括呼叫建立过程、呼叫建立完成后传送MSD 的带内传输技术、MSD 传输和通话voice 的协同技术，以及更深层次解读IVS 和PSAP 之间链路层和应用层信令交互。

3.1 eCALL 呼叫建立流程

eCALL 的呼叫建立流程包括两个部分，其一是移动网通用流程，另一是移动网呼叫控制流程。通用流程即鉴权、位置更新后连接管理、安全加密等，如图2 所示，车载系统完成网络注册后，IVS 向基站BSS 发送连管理服务请求，BSS 将请求发送到MSC,MSC 向VLR 发送接入请求，VLR 判断用户权限等操作后向VLR 进行用户的鉴权，网络的鉴权及用户的鉴权成功后进行安全加密。

图2 eCALL 呼叫建立流程

通用流程完成后，是呼叫控制流程的建立过程，作为紧急呼叫，IVS 发起Emergency setup 请求，其中携带eCALL flag 标志；VMSC 确认允许紧急呼叫接续后指示BSS 向IVS 分配无线信道资源；分配成功后，VMSC 根据flag 识别为eCALL 呼叫，通过交换网将话务路由至支持eCALL 的 PSAP。话路建立完成后，才会开始MSD 的交互和传输。

3.2 eCALL MSD 传输技术

3.2.1 eCALL 带内调制解调技术

呼叫建立完成，开始MSD 最小数据集的传输，在eCALL 紧急呼叫中，对于运营商而言，话路中传送的的是“话音”，为实现在话音的话路中传输MSD 最小数据集，传输采用的是带内调制解调的技术。

如图3 所示，eCALL 的带内调制解调器是由IVS 和PSAP 的发射器和接收器组成的全双工Modem 对。IVS 的结构上包含了Radio Modem 和Speech Codec 语音编码器，话路建立完成之后，传送系统连接到IVS 的 无线Modem上，并串接Speech Codec 语音编码器，语音编码器均开关可选择连通IVS Data Modem 或者是麦克风通话，这两种输入对于语音信道而言是同样处理的，由IVS 控制话路中的传送内容是MSD 数据还是语音。

图3 eCALL 带内调制解调技术

在PSAP 端，也有开关可选择连通Data Modem 或者是麦克风,实现接收MSD 或者和工作人员通话。具体传送的是MDS 数据还是话音，有软件控制的开关实现，默认初始连接是Data Mode。

通常情况下，事故发生后自动或者手动发起eCALL呼叫,IVS 的语音编解码器连接 Data Modem，触发eCALL MSD 传输，传送完成后语音编码器连接麦克风可转为语音通话；在通话期间，如果PSAP 要求额外的MSD 数据，可随时通过指令通知IVS 传送最新MSD，传送结束后亦可再次转为语音通话。

3.2.2 MSD 传输与voice 的协同

IVS 和PSAP 系统中有Data Modem 及话筒，Modem和话筒之间什么时候切换，是通过软件进行控制的，是需要协同的。

MSD 传输与voice 的协同原理如图4 所示，首先，步骤一至三eCALL 呼叫建立流程前文已经详细论述。通路建立完成后，第四步是带内Modem 传输MSD 数据。第五步、PSAP 成功接收到到MSD 后，PSAP 通过带内Modem 发送AL-ACK 应用层确认指令到IVS，如果取值为“positive” 则转人工语音通话，如果取值为“cleardown” 则直接挂机结束会话。第六步、若上一步ALACK=positive，则转为人工语音通话，车内乘员与PSAP工作人员沟通事故状况及救援事项等。最后通话结束，呼叫释放。

图4 MSD 传输与voice 的协同

语音通话过程中，IVS Modem 持续监听信道信号，PSAP 工作人员可以根据需要，随时指示IVS 发送最新的MSD，重新启动上述步骤四及步骤五。

3.2.3 eCALL MSD 传输信令流程

接下来更详细的论述IVS 和PSAP 之间的调制解调器之间的交互。包括链路层和应用层的信息交互。[6]

如图5 所示，语音通道建立之后，下行方向，PSAP发送ISUP ANM 应答消息后，立即指示Modem 向IVS 发送NEC tone，IVS 收到该信号后，将回声抑制器disable；在链路层，发送完NEC tone 后，上行方向，IVS 收到摘机应答消息后，立即指示modem 向PSAP 发送initiation同步信号。

图5 MSD 链路层和应用层的信息交互

PSAP 收到initiation，锁定上行链路同步，立即发送SEND-MSD，指示IVS 发送MSD 信息；IVS 收到SENDMSD，锁定下行链路同步，立即发送MSD 数据信息；PSAP 对上行MSD 进行同步，解码并核对CRC 循环校验；CRC 校验通过后，PSAP 发送链路层LL-ACK，LL-ACK确认物理层正确解码，表示MSD 信息已正确接收。

IVS 收到LL-ACK，停止MSD 传输；PSAP 检查应用层数据，如果内容格式正确，发送AL-ACK=positive，并转为人工语音通话；IVS 收到AL-ACK=positive，也转为语音通话。

在这个交互流程，PSAP 发送链路层LL-ACK，表示正常接收MSD 信息，应用层的AL-ACK 则用来指示MDS 的内容格式是否正确。[7]

4 eCALL 的演进

普通的 eCALL 是针对2/3G 的电路域紧急呼叫开发的技术，随着4G LTE 网络在全球范围内得到广泛部署，未来运营商可能逐步淘汰电路域网络，eCALL 也需要与时俱进，升级到基于IMS 紧急呼叫的下一代eCALL，即NG-eCALL。

4.1 NG-eCALL 介绍

对比普通的 eCALL，NG-eCALL 能有效支持IVS 和同一个PSAP 间语音和分组数据的并发，利用IMS 支持紧急呼叫业务的能力，NG-eCALL 可以大大缩短呼叫建立的时延；并且支持VoLTE 语音和数据的并发，可以在远程救援期间获取现场静态和动态的图像和音频信息。

NG-eCALL 的系统架构中，主要网元包括支持基于IMS 紧急呼叫的蜂窝网络、支持NG-eCALL 功能的IVS（车载台）和支持NG-eCALL 功能的PSAP（公共安全应答点，即救援平台）。

如图6 所示，车载系统IVS 通过网络发起紧急呼叫；拜访地网络通过IMS 建立至PSAP 的路由，其中包含SIP/IP 信令路由和媒体路由，其中媒体路由传送话音信息；MSD 信息通过SIP 信令消息发送到PSAP，信令路由和媒体路由相对独立，语音媒体路由不受MSD 传输的中断或影响。在5G/6G 时代，网络架构也是类似的，只是会有网元的更替，例如，gNB 取代了eNB，UPF 取代了SGW 等，IMS 核心网络不变。

图6 NG-eCALL 系统构成

4.2 NG-eCALL IMS 紧急呼叫流程

如图7 在NG-eCALL 呼叫流程中，第一步，终端输入112，发起NG-eCALL 呼叫；第二步，由于紧急呼叫优先级较高，终端若有正在进行的IMS 普通呼叫，则释放当前会话；第三步，如果终端没有附着/登记在当前4G、5G 网络，则发起紧急附着或者登记；第四步，终端发起紧急承载请求，为将要进行的IMS紧急呼叫建立默认承载；第五步，终端从紧急承载建立过程中获取P-CSCF 地址；第六步，终端发起IMS 紧急注册；第七步，终端发起后续IMS 紧急会话，建立到PSAP 的连接。在此呼叫流程过程中，最后一步才是发起真正紧急呼叫的请求，建立连接。

图7 NG-eCALL 呼叫流程

4.3 NG-eCALL 通话建立及MSD 数据传输

如图8 所示，第一步，首先根据4/5G 基站广播支持eCALL 的指示“eCALL supported”，若支持则域选IMS网络，终端发起紧急呼叫，执行上述附图7 呼叫流程的第一到第六步，完成附着/登记、建立默认承载、获取P-CSCF 地址并发起IMS 紧急注册。第二步，终端发起SIP INVITE 信令建立IMS 紧急会话，其中request uri 为urn:service:sos.eCALL.automatic 或urn:service:sos.eCALL.manual，标识eCALL 是自动触发或者手动触发，并且消息中body 部分携带初始MSD。第三步，IMS core 根据request uri 将invite 会话路由到NG-PSAP，PSAP 返回200 OK，其中body 部分携带MSD Ack，表示接收到的MSD数据正常；若接收到的MSD 数据错误，则body 部分携带MSD Nack。IMS core 将200 OK 消息送回终端，告知终端NG-PSAP 是否正常收到MSD 数据。第四步，信令交互完成，MSD 传送完成，完成紧急会话建立，在会话建立过程中，在传送MSD 的同时语音媒体路由也成功建立。[8]

图8 NG-eCALL MSD 数据传输流程

若基站广播“eCALL supported”指示为“不支持”，则选择CS 域建立2/3G eCALL，此时需要通话建立完成后，才进行MSD 的传送，MSD 传送完后进行通话；NGeCALL 在通话建立的信令中携带MSD，通话建立后立刻可以实现通话，是并行的过程，这是NG-eCALL 和2/3G eCALL 最显著的区别。

上述流程我们讨论的是拜访地运营商是IMS 网络，并且PSAP 支持NG-eCALL，若仅是CS-PSAP，不支持SIP 信令，如图9 所示。4/5G 基站广播“eCALL supported”，判断网络支持NG-eCALL，通知终端发起SIP INVITE 信令建立IMS 紧急会话；由于PSAP 仅支持CS 接入，IMS core 将invite 会话通过MGCF/MGW 将invite 转换为IAM 信令，将会话路由到合适的PSAP，此时IAM 信令无法携带MSD 信息。由于终端在之前的INVITE 中没有携带MSD，或者携带了MSD，但收不到MSD Ack 确认信息，如附图中的第四步，终端完成了与PSAP VoLTE 紧急呼叫连接，最后再通过带内modem 方式传送MSD。

图9 PSAP 不支持IMS 接入的NG-eCALL MSD数据传输流程

对于IMS 紧急呼叫，根据PLMN 网络对eCALL 的支持情况，与PSAP 之间的交互情况，可以通过SIP 信令传送MSD，或通过带内modem 方式传送MSD。

6 结束语

随着eCALL 技术不断完善和普及，eCALL 业务在全球得到规模应用，更多人享受其带来的便利和安全性，产生了积极的影响。现在，4G LTE 网络已经在全球范围内得到广泛部署，许多运营商也已经或计划部署VoLTE，并且欧美运营商在VoLTE 上支持基于IMS 的紧急呼叫。

NG-eCALL 的部署主要依赖于VoLTE 和IMS 紧急呼叫的成功实施和广泛覆盖，可预计在较长一段时间内，还需In-band Modem eCALL，随着2/3G CS 网络的逐渐淘汰，IVS 逐步迁移到双模式，网络和PSAP 需要支持eCALL和NG-eCALL 两种模式，以保障前期部署的eCALL IVS能够继续使用紧急救援服务。